多聚磷酸与TPS复合改性沥青及排水性沥青混合料耐久性试验研究

杨青莹， 韩　娟

(1.郑州升达经贸管理学院， 河南 郑州　451191；　2.郑州科技学院， 河南 郑州　450064)



多聚磷酸与TPS复合改性沥青及排水性沥青混合料耐久性试验研究

杨青莹1， 韩娟2

(1.郑州升达经贸管理学院， 河南 郑州451191；2.郑州科技学院， 河南 郑州450064)

[摘要]排水性沥青混合料空隙率大，易于产生热老化和紫外线老化现象，为了提高排水性沥青混合料的耐久性，提出采用多聚磷酸与TPS复配方案，研究了TPS和PPA掺量对高粘改性沥青和排水性沥青混合料性能的影响，并与14%TPS改性沥青混合料进行了对比。试验结果表明，掺加PPA可显著改善TPS改性沥青混合料的高温稳定性和抗疲劳耐久性，采用PPA对TPS改性剂复配方案可显著改善排水性沥青混合料的抗热老化和紫外线老化性能，同时降低TPS掺量。采用TPS与PPA复配方案替代高剂量TPS改性沥青在技术上可行，推荐了最佳的TPS与PPA复配方案为12%TPS+1%PPA。

[关键词]道路工程； 多聚磷酸改性沥青； 排水性沥青混合料； 抗老化性能； 耐久性

0前言

排水性沥青路面达到了现有沥青路面技术中的“顶端路用性能”，其良好的排水性能可以快速排除路面上的雨水，有效降低道路表面积水引起的雨雾、溅水及眩光，提高雨天行车安全性；较大的空隙率可以显著降低路面噪声，减少对周边环境的噪声污染。国内外对排水性沥青混合料进行了大量的研究，目前取得的研究成果主要集中在排水性沥青混合料配合比设计方法，以及通过掺加纤维等外掺剂改善排水性沥青混合料的抗疲劳耐久性[1-4]。大量工程实践表明，要想实现排水沥青路面在结构、水、声和热等方面的耐久性，核心是采用高粘改性沥青。目前国内多使用日本TPS高粘度沥青生产排水性沥青混合料，虽取得了良好的使用效果，但也存在不少问题，首先是成本问题，TPS国内价格在50 000元/t以上，是普通SBS改性剂的2.5倍多，TPS掺量要达到15%左右，使用TPS修建排水性沥青路面，造价要比普通路面高45%以上[5-7]；其次是耐久性问题，由于排水性沥青路面18%～25%高空隙率，老化进程可能会加快，TPS主要成分是热塑性橡胶，对沥青的抗热和光老化性能并没有明显的改善作用，这很大程度上制约了排水性沥青路面的推广[8，9]。目前鲜见高粘改性沥青的开发应用方面报道，本文将多聚磷酸与TPS进行复配，利用多聚磷酸对沥青混合料高温性能和抗老化性能的改善优势，以实现降低TPS掺量和提高排水性沥青混合料抗老化性能的目的。

1TPS与多聚磷酸复合改性沥青性能研究

1.1试验材料

沥青采用SK90号A级道路石油沥青，经检测沥青各项指标均满足规范要求。大量研究和工程实践表明[1，2，6，7]，经多聚磷酸改性后沥青的布式粘度增加，高温性能有着较为明显的提高，同时温度敏感性降低，但PPA对沥青混合料的低温抗裂性能改善效果不佳甚至有负面影响，基于此目前多采用多聚磷酸与聚合物复配改性沥青方案。试验采用浓度为110%的工业用多聚磷酸，其主要技术指标见表1。采用日本产TPS(全称TAFPACK-Super)添加剂，外观为淡黄色颗粒(粒径2～3 mm)，密度0.989 g/cm3，其主要成分是热塑性橡胶，再配以相容剂和稳定剂等其他成分，TPS改性沥青最大的特点是60 ℃绝对粘度≥20 000 Pa·s，常用的掺量为13%～15%，本文对照组TPS掺量为14%(沥青质量的百分比)。掺加纤维可增加沥青膜厚，提高沥青混合料的耐久性，采用木质素纤维，掺量为0.3%(集料质量百分比)。

表1 多聚磷酸改性剂物理指标检测结果Table1 PolyphosphoricacidmodifierphysicalindicatorsP205浓度/%25℃密度/(g·m-3)沸点/℃表面张力/(N·cm-1)比热容/(J·g-1·℃-1)25℃蒸汽压/Pa79.51.91245513.11.4962.67

1.2复合改性沥青制备及性能检测

TPS改性沥青的制备工艺流程一般需要混合溶胀、剪切磨细和发育3个阶段。先将基质沥青到加热到170～175 ℃，然后加入预定质量TPS改性剂，为避免一次性加入改性剂过多导致沥青温度下降过低，提高加热装置的试验温度，同时边加入TPS边快速搅拌，使加入的TPS能在短时间内与基质沥青混合均匀，并快速加热到所需的试验温度，待TPS颗粒全部加入后快速搅拌使其充分溶解，然后加入PPA，以4 800 r/min剪切速率剪切45 min，然后在175 ℃条件下发育2 h使PPA能与TPS改性沥青充分反应。高黏改性沥青最显著的特点是60 ℃黏度≥20 000 Pa，研究表明，影响排水性沥青混合料路用性能的关键指标是沥青的60 ℃黏度，因此本文采用60 ℃黏度为主要评价指标，同时对其进行软化点、延度(5 ℃)和弹性恢复率(25 ℃)、黏韧性试验，结果见图1。

由图1可知： ①相同TPS掺量情况下，随着PPA掺量增大复合改性沥青针入度减小，软化点增大，粘韧性增强，弹性恢复率增大，可见增大PPA掺量可提高复合改性沥青的高温性能，同时有效提高改性沥青胶结料中弹性成分所占的比例，这对提升改性沥青的自愈性能具有一定的积极意义，此外，随着PPA掺量增大，复合改性沥青延度显著减小，可见PPA对复合改性沥青低温性能有不利影响，掺量越大对低温性能影响越显著。 ②相同PPA掺量情况下，随着TPS掺量的增大复合改性沥青针入度减小，软化点增大，弹性恢复率增大，延度增大，TPS掺量对复合改性沥青技术性能指标有显著影响。 ③以14%TPS改性沥青为对照组，通过减小TPS掺量同时增大PPA掺量，复配方案下的复合改性沥青性能可达到14%TPS改性沥青基本性能指标要求，可见增大PPA掺量，复合改性方案可降低TPS掺量，节省工程造价。 ④参考国内外已有研究成果，用于排水性沥青混合料的改性沥青材料一般要求[3]：针入度≥40(0.1 mm)，软化点≥80 ℃，5 ℃延度≥50 cm，60 ℃黏度≥20 000 Pa·s，25 ℃弹性恢复率≥75%，黏韧性≥15 N·m。将图1试验结果与TPS改性沥青技术要求对比可优选出五种不同复配方案：复配方案I(9%TPS+1.5%PPA)、复配方案II(10%TPS+1.5%PPA)、复配方案III(11%TPS+1.25%PPA)、复配方案IV(12%TPS+1%PPA)，复配方案V(14%TPS+0%PPA)，5种改性方案沥青指标试验结果见表2。

图1　不同TPS与PPA掺量改性剂掺量复合改性沥青性能拟合结果Figure1　Composite modified asphalt performance fitting results with different TPS and PPA modifier content

续图1　不同TPS与PPA掺量改性剂掺量复合改性沥青性能拟合结果

表2 5种不同复配方案沥青指标试验结果Table2 Fivedifferentcompositemodifiedmethodasphaltindextestresults复配方案针入度/(0.1mm)软化点/℃5℃延度/cm60℃黏度/(Pa·s)黏韧性/(N·m)I7682.342.72065716.5II7985.147.32134717.4III7385.453.52287119.4IV6986.256.62387921.3V7585.258.32306420.5技术要求≥40≥80≥40≥20000≥15

2混合料配合比设计

按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40 —2004)推荐的OGFC沥青混合料的工程级配范围，并参考国内京港澳高速公路选用的OGFC-13试验级配，为了增大OGFC混合料沥青膜厚，提高耐久性，增大了矿粉的掺加比例，试验级配组成见表3。

表3 OGFC-13混合料合成级配Table3 OGFC-13synthesismixturegradation筛孔尺寸/mm规范上限/%规范下限/%合成级配16100100100.013.210090959.5806065.74.75301220.02.36221013.31.1818610.00.61548.70.31236.80.15836.00.075625.0

按照JTG E20-2011附录D试验流程确定排水性沥青混合料的最佳油石比，经析漏、肯特堡试验以及马歇尔试验验证，不同复配方案排水性沥青混合料配合比设计结果见表4。

表4 不同复配方案排水性沥青混合料马歇尔试验结果Table4 Fivedifferentcompositemodifiedmethodsdrain-ageasphaltmixturemarshalltestresults复配方案OAC/%VMA/%VFA/%VV/%MS/kNFL/mmI5.8315.6280.52.8238.53.84II5.7515.2381.63.0641.73.15III5.9215.1182.33.1244.53.79IV5.9015.0683.53.1346.73.46V5.9215.6284.73.2642.93.94

3TPS与PPA复合改性沥青混合料高温稳定性

排水性沥青混合料多用于南方湿热地区，高温、多雨及重载的耦合作用对排水性沥青混合料的高温稳定性提出了更高要求。高温稳定性其定义为在高温和车轮荷载作用下，沥青混合料抵抗高温变形的能力，是指沥青混合料在高温荷载作用下抵抗永久变形的能力。通常采用车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性，为了模拟排水性实际的受力环境，本文采用浸水车辙试验评价排水性沥青混合料的高温稳定性，浸水车辙试验试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，试验的水浴温度为60 ℃，轮压为0.7±0.05 MPa，试验轮行走速度为42±1次/min，试验轮加载过程中试件处于浸水状态，试验结果见表5。

表5 TPS与PPA复合改性沥青混合料浸水车辙试验结果Table5TPSandPPAcompositemodifiedasphaltmixtureimmersionruttingtestresults复合改性方案d45min/mmd60min/mmDS/(次·mm-1)123平均值123平均值123平均值I1.8211.9382.3582.0391.8922.0332.5342.1204684423145804450II2.0602.0571.7331.9502.1262.1341.9942.1184795455949134757III1.9782.1872.1572.1072.1332.3262.2982.1525065553254685357IV2.1461.6811.6761.8342.2841.7991.7921.8786565633964316110V1.8042.1971.9621.9871.9442.1382.0922.0235631543858465634

以浸水车辙试验动稳定度评价排水性沥青混合料的高温稳定性，表5试验结果表明：

① 复配方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4种沥青混合料的车辙试验动稳定度由大到小依次是：方案ⅣⅢ>方案Ⅱ>方案Ⅰ，其中方案Ⅳ的浸水车辙试验动稳定度达到了6 110次/mm，大于14%TPS改性沥青混合料，12% TPS+1.25%PPA复配方案下排水性沥青混合料的浸水车辙试验动稳定度可达到甚至超了14%TPS改性沥青，可见TPS与PPA复合改性沥青混合料具有优良的高温稳定性，TPS与PPA复配方案可降低TPS掺量节省工程造价。

② 比较方案I和方案II，相同TPS掺量情况下，随着PPA掺量增大复合改性沥青混合料的60 min车辙变形量减小，浸水车辙试验动稳定度增大，方差分析结果表明PPA对排水性沥青混合料高温稳定性有显著的改善作用。分析其原因，PPA对复合改性沥青的改善属于化学改性作用，这不仅是一个共镶共混的过程，也是沥青自身性质的一个完善，在PPA的作用下，烷基化苯酚发生了脱烷基反应，生成了分子量较低的物质，与之对应的是酮类物质发生了缩聚合反应[7]，生成了分子量较高的新产物沥青变硬，改变了TPS改性沥青的组成结构，使得沥青中的重组分含量增加，沥青的胶体结构由原来的溶胶型转化为溶胶-凝胶型，沥青中的胶团量增加[9]，此外，多聚磷酸与沥青中轻质组分发生反应后可以吸附更多的胶质和分散相，使得胶团之间的作用力增强，沥青黏度增加，沥青混合料抵抗剪切变形的能力提高，高温稳定性得以改善。

③ 比较方案III和方案IV，相同PPA掺量情况下，排水性沥青混合料车辙试验动稳定度随TPS掺量的增大而增大，这与TPS属于热塑性弹性体，掺量较小时未形成有效的网状交联结构有关。

4多聚磷酸与TPS复合改性排水性沥青混合料老化前后低温抗裂性能

沥青材料在紫外老化和热老化的作用下逐渐变脆，冬季低温劲度大大增大，破坏应变减小，极易诱发路面开裂，现行沥青路面施工技术规范并没有对沥青混合料抗老化性能提出具体要求。

排水性沥青混合料空隙率大，连通空隙比例高，沥青材料在紫外老化和热老化的作用下逐渐变脆，冬季低温劲度大大增大，破坏应变减小，极易诱发路面开裂，研究表明，在环境作用下沥青易产生静态硬化和氧化硬化，使沥青的流变特性发生改变，而严重影响沥青路面的抗低温开裂性能和抗疲劳耐久性，如何合理评价沥青混合料的抗老化性能，对确保路面使用寿命具有至关重要的作用。参考SHRP 提出的沥青混合料老化试验方法，将松散混合料在135 ℃、4 h强制通风条件下烘箱加热来模拟短期老化，成型的试件在85 ℃、5 d强制通风条件下的延时烘箱加热来模拟沥青混合料模拟长期，本文变化不同PPA掺量研究老化前后PPA掺量对排水性沥青混合料低温抗裂性性能的影响。

采用低温弯曲试验评价PPA与TPS复合改性沥青混合料老化前后的低温抗裂性，试验时按照上述试验方法对拌合均匀的复合改性沥青混合料分别进行短期老化和长期老化处理，按照JTG E20—2011中的要求成型车辙板，小梁试件尺寸为30 mm×35 mm×250 mm，试验前将试件放在恒温环境箱中在-10 ℃下保温6 h，试验时采用单点加载方式，支点间距200 mm，加载速率为50 mm/min，记录破坏荷载和破坏应变，以破坏应变指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果如表6及图2～图4所示。

表6 老化前后复合改性沥青混合料低温弯曲试验结果Table6 Compositemodifiedasphaltmixturelowtempera-turebendingtestresults评价指标老化程度PPA与TPS复合改性沥青方案IIIIIIIVV抗弯拉强度/MPa未老化7.447.657.938.137.83短期老化7.137.327.617.847.26长期老化6.146.356.636.835.43最大弯拉应变/uε未老化2916.343009.653476.433654.983413.74短期老化2718.212909.123176.233354.432913.75长期老化2416.122609.232976.133054.232113.62弯曲劲度模量/MPa未老化2551.442542.372281.972224.872293.64短期老化2623.052516.222395.922337.212560.27长期老化2541.392433.882227.822236.412568.89

图2　不同复配方案老化前低温弯曲试验结果Figure 2　Different composite modified method low temperature bending test results before aging

图3　不同复配方案短期老化后低温弯曲试验结果Figure 3　Different composite modified method low temperature bending test results after short aging

图4　不同复配方案短长期老化后低温弯曲试验结果Figure 4　Different composite modified method low temperature bending test results bending test results after long-term aging

老化前后低温弯曲试验结果表明： ①老化前，4种复合改性沥青混合料抗弯拉强度均远大于3 000 με，满足规范要求，可见TPS与多聚磷酸复合改性沥青混合料具有优良的低温抗裂性，弯拉强度和弯曲应变由大到小依次是方案Ⅳ>14%TPS>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，其中方案Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ弯拉应变相差不大，以此看，多聚磷酸对TPS改性沥青混合料的低温抗裂性没有负面影响，且随着多聚磷酸掺量的增大复合改性沥青混合料低温抗裂性略有提升，这与国外一些研究成果相吻合，分析其原因，多聚磷酸与TPS改性沥青发生化学反应生成了分子量较高的新产物沥青变硬，改变了TPS改性沥青的组成结构，使得沥青中的重组分含量增加，沥青的胶体结构由原来的溶胶型转化为溶胶-凝胶型，从而增大了沥青的黏度，在低温条件下，黏度的增大使得沥青的流动性变差，沥青的脆性增大； ②短期老化后，掺加PPA后复合改性沥青的抗弯拉强度减小了5%，而4%TPS改性沥青混合料的抗弯拉强度减小了10%，最大弯拉应变方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、14%TPS分别减小了14.2%、13.3%、16.1%、16.5%、38.1%，可见多聚磷酸具有优良的抗热老化性能，PPA对复合改性沥青老化后低温性能有改善作用，随着多聚磷酸掺量的增大，复合改性沥青混合料抗老化性能提高； ③相比14%TPS改性沥青混合料，经长期老化后，弯曲应变由大到小依次是方案Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>14%TPS，长期老化后TPS与多聚磷酸复合改性沥青混合料的抗老化性能将明显优于14%TPS改性沥青混合料，可见PPA的掺加可显著改善复合改性沥青混合料长期老化后的低温抗裂性。

5TPS与多聚磷酸复合改性排水性沥青混合料长期使用性能

采用室内小型加速加载试验设备MMLS3(1/3model mobile load simulator)研究不同种复合改性沥青混合料在高温、水及荷载耦合作用下的长期使用性能。研究表明，加速加载试验即能真实有效地模拟实际车辆的荷载作用，又能在短时间内得到路面实际经受长期车辆荷载作用的路用性能，是现场抗疲劳行为的可靠模拟手段[12]，其最大的优点就是能够模拟不同环境条件下实际车辆荷载对路面的疲劳损伤作用。加速加载试验采用标准轴载0.7 MPa，轮重为2.7 kN，加载速率采用6 400次/h(相当于实际车速8 km/h)，试验时按照上述试验方法对拌合均匀的复合改性沥青混合料分别进行短期老化和长期老化处理，试件由大马歇尔按照标准试模尺寸切割而成，厚度为5 cm，试验温度为50 ℃，试验过程中试件处于浸水状态。试验过程中分别记录在不同加载次数下试件中部横断面的车辙深度，进而分析沥青混合料试件在长期荷载作用下车辙的变化规律。试验结果见图5。

图5　不同复配方案加速加载试验结果Figure 5　Different composite modified method accelerated loading test results

加速加载试验结果表明： ①5种复合改性沥青混合料试件在浸水加速加载试验过程中车辙形成过程可以明显的分为3个阶段，即初始压密阶段、沥青混合料的侧向流动(蠕变稳定阶段)、矿质集料的重新排列以及矿质骨架的破坏(破坏阶段)。这与已有实测数据和国内外研究成果相吻合，可见加速加载试验可快速准确评价沥青混合料长期使用性能优劣。 ②以蠕变稳定阶段车辙变形率评价沥青混合料的抵抗流动变形能力，老化前Ⅳ>14%TPS>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，短期老化后Ⅳ>Ⅲ>14%TPS>Ⅱ>Ⅰ，长期老化后Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>14%TPS，老化前和老化后方案Ⅳ的蠕变速率均最小，表明其抵抗永久变形能力最强，这与浸水车辙试验结果相吻合。 ③以复合改性沥青混合料加载过程汇总蠕变稳定阶段和剪切破坏阶段过渡点处的加载次数作为疲劳寿命，Ⅳ、14%TPS、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ老化前的疲劳寿命依次是138万、 135万、 125万、 118万、 112万次，短期老化后的疲劳寿命为104万、 83万、 92万、 90万、 82万次，长期老化后疲劳寿命为93万、 64万、 82万、 78万、 70万次，可见经长期老化作用后14%TPS改性沥青混合料的抗疲劳耐久性最差，12%TPS+1%PPA 复配方案下老化前后的抗疲劳耐久性最好，PPA与TPS复合改性方案可显著改善排水性沥青混合料短期老化和长期老化后的抗疲劳耐久性。

6结论

① 针对排水性沥青混合料空隙率大，易产生热老化和紫外线老化的问题，提出采用TPS与多聚磷酸复配方案，以针入度≥40(0.1 mm)，软化点≥80 ℃，5 ℃延度≥50 cm，60 ℃黏度≥20 000 Pa·s，25 ℃弹性恢复率≥75%，黏韧性≥15 N·m技术指标要求优化出4种TPS与多聚磷酸复配方案：复配方案I(9%TPS+1.5%PPA)、复配方案II(10%TPS+1.5%PPA)、复配方案III(11%TPS+1.25%PPA)、复配方案IV(12%TPS+1%PPA)。

② TPS与多聚磷酸复合改性沥青混合料具有优良的高温稳定性，相同TPS掺量下复合改性沥青混合料的浸水车辙试验动稳定度随PPA掺量的增大而增大，多聚磷酸对TPS改性沥青混合料低温性能没有明显的改善作用。

③ 掺加PPA可显著改善TPS改性沥青混合料的抗热老化和抗紫外线老化性能，经长期老化后复合改性沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳耐久性明显高于14%TPS改性沥青混合料。

④ 浸水加速加载试验可快速、准确评价排水性沥青混合料的长期使用性能，综合考虑TPS和多聚磷酸掺量对复合改性沥青混合料低温抗裂性、抗老化性能和长期使用性能的影响，推荐最佳的复配方案为12%TPS +1.0%PPA。

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Study on Durability of Polyphosphate Acid and TPS Modified Asphalt and Porous Asphalt Mixture

YANG Qingying1， HAN Juan2

(1.Shengda Trade Economics & Management College of Zhengzhou， Zhengzhou， Henan 451191， China；2.Zhengzhou University of Science & Technology， Zhengzhou， Henan 450064， China)

[Abstract]The drainage asphalt mixture porosity，prone to heat aging and ultraviolet aging，in order to improve durability of drainage asphalt mixture，poly-phosphate and TPS composite modified methods were proposed.The effects of TPS and PPA content on viscosity modified asphalt and road performance of porous asphalt mixture were studied，and with 14% TPS modified asphalt were compared.The results showed that，adding PPA can significantly improve the high temperature stability and fatigue durability of TPS modified asphalt mixture，the use of PPA and TPS composite modified can significantly improve the heat aging and ultraviolet aging properties of drainage asphalt mixture，while reducing the TPS content.TPS and PPA using complex high-dose regimen with TPS modified asphalt is technically feasible，and recommend the best TPS and PPA composite modified solutions is 12% TPS+1% PPA.

[Key words]road engineering； poly-phosphate-modified asphalt； drainage asphalt mixture； anti-aging properties； durability

[收稿日期]2015-11-23

[作者简介]杨青莹(1981-)，女，甘肃宁县人，硕士，讲师，研究方向：路基路面工程。

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0165-07