PPA/SBR复合改性沥青混合料性能试验研究
时间：2023-02-28 18:35:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
何方超
(河北交规院瑞志交通技术咨询有限公司 石家庄市 050000)
随着经济水平的提高，交通量日益增长，对于沥青路面的性能提出了更高要求，尤其是重载和超载车辆的增多，导致沥青路面过早地出现一系列病害。目前高等级沥青路面主要是采用SBS、SBR或废胶粉等高分子材料进行聚合物改性以增强沥青的各方面性能，并得到了良好的应用。但在实际应用过程中也出现了很多的问题，如改性剂与基质沥青相容性不好导致储存稳定性差或改性剂用量大导致成本过高等问题。在专家及研究学者不断地研究中发现，存在部分价格低廉的改性剂在与沥青发生改性的过程中可以重新生成稳定的化学键或者基团，能够改善改性沥青高低温性能和耐久性能，并且弥补改性沥青储存稳定性不足等问题[1]。
研究表明[2]，多聚磷酸可以有效改善聚合物改性沥青的高温稳定性和抗老化性能，且在改善改性剂与基质沥青的相容性方面具有明显优势，它主要是磷酸分子间通过一系列脱水交联得到的一种无机酸，目前美国约有18%的沥青面层中采用了多聚磷酸改性沥青，应用效果良好，而国内对于多聚磷酸在改性沥青中的研究应用尚在起步阶段，目前对于多聚磷酸改性沥青的研究成果中主要集中于多聚磷酸可以提高沥青的高温和抗老化性能，而在低温和水稳定性方面存在不足[3-4]。为进一步研究多聚磷酸改性沥青混合料的路用性能，并且改善单一多聚磷酸改性剂的不足，采用多聚磷酸与丁苯橡胶复配制备复合改性沥青，以期在路用性能方面取得较好的使用效果。
(1)原材料性能
粗集料采用玄武岩，细集料采用石灰岩，填料采用石灰岩磨细后的矿粉，经检测，各项技术指标都满足规范要求；
基质沥青采用西安某沥青公司生产的70号A级道路石油沥青，其技术指标见表1；
选用磷酸含量为115%的多聚磷酸，其五氧化二磷含量为84%，是一种无色粘性液体；
丁苯橡胶选用30～40目，其外观呈白色粉末状，抗拉强度为29MPa，伸长率为300%。
表1 道路石油沥青70号A级技术指标
(2)复合改性沥青制备
首先将基质沥青置于135℃烘箱中加热至熔融流动状态，然后称取一定量的沥青放入烧杯中，并置于电炉上继续加热，将3.5%SBR改性剂分次加入烧杯中用玻璃棒不停地搅拌均匀，然后采用高速剪切机以3500r/min的速率剪切30min，整个过程中将温度控制在165℃±5℃，剪切完成后在165℃烘箱中发育30min即完成SBR改性沥青制备[5]。然后分别将0.5%、1.0%和1.5%的多聚磷酸放入装有SBR改性沥青的烧杯中，继续采用高速剪切机以4500 r/min的速率剪切30min，全程控制温度在175℃±5℃，剪切完成后在175℃烘箱中恒温发育60min即可完成不同掺量多聚磷酸的SBR/PPA复合改性沥青制备。
(3)混合料配合比设计
选用连续型密级配沥青混合料AC-16级配中值作为研究混合料性能的设计级配，其级配组成见表2。以5.0%为油石比中值并以0.5%间隔拟定5组油石比，分别为4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%，然后以不同油石比制备马歇尔试件，分别测试马歇尔试件的物理力学性能指标，结果见表3。
表2 AC-16矿料级配表
表3 SBR/PPA复合改性沥青混合料物理力学指标
通过各指标值与油石比的关系曲线，并考虑密度、稳定度最大值和目标空隙率、饱和度中值等因素，得到SBR/PPA复合改性沥青混合料的最佳油石比为5.13%，同理可得到基质沥青、3.5%SBR改性沥青、1.0%PPA改性沥青混合料的最佳油石比分别为4.82%、5.21%和5.06%。
(1)高温稳定性
目前国内外用于评价沥青混合料高温性能的试验方法比较多，主要是马歇尔试验、单轴或三轴压缩试验、小型加速加载试验MMLS及(汉堡)车辙试验等，其中加速加载试验更接近于沥青路面的实际运营状态，其次车辙试验也较为符合现场实际路面受力状态[6]。由于试验设备条件受限，采用车辙试验对SBR/PPA复合改性沥青混合料的高温稳定性进行试验研究，试验温度为60℃，试验结果见表4。
表4 沥青混合料高温稳定性分析
从表4可以看出，六种沥青混合料动稳定度从大到小依次为1.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA+3.5%SBR>0.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA>3.5%SBR>基质沥青，单掺1.0%PPA的改性沥青混合料动稳定度相比3.5%SBR高出23%，且60min变形量也较小，在保持3.5% SBR不变时随着PPA用量增大，动稳定度值不断提高，1.5%PPA+3.5%SBR对应的动稳定度相对于3.5%SBR提高了51%，由此可见改性剂SBR和PPA都可一定程度地改善沥青混合料的高温抗车辙能力，但单掺一种改性剂时PPA的效果更显著，同时两种改性剂复掺时在改善混合料高温稳定性方面效果更为突出。
(2)低温抗裂性
沥青混合料低温时抵抗形变的能力即为低温抗裂性。一般情况下，在外界温度环境骤降时，由于沥青路面内外形成较大温差而引起收缩应力，当这种应力来不及松弛而超过材料自身所能承受的最大应力时便会发生缩裂，严重影响了沥青路面的使用寿命[7]。为了研究SBR/PPA复合改性沥青混合料的低温抗裂性，将室内成型的300mm×300mm×50mm车辙板试件用切割机制成250mm×35mm×30mm的小梁试件，利用MTS万能材料试验机在-10℃环境箱中进行测试，试验结果整理如表5。
从表5数据可以发现，相对于基质沥青而言，单掺3.5%SBR对应的破坏应变增加了38%，弯曲劲度模量减小了21%，而单掺1.0%PPA的破坏应变却减小了13%，弯曲劲度模量增加了5%。在SBR用量为3.5%时随着PPA用量从0增加到1.5%的过程中，破坏应变一直在减小，弯曲劲度模量在持续增加，且在1.5%PPA时破坏应变、弯曲劲度模量已然小于或接近于基质沥青，说明SBR能够提高沥青混合料的低温抗裂性，但改性剂PPA会对混合料的低温性能产生不利影响，可以看出当两种改性剂复配时SBR能够有效弥补PPA在低温性能方面的不足，因此在SBR和PPA复配时PPA的掺量不宜太高，宜在1.0%以下。
表5 低温小梁弯曲试验结果
(3)水稳定性
随着雨水渗入沥青路面结构内部后，在车辆荷载和动水压力的持续作用下，矿料表面的沥青薄膜在反复冲击作用下逐渐剥落，脱离了粘结性的集料成为松散状态，路面逐渐形成坑槽，影响行车安全[8]。目前国内关于水稳定性的试验方法有浸水车辙或汉堡车辙水浴试验、浸水劈裂强度试验、浸水马歇尔及冻融劈裂试验等，本文采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验作为SBR/PPA复合改性沥青混合料抗水损害性能的评价依据，以浸水前后或冻融前后的残留稳定度、冻融劈裂强度比为评价指标，其计算结果见表6。
表6 浸水马歇尔和冻融劈裂试验结果
从表6试验结果可看出，SBR和PPA两种改性剂无论是单掺或复掺，其残留稳定度和冻融劈裂残留强度比都比基质沥青高很多，在两种改性剂分别单掺时1.0%PPA对应的残留稳定度和冻融劈裂强度比相对于3.5%SBR都要略低一些，当SBR和PPA复掺时随着PPA用量的增大，其残留稳定度和冻融劈裂强度比均逐渐增大，且在1.5%PPA+3.5%SBR时达到最大，同时可发现在PPA用量大于1.0%后都要比任一种改性剂单掺时高，说明两种改性剂都可以明显改善沥青混合料的水稳定性能，同时两种改性剂复配后的效果更显著。
(4)抗疲劳性能
为了进一步探讨SBR/PPA复合改性沥青混合料的疲劳特性，利用MTS万能材料试验机并采用四点弯曲疲劳试验方法进行研究，试验采用应力控制模式进行加载，应力比选择0.5，以疲劳寿命次数作为评价依据，试件尺寸为250mm×40mm×40mm，是以车辙板经切割而成，试验结果见表7所示。
表7 四点弯曲疲劳试验结果
从表7可以看出，六种沥青混合料疲劳寿命次数大小顺序为1.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA+3.5%SBR>0.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA>3.5%SBR>基质沥青，掺加了3.5% SBR或1.0%PPA后的基质沥青疲劳寿命次数分别增加了36%、46%，在SBR为3.5%时随着PPA掺量的增加，疲劳寿命次数呈现大幅度增长趋势，说明两种改性剂在改善沥青混合料的抗疲劳性能方面都有很大的优势，但在SBR与PPA复掺时的效果更显著。
通过将SBR与PPA两种改性剂复掺制备复合改性沥青，并在此基础上制备不同改性剂或掺量的沥青混合料进行了一系列室内试验研究，主要得出以下几点结论：
(1)车辙试验结果表明，六种改性沥青混合料动稳定度从大到小依次为1.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA+3.5%SBR>0.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA>3.5%SBR>基质沥青，PPA在提高混合料高温性能方面更有优势，且两种改性剂复合后进一步增强了混合料的抗车辙能力。
(2)低温小梁弯曲试验结果表明，SBR改性剂能够增强混合料低温抗裂性，PPA会有不利影响，两种改性剂复合后SBR在一定程度上可以弥补PPA在低温方面的缺陷，且同时PPA用量不宜超过1.0%。
(3)从残留稳定度和冻融劈裂残留强度比数据发现，两种改性剂都可不同程度地改善混合料抗水损害性能，但PPA显得更突出，同时两者复合后的效果最显著。
(4)四点弯曲疲劳试验结果表明，两种改性剂在改善沥青混合料的抗疲劳性能方面都有很大的优势，且复掺时的效果更明显。
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