多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青实验研究.pdf

造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 材料及应用材料及应用73摘要：鉴于当前交通量持续增大及行车荷载不断提升的现状，传统的道路路面材料已难以满足道路使用性能的需求，亟待进行改进与升级。改性沥青可以有效提升路面使用质量，防止沥青路面出现开裂、车辙等病害，但改性沥青选择的材料不同，最终的沥青性能会有一定的差异。为此，文章对多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青进行实验研究，通过动态剪切流变试验和沥青旋转黏度试验来了解这种多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青的性能。研究表明，采用 PPA 与 NRL 复配得到的改性沥青，其高温性能更优良，能有效延长道路路面的使用寿命。关键词：多聚磷酸；天然胶乳；改性沥青分类号：U414多聚磷酸（PPA）作为一种沥青改性剂，不仅应用成本低，加工工艺也简单，通过调整 PPA 的掺量，可以用来配置能达到现阶段路面抗车辙要求的改性沥青。国内为了解决 PPA 改性沥青的实际应用问题，通过不断的实验研究，在结合实际工程要求、合理设计复配方案的前提下，将 PPA 与天然胶乳（NRL）结合，配制出符合国内规范要求的复合改性沥青，并有效应用于现代道路建设中，提高了路面的承载力、耐久性。1 多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青概述PPA 是一种酸改性剂，价格低廉且改性效果较好。而 NRL 是天然橡胶中一种，与沥青混合时，不需过度加工，作为一种以天然橡胶粒子分散在介质中形成的胶体乳液，与沥青通过搅拌就能很好地融合，且加工时对于温度没有严格的要求。因此，PPA、NRL 都很适合作为复配材料来配制复合改性沥青，如此不仅能促进 NRL 的大量应用，还能提升道路工程建设的绿色环保性。多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青具有耐高温、抗低温的优势，耐候性能较好使其使用性能较为稳定，能够在各个地区加以使用，同时可以保障道路在使用期间的质量，进而减少维护，延长道路保养周期1。此外，这种改性沥青的抗疲劳和承载性能也得到了提升，能延缓老化速度，即使是大型重载货车频繁经过，道路路基结构、路面质量也不易出现开裂、凹陷等问题，可以延长道路的使用寿命。2 多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青实验研究2.1 实验材料对多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青进行实验研究前，首先需要以普通沥青为基础，通过掺入 NRL 和PPA 来配制 NRL 改性沥青和多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青。为此，文章选用了当前许多工程较为常用，市面常售的双龙 70#基质沥青，并将 PPA 和 NRL 确定为改性剂。2.2 实验方法按照改性沥青的有关技术规范规定，沥青在道路工程中使用时，在进行质量检测时，需要对其针入度、延度、软化点、运动黏度、闪点、离析软化点差、老化等进行常规检测，还需进行美国公路战略研究计划（SHRP）实验。文章对多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青的研究，主要是利用沥青动态剪切流变仪进行了动态剪切流变试验，将样品放入检查合格的动态剪切仪中，通过动态剪切仪施加一定的应力，使样品开始发生剪切变形，然后利用传感器进行温度扫描、时间扫描和频率扫描，实时收集数据，根据收集到的变形和应力等数据，计算沥青的相位角，掌握沥青的动态剪切模量，并结合这些数据变化规律来评价老化和未老化沥青在 58 88 的黏性（不可恢复）和弹性（可恢复）性质，进而分析使用该改性沥青后的道路抵抗车辙即路面永久变形和疲劳开裂性能2。利用沥青旋转黏度计来进行旋转黏度试验，通过多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青实验研究窦树祥，周兴美，张现瑞临沂市玉泉沥青有限公司，山东 临沂 276000文章编号：2096-3092（2024）02-0073-03作者简介：窦树祥，男，大专，研究方向为化学工程。材料及应用 材料及应用 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料74测定浸没在 135 及 175 时沥青试样中的纺锤形轴以一定速度旋转所需要的扭矩来确定沥青的高温黏度。此次实验旨在通过布式旋转黏度试验来分析多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青的高温和易性，为该材料在实际工程中的应用提供有价值的参考。2.3 实验样品制备以 70#基质沥青质量为基准，采用 5%NRL 改性沥青，并分别与掺量为 0.6%和 1.2%的 PPA 配制得到三种改性沥青。配制时，先将基质沥青加热至 160，使沥青变为液态，然后按照上述配比用量要求，称取定量的 5%的 NRL，然后边加温、边高速搅拌，搅拌 45 min 后得到 NRL 改性沥青。之后以 NRL 改性沥青为基质，分别加入基质沥青质量 0.6%和 1.2%的 PPA，在保持温度不变的情况下，提高转速到 2 500 r/min，持续匀速搅拌 30 min 后可得到符合此时实验要求的多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青，并且根据 PPA 的用量，把实验样品分别称为 0.6%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青、1.2%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青。最后分别对上述几种沥青实验样品进行动态剪切流变试验和旋转黏度试验，以了解复合改性沥青的流变性能。2.4 实验结果与分析2.4.1 温度扫描沥青相位角是指沥青在特定温度下，其分子结构中的有序排列与无序排列之间的角度，它能代表沥青材料性能和质量。通过实验了解相位角的大小，可以据此分析沥青的黏弹性行为，掌握沥青的黏度、韧性、耐久性等性能。相位角越小，沥青中的弹性成分比例越高。在动态剪切流变试验结束后，将试验结果整理后得到的不同温度下的相位角曲线图，如图 1 所示。由图分析可知，在 58 76，除基质沥青，NRL 改性沥青、0.6%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青、1.2%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青的相位角都会随温度升高而升高，并且温度上升到 82 后，NRL 改性沥青和0.6%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青的相位角都略有下降，基质沥青的下降幅度更加明显，但 1.2%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青的相位角仍然保持升高趋势。经此对比可得，提高多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青中的 PPA 的掺加比例，可以提高复合改性沥青中的弹性成分比例3。根据四种沥青在不同温度下的车辙因子可以得出，即便是对基质沥青进行了改造，沥青的车辙因子仍然会随温度升高而下降，但是加入了不同的改性剂后，不同温度下的车辙因子及其变化趋势却有很大的差异。1.2%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青在各种温度下的车辙因子都最高，其次为 0.6%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青、NRL 改性沥青、基质沥青。这四种沥青在64 时的车辙因子下降最为明显，64 以后下降趋势逐步放缓，到了 88，四种沥青的车辙因子已经非常接近。由此充分说明 PPA 的添加提高了 NRL 改性沥青的高温性能，且添加比例越高，多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青的高温性能越好。2.4.2 频率扫描频率扫描主要是根据车辆在道路通行时的速度不同，对沥青路面产生的作用不同的原理来进行试验和分析的，通过模拟车辆路面行车时的不同速度来了解相位角的变化及其规律。经频率扫描后得出了相应的数据，不同频率下的相位角曲线图如图 2 所示。由图可知，在频率较低时，基质沥青试验得到的相位角最大，意味着该沥青此时的黏性成分变多，在低温下更容易发生变形，而 0.6%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青、1.2%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青的相位角都较小，不易发生变形。频率越来越高时，各类沥青的相位角都在逐步减小，除基质沥青外，另外三种沥青的相位角下降趋势都较为明显。根据相位角随频率变化情况可知，在低频段时，利用外加剂对沥青进行改造可以提高其在重载低速交通载荷作用下的抵抗能力，而 NRL、PPA 都是较好的外加剂。2.4.3 时间扫描沥青混合料的剪切模量是一个重要的力学性能参0.6%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青基质沥青NRL 改性沥青1.2%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青5560657075808590606570温度/相位角/（）75808590图 1 不同温度下的相位角曲线图造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 材料及应用材料及应用75数，其大小反映沥青混合料的抗剪强度，决定了沥青混合料在受到剪切力作用时的变形能力，剪切模量越大，抗剪强度越高，抗变形能力越强。因此，剪切模量的值可以用于评估沥青混合料的力学性能和使用寿命，对设计和施工具有重要的指导意义。该试验中，主要是以复数剪切模量下降至初始模量 50%时所对应的加载次数来评估沥青的疲劳寿命。先要记录不同沥青的初始模量，然后进行加载，每加载一次都要记录相应的剪切模量，并与初始模量进行比较，进行归一化处理。经试验得出，NRL 改性沥青、0.6%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青、1.2%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青在早期加载次数较少时，归一化模量完全相同，当加载次数增加时，三种改性沥青的加载曲线变化开始出现差异。随着加载次数的持续增加，三种沥青的模量下降趋势越来越平缓，接近 20 000 次后，0.6%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青和 1.2%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青的归一化模量值非常接近。根据上述的沥青疲劳寿命的判断方法，基质沥青、NRL 改性沥青、0.6%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青和 1.2%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青的疲劳寿命分别为 4 769 次、8 448 次、14 213 次、15 478 次，由此验证了改性沥青的使用周期较普通沥青更长，且掺加更高比例 PPA的多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青的使用寿命将大幅延长4。2.4.4 旋转黏度改性沥青在使用时根据拌和、摊铺和碾压等施工工艺要求，需要保持适当的延展性，若沥青黏性过强，不利于后续施工和沥青效用的发挥。根据沥青施工技术规范规定，沥青泵送与拌和时的黏度不宜超过3 Pa s，因此，需要了解不同沥青在不同温度下的黏度，通过布式黏度计的测定结果来分析沥青的和易性。经试验得出，135 时，基质沥青的黏度最小，NRL 改性沥青稍大，0.6%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青更大，1.2%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青最大，四种沥青的黏度差异较大，并且随着温度的升高，它们之间的黏度大小关系也没有发生变化，而且都呈下降趋势，黏度与温度成反比。特别是 1.2%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青黏度下降最为明显，基质沥青的黏度下降趋势最为平缓。到 175 时，四种沥青的黏度已经非常接近，NRL 改性沥青与 0.6%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青的黏度甚至相同。由此说明，改性剂能有效提升基质沥青的黏度，加入 PPA 的 NRL 改性沥青的黏度得到提升，只要控制好 PPA 的添加量，能完全达成施工所需的沥青黏度标准，防止出现黏度过高的问题。据实验中得到的黏度与温度之间的关系，按照不超过 3 Pas 的标准计算得到的 NRL 改性沥青，在 135 时 PPA 适宜的掺量为 1.4%。3 结束语通过上述实验研究可以得出，将 NRL、PPA 作为沥青改性剂来制作新的复合改性沥青，可以降低改性沥青的相位角，提高车辙因子，得到的多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青具有优良的高温性能和弹性恢复能力，由此建造的道路可以承受较大的行车压力和行车荷载，能有效避免道路出现车辙等病害问题。此外，还能提升改性沥青的疲劳寿命，当 PPA 掺量不超过 1.4%时，改性沥青的黏度表现较好。因此，在道路工程建设中应用沥青材料时，不仅要选择合适的改性剂来改善沥青性能，还要合理控制改性材料的掺量，以确保符合现行施工规范要求，切实提升改性沥青的性能。参考文献1 张林艳,王磊,马永,等.天然橡胶改性沥青研究应用与展望J.应用化工,2022,51(2):582-586.2 赵雁斌,马永,袁广学,等.天然橡胶改性沥青性能研究及应用展望J.交通节能与环保,2021,17(4):88-90,96.3 王淋,郭乃胜,温彦凯,等.几种改性沥青疲劳破坏评价指标及性能研究J.土木工程学报,2020,53(1):118-128.4 雷俊安,郑南翔,许新权,等.温拌沥青高温流变性能研究J.建筑材料学报,2020,23(4):904-911.60-1.0-0.500.51.01.52.02.5657075808590相位角/（）频率/（rads-1）1.2%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青0.6%多聚磷酸复合天然胶乳改性沥青基质沥青NRL 改性沥青图 2 不同频率下的相位角曲线图