聚合磷酸改性沥青及其混合料性能研究

仝佳

(山西交通职业技术学院， 山西 太原 030031)

1 前言

中国道路建设经验表明，沥青路面的使用期限要远小于设计使用期限。其原因主要有两个方面：① 普通的沥青混合料其性能不能满足长期疲劳作用，以及各种外界因素的干扰，如雨水、地震等；② 现代社会的快速发展，其道路交通量日益繁重，通行的重载车辆逐渐增多，使得普通沥青路面达不到预计使用年限。鉴于此，为延长沥青路面的使用年限，中国国内采用一些聚合物改性沥青。

用于改性沥青的改性剂大多数为聚合物，种类各异的聚合物，其制备的改性沥青以及混合料性能也不一样。但现在聚合物的使用也存在一些不足之处，比如：聚合物价格本身比较贵，一般添加剂量为2.5%以上，改性效果才能比较明显；聚合物改性沥青，其沥青不与聚合物本身发生化学反应，只是物理混合，储存时间长久后，容易发生离析。与聚合物改性沥青不同，聚合磷酸能够促使沥青之间发生化学反应，能够增强改性沥青及其混合料的各方面性能。该文通过研究聚合磷酸对改性沥青及其混合料性能的作用效果，为聚合磷酸改性沥青及其混合料的使用推荐合理的参数。

2 试验方法与原材料

2.1 试验方法

添加剂原材料聚合磷酸中H3PO4含量为105%，采用浸水Marshall试验、老化试验和车辙试验，对比研究聚合磷酸在不同添加剂量作用下，对克拉玛依70#沥青、70#A级道路石油沥青和弘润70#沥青及混合料的各方面性能作用效果。在室温条件下，聚合磷酸是一种无色透明黏稠状液体，流动性能较差，因此在与沥青拌和之前，需要利用烘箱加热至55 ℃，然后再进行拌和。聚合磷酸的添加剂量为聚合磷酸的质量与沥青的质量之比。先将基质沥青加热到160 ℃，进行脱水，然后将加热好的聚合磷酸，按照试验预计比例加入其中，并搅拌均匀，搅拌时间为(25±1) min。将制备好的聚合磷酸改性沥青再与集料进行拌和。

试验油石比均采用4.4%，级配采用AC-20C。

2.2 原材料技术指标

(1) 聚合磷酸

聚合磷酸为无色透明黏稠状液体，P2O5含量为75.8%，密度为1.942 g/cm3，沸点为310 ℃。

(2) 沥青材料

克拉玛依70#沥青、70#A级道路石油沥青、弘润70#沥青检测结果分别见表1、2。

表1 克拉玛依70#沥青检测结果

表2 70#A级道路石油沥青、弘润70#沥青检测结果

(3) 集料与矿粉

集料与矿粉检测指标如表3～5所示。

(4) 矿料级配

矿料级配检测指标如表6所示。

表3 粗集料技术指标

表4 细集料技术指标

3 试验结果及分析

3.1 水稳定性试验结果与分析

为检测添加聚合磷酸材料的沥青混合料水稳定性能。采用浸水Marshall试验，研究不同添加剂量的聚合磷酸对克拉玛依70#沥青、70#A级道路石油沥青和弘润70#沥青混合料水稳定性能的影响。Marshall残留稳定度如图1所示。

表5 矿粉技术指标

表6 AC-20C级配组成 %

图1 残留稳定度与聚合磷酸添加剂量的关系

由图1可知:未添加聚合磷酸材料的沥青混合料，其试件的Marshall残留稳定度均满足≥85%的要求。克拉玛依70#沥青混合料、70#A级道路石油沥青混合料、弘润70#沥青混合料中聚合磷酸的最佳添加剂量分别为1.25%、1.00%、1.00%。3种不同的沥青混合料，在最佳聚合磷酸添加剂量条件下，其试件的水稳定性能依次为：克拉玛依70#改性沥青混合料>弘润70#改性沥青混合料>70#A级道路石油改性沥青混合料。3种沥青混合料Marshall残留稳定度的提高速率先升高后降低，这是因为聚合磷酸在沥青混合料的拌和过程中，促使沥青之间发生化学接枝反应和关联反应等，使沥青混合料形成整体网络结构，从而提高改性沥青混合料的Marshall残留稳定度。当聚合磷酸添加剂量达到一定值时，改性沥青的表面自由能下降，此时聚合磷酸改性效果就会下降，导致Marshall残留稳定度的提高速率大大降低。

3.2 抗老化性试验结果与分析

采用Marshall试验，以Marshall试件的劈裂强度比为检测指标，研究不同聚合磷酸添加剂量下，拌和改性沥青混合料老化前后，3种试验沥青混合料的性能。混合料拌和好以后，放入160 ℃的烘箱中45 min，进行老化。随后再进行试件成型，检测试件的各项指标。试件老化前后的劈裂强度比如图2所示。

图2 劈裂强度比与聚合磷酸添加剂量的关系

由图2可知：沥青混合料老化后，由于试件硬度增加，导致试件老化前后的劈裂强度比增大，其数值越大，说明其老化越严重。3种不同改性沥青混合料，其试件的劈裂强度比均随着聚合磷酸添加剂量的增加而逐渐减小，说明聚合磷酸能够有效提高试件的抗老化能力。并且降低速度越快，效能越好。克拉玛依70#沥青混合料、70#A级道路石油沥青混合料、弘润70#沥青混合料中聚合磷酸的最佳添加剂量分别为1.25%、1.00%、1.25%。3种沥青混合料老化前后的劈裂强度比的降低速率先升高后降低。

3.3 高温稳定性试验结果与分析

采用车辙试验，以试件动稳定度为检测指标，研究不同聚合磷酸添加剂量下，3种混合料试件的性能。按照规范要求进行车辙试验，其动稳定度如图3所示。

图3 动稳定度与聚合磷酸添加剂量的关系

由图3可知：3种混合料试件的动稳定度随聚合磷酸掺量的增加而逐渐增大，说明聚合磷酸能够有效提高试件的高温性能。克拉玛依70#沥青混合料、70#A级道路石油沥青混合料、弘润70#沥青混合料中聚合磷酸的最佳添加剂量分别为1.25%、1.25%、1.00%。3种不同的沥青混合料，聚合磷酸在最佳添加剂量条件下，其试件的高温性能最优的是弘润70#改性沥青混合料，动稳定度性能类似于试件的Marshall残留稳定度。

4 结论

(1) 聚合磷酸能够有效提高沥青混合料的水稳定性、抗老化性能和高温性能。

(2) 添加聚合磷酸的克拉玛依70#沥青混合料，在添加剂量为1.25%时，试件的残留稳定度、劈裂强度比和动稳定度均达到最优性能。

(3) 添加聚合磷酸的弘润70#沥青混合料，在掺量为1.00%时，试件的残留稳定度增长率和动稳定度增长率达到最大值；在掺量为1.25%时，试件的劈裂强度比降低率达到最大值。

(4) 在多雨地区，沥青路面建议采用克拉玛依70#沥青，且聚合磷酸的添加剂量为1.25%；在夏季高温或者交通量较大的路段，建议采用弘润70#沥青，且聚合磷酸掺量为1.00%。