多聚磷酸改性生物瀝青混合料性能試驗(yàn)研究

趙奇峰

摘要：文章以基質(zhì)瀝青和調(diào)和瀝青作為對(duì)照組，通過室內(nèi)路用性能試驗(yàn)對(duì)PPA改性生物瀝青的高溫、低溫和抗水損害性進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，生物瀝青自身優(yōu)異的抗高溫性能能夠增強(qiáng)基質(zhì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，但會(huì)降低其低溫性能和水穩(wěn)定性;PPA改性劑能夠明顯提高生物瀝青混合料的高溫抗車轍變性能和低溫抗開裂能力，但同時(shí)也會(huì)削弱其抗水損害性能。

關(guān)鍵詞：多聚磷酸（PPA）;生物瀝青;調(diào)和瀝青;改性瀝青;瀝青混合料性能

0 引言

由于瀝青路面良好的使用性能，世界各國(guó)道路建設(shè)大多采用瀝青路面。瀝青路面需要消耗大量的石油瀝青，而石油瀝青作為一種不可再生資源變得日益緊張[1]。道路工程領(lǐng)域的專家和學(xué)者一直在尋找一種可以替代瀝青的新型材料[2]。

近幾年來，通過從秸稈或者植物油廢料等一些生物材料中裂解等一系列處理過程得到的生物瀝青逐漸出現(xiàn)在人們的視野中，采用生物瀝青替代石油瀝青能夠高效率利用現(xiàn)有的生物質(zhì)資源，降低道路新建或養(yǎng)護(hù)的成本費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)道路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。研究發(fā)現(xiàn)，由于生物質(zhì)原料不同，制取的生物瀝青性能也有所差異，但主要都集中于以下兩方面：（1）生物瀝青與基質(zhì)瀝青按一定比例混摻（以下稱“調(diào)和瀝青”），生物瀝青能夠改善基質(zhì)瀝青的低溫性能和水穩(wěn)定性;（2）生物瀝青在高溫時(shí)易發(fā)生老化，且高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差。由于生物瀝青自身高溫性能差和易老化等缺點(diǎn)，還無法滿足道路路面的路用性能要求，制約了生物瀝青在道路建設(shè)中的實(shí)際應(yīng)用，亟須采取一定措施和方法改善和提高生物瀝青的使用性能短板[4-6]。目前通常采用一種或多種聚合物改性劑對(duì)瀝青進(jìn)行改性或復(fù)配的方式改善瀝青性能，也有相關(guān)方面的研究表明SBS、SBR等一些聚合物改性劑能夠改善生物瀝青的使用性能[7]。根據(jù)課題組前期對(duì)0.5%、1.0%和1.5%等三種PPA摻量的改性生物瀝青常規(guī)性能和流變性能的研究發(fā)現(xiàn)，PPA摻量宜為1.0%。本文進(jìn)一步研究1.0%PPA摻量對(duì)于改性生物瀝青混合料路用性能的影響，以加快生物瀝青在道路瀝青路面的實(shí)踐應(yīng)用。

1 試驗(yàn)原材料和配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用埃索70 #A級(jí)道路石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)性能都滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)結(jié)果見下頁表1。生物瀝青采用實(shí)驗(yàn)室自制，其技術(shù)性能見下頁表2。

多聚磷酸（PPA）采用山東某化工公司生產(chǎn)產(chǎn)品，為工業(yè)級(jí)115%多聚磷酸，常溫下為無色透明狀粘稠液，密度為2.094 g/cm 3，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)占84%，沸點(diǎn)為550 ℃，其鐵、砷及重金屬含量均≤0.01%。試驗(yàn)用粗集料采用與瀝青粘附性好的玄武巖，分為10～15 mm和5～10 mm兩檔粗集料，細(xì)集料選用石灰?guī)r機(jī)制砂，填料則利用石灰?guī)r磨細(xì)后的礦粉。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試了礦料的物理力學(xué)性質(zhì)，均滿足規(guī)范要求。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

良好的級(jí)配可以增強(qiáng)混合料的強(qiáng)度和使用性能。試驗(yàn)采用AC-13型礦料級(jí)配進(jìn)行瀝青混合料路用性能試驗(yàn)，其合成級(jí)配見表3。

根據(jù)礦料級(jí)配，初步擬定普通基質(zhì)瀝青混合料的最佳油石比為4.8%，以0.3%的間隔左右各取兩組油石比，得到五組油石比，即4.2%、4.5%、4.8%、5.1%、5.4%，分別制備馬歇爾試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)得到毛體積密度、飽和度、流值和穩(wěn)定度等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，然后分別繪制各技術(shù)指標(biāo)性能與油石比的關(guān)系曲線，綜合各方面性能得到普通瀝青混合料的最佳油石比為4.7%。以同樣的試驗(yàn)方法可以得到調(diào)和瀝青（石油瀝青與基質(zhì)瀝青復(fù)摻比例為2∶8）最佳油石比為5.2%，PPA改性生物瀝青最佳油石比為5.4%。

2 混合料性能試驗(yàn)結(jié)果分析

將1.0%摻量的PPA改性劑加入至熔融的基質(zhì)瀝青中制備PPA改性瀝青，再與生物瀝青混溶制備得到PPA改性生物瀝青，其中生物瀝青與基質(zhì)瀝青的質(zhì)量比為2∶8;采用生物瀝青與基質(zhì)瀝青復(fù)摻（生物瀝青：基質(zhì)瀝青=2∶8）得到調(diào)和瀝青。分別采用馬歇爾試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同摻量PPA改性生物瀝青的高溫性能，利用低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)PPA改性生物瀝青的低溫性能，然后通過浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)PPA改性生物瀝青的抗水損害性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并以調(diào)和瀝青和基質(zhì)瀝青作為對(duì)照組。

2.1 高溫性能

（1）馬歇爾試驗(yàn)

通過對(duì)三種瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，得到了瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和流值。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表4可以看出，調(diào)和瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度是基質(zhì)瀝青的2.7倍，PPA改性生物瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度是調(diào)和瀝青的1.3倍，且三種瀝青混合料的流值從大到小依次為：基質(zhì)瀝青>調(diào)和瀝青>PPA改性生物瀝青。由此說明基質(zhì)瀝青中加入生物瀝青后的高溫性能大幅度增加，體現(xiàn)出了生物瀝青自身極好的高溫穩(wěn)定性，PPA有助于改善和提升生物瀝青的高溫抗車轍能力。這是由于PPA可以增加瀝青質(zhì)含量，并使瀝青質(zhì)均勻分散，故而提高了瀝青的高溫性能。

（2）車轍試驗(yàn)

單純依靠馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性具有一定的局限性，無法真實(shí)反映出瀝青路面的實(shí)際受力狀況，本文利用國(guó)內(nèi)常用的車轍試驗(yàn)補(bǔ)充評(píng)價(jià)PPA改性生物瀝青的高溫抗車轍性能。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5可以看出，三種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度從大到小分別為：PPA改性生物瀝青>調(diào)和瀝青>基質(zhì)瀝青，且PPA改性生物瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度是調(diào)和瀝青的2.5倍，調(diào)和瀝青混合料是基質(zhì)瀝青的1.7倍。說明生物瀝青顯著增強(qiáng)了基質(zhì)瀝青混合料的高溫性能，同時(shí)PPA改性劑也明顯提高了改性生物瀝青的抗車轍能力，這與前文研究馬歇爾試驗(yàn)的結(jié)論是一致的。

2.2 低溫性能

在冬季溫度較低時(shí)，外界空氣溫度突然下降時(shí)，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部與外界環(huán)境形成較大溫差，路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力因來不及松弛變形而易產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致溫縮開裂現(xiàn)象。為避免或降低這種裂縫的發(fā)生，瀝青混合料應(yīng)有很好的低溫抗開裂性能。為了評(píng)價(jià)PPA改性生物瀝青的低溫性能好壞，本文采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)PPA改性生物瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并以調(diào)和瀝青和基質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)環(huán)境溫度為-10 ℃，采用50 mm/min的速率進(jìn)行加載。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6可以得出，基質(zhì)瀝青中加入生物瀝青后得到的調(diào)和瀝青混合料試件的低溫破壞應(yīng)變減小了43.8%，勁度模量增加了10.1%;摻PPA改性劑的改性生物瀝青的破壞應(yīng)變較調(diào)和瀝青增加了61.7%，勁度模量減小了4.75。這說明生物瀝青會(huì)使基質(zhì)瀝青變得硬脆，降低了基質(zhì)瀝青的低溫性能，PPA改性劑會(huì)增加改性生物瀝青的容許應(yīng)變，明顯改善生物瀝青的低溫抗裂性。

2.3 水穩(wěn)定性能

在雨季時(shí)由于雨水滴落至瀝青路表面，在車輛荷載的反復(fù)碾壓作用下，水分逐漸通過裂縫或者空隙滲透到路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部，游離于瀝青與集料的界面間，經(jīng)過車輛荷載的反復(fù)作用，集料表面的瀝青薄膜逐漸脫落，降低了瀝青與集料間的粘附性，最終導(dǎo)致瀝青路面發(fā)生水損害而破壞。為了評(píng)價(jià)PPA改性生物瀝青的抗水損害性能，本文采用國(guó)內(nèi)推薦的浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)PPA改性生物瀝青的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）浸水馬歇爾試驗(yàn)

通過對(duì)三種瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，以殘留穩(wěn)定度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

從表7可以發(fā)現(xiàn)，三種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度從大到小分別為基質(zhì)瀝青>調(diào)和瀝青>PPA改性生物瀝青，且發(fā)現(xiàn)調(diào)和瀝青和PPA改性生物瀝青的殘留穩(wěn)定度不滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40）規(guī)范中關(guān)于殘留穩(wěn)定度≥80%的要求。說明生物瀝青會(huì)降低基質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，且PPA改性劑的加入并不能改善生物瀝青的抗水損害性能。

（2）凍融劈裂試驗(yàn)

通過對(duì)三種瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，以凍融劈裂強(qiáng)度比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

從表8可知，只有基質(zhì)瀝青能夠滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40）規(guī)范中關(guān)于凍融劈裂強(qiáng)度比≥70%的要求，調(diào)和瀝青和PPA改性生物瀝青均不滿足水穩(wěn)定性要求，這與浸水馬歇爾試驗(yàn)的結(jié)果相一致。

3 結(jié)語

通過對(duì)PPA改性生物瀝青進(jìn)行路用性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過馬歇爾試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)結(jié)果可知，生物瀝青可改善基質(zhì)瀝青混合料的高溫性能，同時(shí)PPA能夠提高生物瀝青的抗車轍變形能力。

（2）通過低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果可知，生物瀝青降低了基質(zhì)瀝青的低溫性能，而PPA可顯著提升生物瀝青的低溫抗裂性。

（3）通過浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可知，調(diào)和瀝青和PPA改性生物瀝青的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比不滿足規(guī)范要求，生物瀝青降低了石油瀝青混合料的水穩(wěn)定性，PPA不利于改善生物瀝青的抗水損害性能。[KG-1mm][XCW.TIF，JZ]

參考文獻(xiàn)：

[1]黃海龍.生物瀝青及其混合料路用性能研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2015.

[2]彭子茂.生物瀝青摻量對(duì)再生瀝青混合料路用性能影響試驗(yàn)研究[J].路基工程，2020（2）：69-73.

[3]劉衛(wèi)衛(wèi)，董祥云.生物瀝青混合料試驗(yàn)及應(yīng)用研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2019，15（6）：138-141.

[4]馬明洋. SBS改性生物瀝青及其混合料路用性能的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2019.

[5]曾夢(mèng)瀾，田 偉，朱艷貴，等.蓖麻油生物瀝青調(diào)和瀝青混合料使用性能研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，44（11）：177-182.

[6]周 晨. 多聚磷酸改性生物瀝青技術(shù)研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2017.

[7]周紹斌，伍衡山，劉魚行.多聚磷酸改性生物瀝青及混合料性能研究[J].當(dāng)代化工，2019，48（6）：1 205-1 208，1 212.