利用再生塑料改良公路沥青混合料的性能研究

郭大川

摘要 文章旨在探讨多聚磷酸（PPA）对沥青混合料性能改善的效果，通过系列试验评定了PPA对沥青的黏弹性、高温稳定性、低温抗裂性以及抗水损伤能力的影响。结果表明，引入PPA能显著增强沥青混合料的马歇尔稳定性和高温下的抗变形性，同时提升了其在低温条件下的抗裂能力和对水损伤的抵抗力。这些发现为沥青混合料性能的优化提供了有价值的指导，展示了PPA作为改性剂在道路建设材料中的潜在应用价值。

关键词 多聚磷酸（PPA）；沥青混合料；黏弹性能；高温稳定性；低温抗裂性

中图分类号 U414文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0167-04

0 引言

随着我国经济的持续快速发展，道路交通建设面临着前所未有的挑战和机遇。道路材料的性能直接影响道路的质量和使用寿命，因此，提高道路材料的性能成为当前研究的重点。在这一背景下，探索高效、经济、环保的道路材料改良方法显得尤为重要。沥青作为一种广泛应用于道路建设的材料，其性能的优化一直是研究的热点。利用再生塑料如多聚磷酸（PPA）改良沥青混合料，不仅可以提升沥青的性能，还能实现资源的再利用，具有重要的环保意义和经济价值。

1 多聚磷酸（PPA）改性沥青的性能试验

该试验采用了先进的试验技术和设备，结合精细化的试验设计，主要目的是探究多聚磷酸（PPA）添加到沥青中对其性能的影响，特别是在不同环境和负载条件下。试验采用了严格的控制和测试方法，以确保结果的准确性和可靠性。

1.1 材料选择与预处理

该试验采用了基础沥青和多聚磷酸（PPA）作为主要材料，每种材料的基本性能如表1所示：

从表1的检测结果可以看出，基础沥青具有较低的比重、适中的渗透度和软化点，表明其在常温下具有良好的流动性和适当的热稳定性。与此相比，多聚磷酸（PPA）的比重较高，渗透度为0，表明其几乎不可渗透。同时，PPA的软化点明显高于基础沥青，且具有极高的黏度，这表明PPA在沥青中的添加可能极大地影响沥青的温度敏感性和流变特性[1]。

1.2 PPA与沥青的混合比例

该试验探究了不同比例的多聚磷酸（PPA）与基础沥青混合对沥青性能的影响，这些不同比例的混合物性能如表2所示：

从表2的检测结果可以看出，随着PPA掺量比例的增加，沥青混合物的渗透度逐渐降低，软化点和黏度则逐渐升高。这表明PPA的加入对沥青的黏弹性质产生了显著影响，特别是在提高沥青的高温稳定性方面。

1.3 黏度和软化点测试

该试验通过黏度和软化点的测试，评估多聚磷酸（PPA）对沥青流动特性和热稳定性的影响，相关数据如表3所示：

从表3的检测结果可以看出，随着PPA含量的增加，沥青的黏度逐渐升高，软化点也相应提高。这表明PPA的加入能有效提高沥青的热稳定性，尤其是在高温环境下。高黏度和高软化点的沥青表明其在高温条件下具有更好的抗流变和抗变形能力，从而可以提高道路的耐久性和性能。

1.4 高温与低温性能评估

该试验使用了动态剪切流变仪（DSR）和弯曲梁流变仪（BBR）等专业设备，以评估改性沥青在高温和低温条件下的性能表现，相关测试数据如表4所示：

从表4的检测结果可以看出，随着PPA含量的增加，改性沥青在高温条件下的弹性恢复率逐渐提高，同时在低温条件下的疲劳抗裂性能也有所增强。这表明PPA的添加能有效提升沥青的温度适应性，增强其在极端气候条件下的性能表现，进而提高道路的使用寿命和安全性[2]。

1.5 水稳定性测试

该试验进行了水稳定性测试，以评估多聚磷酸（PPA）改性沥青对抗水损伤能力的提升效果，相关测试数据如表5所示：

从表5的检测结果可以看出，随着PPA含量从0%逐渐增加到7%，拉伸强度比则从80%增加到90%，水浸透性从75%增加到89%。这反映出PPA的添加显著增强了改性沥青的抗水损伤能力，使其在潮湿环境下具有更高的稳定性和耐久性[3]。

2 多聚磷酸（PPA）对沥青黏弹性能影响研究

2.1 试验方法

多聚磷酸（PPA）对沥青黏弹性能影响研究的试验方法，详细阐述了该文研究的试验步骤和所采用的材料，旨在探究PPA对沥青黏弹性能的影响。试验选用了特定品质的基础沥青，其初始渗透度为80（0.1 mm）、软化点为50 ℃和黏度为1 200 cSt。同时，选用了高纯度的多聚磷酸（PPA），以确保试验结果的一致性和可靠性。试验中，PPA与基础沥青按不同重量比例混合，分别为0%、1%、3%、5%和7%。每种混合比例的样品均制备了三份，以保证试验结果的重复性。样品制备过程中，沥青在160 ℃下预热1 h，以达到充分流动状态。随后，加入相应比例的PPA，持续搅拌30 min，以确保PPA与沥青的充分混合。试验采用动态剪切流变仪（DSR）对改性沥青的黏弹性能进行测试。测试温度范围设置为30～70 ℃，以涵盖沥青在实际应用中可能遇到的各种温度条件。加载频率设定为1.59 Hz，模拟车辆行驶时的动态载荷。每个样品在每一温度下进行三次测试，以确保数据的准确性和可靠性。

在黏度测试中，不同PPA含量的改性沥青样品在60 ℃时的黏度分别为1 200 cSt、1 300 cSt、1 500 cSt、1 700 cSt和1 900 cSt，表明随着PPA含量的增加，沥青的黏度逐渐增大。在软化点测试中，相应的软化点为50 ℃、52 ℃、55 ℃、58 ℃和61 ℃，显示了PPA对提高沥青高温稳定性的有效性。此外，采用时间扫描模式，记录了不同温度和PPA含量下沥青的复数模量（G*）和相位角（δ）。G*反映了沥青的总刚度，而相位角δ是评价沥青弹性和黏性之间关系的重要指标。测试结果显示，随着PPA含量的增加，沥青的G*值在高温下显著增加，表明其抗变形能力增强。同时，δ值在低温下的降低表明沥青的弹性增强，有助于提高其低温下的抗裂性能[4]。

2.2 试验结果分析

2.2.1 高温下黏弹性能对比分析

在保证试验条件一致性的情况下，该文对比分析了不同PPA含量的改性沥青在高温条件下的黏弹性能，重点关注的参数包括60 ℃时的复数模量（G*）和相位角（δ），具体结果如表6所示：

从表6可以看出，随着PPA含量的增加，改性沥青在60 ℃时的复数模量G*显著提高。例如，当PPA含量为0%时，G*值为1 000 kPa，而在PPA含量提高至7%时，G*值增至1 800 kPa，这表明沥青的刚度随着PPA含量的增加而增加，增强了其在高温下的抵抗变形能力。同时，相位角δ逐渐降低，从未改性沥青的75 °降至7%PPA含量改性沥青的65 °，表明PPA含量增加了沥青的弹性特性，减少了其在高温下的流变变形风险[5]。

2.2.2 低温下黏弹性能对比分析

在保证试验条件一致性的前提下，对PPA含量对沥青低温黏弹性能的影响进行了详细分析，具体结果如表7所示：

从表7可以看出，随着PPA含量的增加，改性沥青的断裂温度降低，同时延伸率提高，这表明PPA的加入改善了沥青的低温性能，降低了其在低温条件下出现裂纹的风险。具体来说，当PPA含量从0%增加到7%时，断裂温度从?20 ℃降至?28 ℃，延伸率从5%增至9%，显示出改性沥青在低温条件下的柔韧性和抗裂性得到显著提升。

2.2.3 动态剪切应变分析

通过动态剪切流变仪（DSR）的详细分析，该文评估了多聚磷酸（PPA）添加对沥青剪切模量（G'）和损耗模量（G'）的影响。试验结果表明，随着PPA含量从0%增加到7%，60 ℃时沥青的剪切模量G'从1 000 kPa显著增加到1 800 kPa，表明沥青的刚度增强，能更有效承受交通载荷。虽然损耗模量G''也有所增加，但其增幅较小，显示沥青在高温下仍保持适度黏性。在应变扫描测试中，改性沥青表现出更强的耐久性和抗疲劳性能，特别是在较大应变条件下[6]。

3 不同含量PPA的沥青路用性能研究

3.1 试验配合比设计

为研究不同含量PPA对沥青路用性能的影响，该文设置了一系列详细的配合比设计试验。这些配合比的设计是基于标准道路材料的要求，并考虑PPA添加量对沥青混合料性能可能产生的影响。具体的配合比设计如表8所示：

从表8可以看出，随着PPA含量从0%逐渐增加到7%，而基础沥青的比例从2.0%增加到4.0%，可以看出增加PPA含量有助于提高混合料的黏性和弹性，从而提升了道路表面的性能和持久性。骨料的比例从94.0%减少到92.0%。这是因为随着PPA含量的增加，基础沥青的作用得到强化，因此需要减少骨料的量，以保持混合料的均匀性和稳定性[7]。

3.2 试验准备

该试验的准备阶段通过精确的材料计量和混合工艺，确保了试验的准确性和可重复性。各种材料的比例和质量按照以下公式计算得出：

骨料质量计算公式为：

沥青质量计算公式为：

以一种改性沥青混合料样品为例，假设总质量为1 000 g，PPA含量为3，骨料比例为93%，填料比例为4%，基础沥青比例为3%[8]。根据这些比例和式（1）、式（2），计算出的各种材料质量如下：

在混合过程中，首先将基础沥青和PPA在160 ℃下预热并混合均匀，以确保PPA完全溶解于沥青中。随后，将预热的沥青和PPA混合物加入预先加热至适宜温度的骨料和填料中，确保混合物的均匀性。

3.3 试验过程

该试验通过一系列标准化的测试，对不同PPA含量的改性沥青混合料进行了全面评估。首先，进行了马歇尔稳定性测试，沥青混合料在75 t的负荷下进行了60 s的稳定性测试，记录了最大负荷承受能力。其次，通过流变性能测试，在60 ℃的温度下对沥青进行了动态剪切流变测试，以评估其高温下的流变特性。在高温车辙测试中，沥青混合料在60 ℃条件下进行了10 000次重复加载，模拟实际道路条件下的车辙形成过程。最后，在?20 ℃下进行低温裂缝抵抗测试，通过弯曲梁流变仪测定了沥青混合料的断裂强度和延伸率[9]。

3.4 试验结果

试验数据显示了PPA改性沥青混合料在各项性能测试中的表现。通过对试验数据的综合分析，按照特定的计算公式和方法得出了具体结果，如表9所示[10]。

从表9可以清晰地看到，随着PPA含量的增加，沥青混合料在马歇尔稳定性测试中的表现呈现出逐渐增强的趋势；具体来说，当PPA含量从0%增加到7%时，马歇尔稳定性从12 kN增加到16 kN，这一数据变化明确地表明了PPA对提高沥青混合料稳定性的积极作用。进一步分析其他测试结果，还可以观察到流值的变化；随着PPA含量的增加，流值也在逐渐增大，从3.5 mm增加到3.9 mm，这表明PPA的加入有助于改善沥青混合料的流动性，使其在施工过程中更容易混合和摊铺。此外，10 000次循环后车辙深度的数据也呈现出逐渐减小的趋势；从最初的10 mm减少到6 mm，这表明PPA能够提高沥青混合料的耐久性和抗车辙性能。在?20 ℃的低温条件下，断裂强度的增加也验证了PPA对提高沥青混合料低温稳定性的积极效果；从2.5 MPa增加到3.5 MPa，这一显著增长证明了PPA在改善沥青混合料低温性能方面的有效性。

4 结论

该文通过对多聚磷酸（PPA）改性沥青混合料的广泛测试和分析，明确展示了PPA在提升沥青性能方面的显著作用。试验结果显示，PPA的加入显著增强了沥青混合料的马歇尔稳定性，从12 kN提升至16 kN，并提高了高温车辙测试中的抗变形能力，车辙深度从10 mm降至6 mm。同时，PPA改性沥青在低温断裂强度测试中也表现出更高的抗裂能力，从2.5 MPa提升至3.5 MPa。

参考文献

[1]刘嘉伟， 赵宇成. 高性能乳化沥青冷再生混合料性能研究[J]. 公路， 2024（1）： 343-350.

[2]佚名. 荷兰用可再生塑料建智能自行车道[J]. 中国自行车， 2018（11）： 15.

[3]潘兆南. 再生沥青路面材料作为骨料替代柔性路面的试验研究[J]. 建筑机械， 2023（9）： 151-154.

[4]王声毅， 杨锡武， 陈畅朗， 等. 再生塑料改性SMA级配沥青混合料的性能研究[J]. 公路， 2016（9）： 253-256.

[5]佚名. 可再生塑料沥青铺设公路推动环保前进[J]. 塑料制造， 2013（3）： 50.

[6]马嘉琛. 废胶粉-再生塑料复合改性高黏沥青制备及性能研究[D]. 西安：长安大学， 2021.

[7]张坚中. 用再生塑料换沥青铺路好处多[C]//专家天地（2016年第二期 总第二十四期）. 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，2016： 1.

[8]佚名. 温哥华铺设可再生塑料沥青公路[J]. 大众科学， 2013（12）： 8.

[9]冯梅. 生活废旧塑料改性沥青性能及机理研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2011.

[10]张广彬. 再生塑料改性沥青防水卷材性能测试[J]. 石油沥青， 2005（3）： 36-37.