多聚磷酸改性瀝青

曹 曉 娟

多聚磷酸改性瀝青

曹 曉 娟

（西安外事學(xué)院， 陜西 西安 710077）

多聚磷酸是一種常用的瀝青化學(xué)改性劑，通過對(duì)多聚磷酸改性機(jī)理的研究，發(fā)現(xiàn)改性過程中會(huì)發(fā)生兩種化學(xué)反應(yīng)：中和反應(yīng)和酯化反應(yīng)。添加多聚磷酸會(huì)在減少聚合物用量的情況下達(dá)到與聚合物改性瀝青同樣的效果。除此之外，多聚磷酸還會(huì)提高瀝青混合料抗車轍、抗水損害的能力，并改善瀝青的高溫性能和溫度敏感性。

多聚磷酸；改性瀝青；改性機(jī)理；瀝青混合料性能

瀝青改性的方法主要包括物理共混改性（聚合物改性）和化學(xué)改性（酸改性）兩種。酸改性在美國已經(jīng)有近30年的應(yīng)用歷史。多聚磷酸（PPA）是一種無色透明粘稠狀液體[1]，因其與瀝青共混會(huì)形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，提高界面的相容性和改性效果，近年來受到諸多研究人員的關(guān)注。本文旨在介紹多聚磷酸改性瀝青的機(jī)理及多聚磷酸對(duì)瀝青及瀝青混合料性能的影響。

1 多聚磷酸的改性機(jī)理

1.1 對(duì)瀝青化學(xué)組分的影響

當(dāng)采用多聚磷酸改性瀝青時(shí)，多聚磷酸會(huì)與瀝青發(fā)生以中和反應(yīng)和酯化反應(yīng)為主的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致多聚磷酸酸度降低，還會(huì)在瀝青質(zhì)的極性介質(zhì)中生成不溶性化合物[1,2]。在以上兩種反應(yīng)過程中，多聚磷酸與瀝青分子中的活性位（羥基、亞胺基、硫基）發(fā)生反應(yīng)（圖1），使得最初層疊在一起的瀝青質(zhì)團(tuán)簇被打破。

瀝青質(zhì)含量是對(duì)瀝青黏附性產(chǎn)生直接影響的主要因素，添加多聚磷酸能使瀝青中瀝青質(zhì)含量增加，增加量為 35%～55%，并能夠降低瀝青質(zhì)的凝集程度，增強(qiáng)瀝青質(zhì)在瀝青軟組分中的分散度[3]。Orange采用凝膠滲透色譜法，分析研究了瀝青質(zhì)的膠體結(jié)構(gòu)和膠體間的相互作用。

圖2 表示添加2%的多聚磷酸后，瀝青質(zhì)的分散過程。研究表明，分散的瀝青質(zhì)之間可以形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)，從而使瀝青的復(fù)合模量提高，彈性行為得到改善。另外，瀝青質(zhì)的粒徑隨分散度的提高顯著減小，從而降低了瀝青的裂紋敏感性和臨界缺陷[3,4]。

1.2 對(duì)瀝青結(jié)構(gòu)的影響

Baumgardner采用原子力顯微鏡對(duì)多聚磷酸改性瀝青的相位圖像進(jìn)行分析研究，但觀察到的相位圖像僅反映了改性瀝青表面的結(jié)構(gòu)變化，不能反映其結(jié)構(gòu)的根本變化。

原子力顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)類似于電唱機(jī)或觸針的外輪廓。它由一個(gè)微小的懸臂桿組成，懸臂桿的末端裝有掃描用的針形觸頭。為了獲取圖像，懸臂桿的另一端與試樣表面無限接近，根據(jù)胡克定理，在桿端與試樣之間施加作用力，懸臂梁會(huì)產(chǎn)生變形。變形可以通過經(jīng)懸臂梁頂部再反射到二極管中的激光束測得。圖3給出了原子力顯微鏡的示意圖。

原子力顯微鏡的工作原理在于通過相位圖像分析瀝青質(zhì)團(tuán)簇和分子基團(tuán)的分布情況。通常，基質(zhì)瀝青的相位圖像單一、平坦，沒有任何凸起，而改性瀝青的相位圖像中分散相微微凸起，瀝青質(zhì)團(tuán)簇較高且具有良好的可見度。

2 多聚磷酸改性瀝青的性能研究

2.1 溫度敏感性

多聚磷酸作為一種瀝青的化學(xué)改性劑在國外得到了廣泛應(yīng)用，與其它改性劑相比，多聚磷酸對(duì)瀝青具有優(yōu)良的改性效果，如提高抗水損害和抗車轍能力、改善高溫性能、降低溫度敏感性等[4]。另外，Orange經(jīng)研究表明，將多聚磷酸與某些聚合物摻配，不僅能夠達(dá)到與單獨(dú)使用聚合物改性瀝青同樣的效果，又能用廉價(jià)的多聚磷酸改性劑代替部分昂貴的聚合物改性劑，降低改性瀝青的成本。

1997年，美國SHARP計(jì)劃中提出了高等級(jí)路面瀝青結(jié)合料的PG分級(jí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是根據(jù)交通荷載與氣候條件來確定瀝青結(jié)合料的性能等級(jí)。如PG 60-14的含義為，前面的數(shù)字60代表高溫級(jí)數(shù)，意思是結(jié)合料具有適應(yīng)至少 60 ℃的物理特性，才能適應(yīng)結(jié)合料所期望服務(wù)氣候的路面高溫；后面的數(shù)字14為低溫級(jí)，意思是結(jié)合料具有適應(yīng)路面溫度降至至少14 ℃的物理特性[4,5]。

多聚磷酸改性瀝青受溫度變化的敏感性較低。分別用1%和2%的多聚磷酸改性PG 58-24瀝青，瀝青結(jié)合料的PG分級(jí)提高了1～2級(jí)。Martin指出，每摻加 1%的多聚磷酸，瀝青結(jié)合料的高溫性能會(huì)提高9 ℃低溫性能大約提高1 ℃結(jié)果詳見表1。

Bishara 認(rèn)為當(dāng)在瀝青中添加胺類抗剝落劑后，多聚磷酸摻量會(huì)與瀝青結(jié)合料高溫性能呈現(xiàn)出一定的相關(guān)關(guān)系(表2)。

2.2 多聚磷酸復(fù)配聚合物改性瀝青

Orange認(rèn)為添加多聚磷酸會(huì)在減少聚合物用量的情況下達(dá)到與聚合物改性瀝青同樣的效果，即延度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量均得到提高。因此，生產(chǎn)實(shí)踐中可以通過添加聚合物改性劑來獲得某一 PG分級(jí)的瀝青結(jié)合料，也可以通過多聚磷酸代替部分聚合物改性劑來獲得等級(jí)相同的瀝青結(jié)和料。這樣既可以使瀝青混合料的生產(chǎn)工藝多樣化，又可以達(dá)到降低改性瀝青成本的目的。Martin 進(jìn)行了聚合物改性瀝青（摻加2%的SBS）和多聚磷酸復(fù)配聚合物改性瀝青（0.6%PPA+1.4%SBS）的漢堡車轍試驗(yàn)（圖），結(jié)果表明摻加多聚磷酸使車轍深度減少了75%，從而說明多聚磷酸能夠很好得提高瀝青混合料的抗車轍性能。

2.3 抗水損害能力

水損害指瀝青路面在水或凍融循環(huán)作用下，由于汽車車輪動(dòng)態(tài)荷載的作用，進(jìn)入路面空隙中的水不斷產(chǎn)生動(dòng)水壓力或真空負(fù)壓抽吸的反復(fù)循環(huán)作用，水分逐漸滲入到瀝青與集料的界面上，使瀝青粘附性降低并逐漸喪失粘結(jié)力[6]，瀝青膜從石料表面脫落，瀝青混合料出現(xiàn)掉粒、松散，繼而形成瀝青路面的坑槽、擠兌變形等的損壞現(xiàn)象。

Orange采用多聚磷酸摻量分別為 1%、1.5%、2.0%，抗剝落劑摻量為 2%的多聚磷酸改性瀝青及AC-13級(jí)配制作瀝青混合料，進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，分別研究了多聚磷酸對(duì)玄武巖、石灰?guī)r、花崗巖瀝青混合料抗水損害能力的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

通過研究表明，在經(jīng)過多聚磷酸改性后，瀝青混合料的抗水損害能力都得到了顯著提高。而且，多聚磷酸對(duì)瀝青混合料抗水損害能力的提高幅度因集料的不同存在差異，玄武巖瀝青混合料的抗水損害能力強(qiáng)于花崗巖瀝青混合料和石灰?guī)r瀝青混合料。

2.4 高溫性能

Baumgardner采用多聚磷酸摻量分別為 1%、1.5、2.0%的多聚磷酸改性瀝青及 AC-13級(jí)配制作瀝青混合料，進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.通過研究表明，摻加少量的多聚磷酸可以顯著提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，從而改善瀝青混合料的高溫性能[6,7]。將多聚磷酸改性瀝青混合料用作上面層，可以提高路面在高溫時(shí)的服務(wù)能力，并有效降低路面的車轍和擁包等病害。

3 結(jié) 論

鑒于多聚磷酸改性瀝青具有突出的性價(jià)比優(yōu)勢，國外對(duì)多聚磷酸改性瀝青的使用呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢，而多聚磷酸改性瀝青在我國還未得到廣泛應(yīng)用。多聚磷酸能夠明顯改善瀝青及瀝青混合料的高溫性能、溫度敏感性、抗車轍能力和抗水損害能力，對(duì)多聚磷酸改性瀝青的研究應(yīng)進(jìn)一步深化，使其更好地應(yīng)用于交通運(yùn)輸事業(yè)。

［1］ Baumgardner, GL, Masson, JF, Hardee, JR, Menapace AM, Williams AG. Polyphosphoric Acid Modified Asphalt[J]. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists ,2005, 74: 283-305.

［2］Orange, G, Martin, JV, Menapace, A, Hemsley, M & Baumgardner, GL . Rutting and Moisture Resistance of Asphalt Mixtures Containing Polymer and Polyphosphoric Acid Modified Bitumen[J]. Road Materials and Pavement Design,2004,03: 323-354.

［3］魏建明,張玉貞. 多聚磷酸對(duì)瀝青表面自由能的影響[J]. 石油學(xué)報(bào),2011,02 :33-36.

［4］毛三鵬,熊良銓. 多聚磷酸在SBS改性瀝青中的應(yīng)用研究[J]. 石油瀝青, 2010,05:77-81.

［5］張峰,王云普. 多聚磷酸與丁苯橡膠復(fù)配改性瀝青的性能[J]. 合成橡膠工業(yè),2009,01:11-17.

［6］曹衛(wèi)東,劉樂民,劉兆平,趙軍. 多聚磷酸改性瀝青的試驗(yàn)研究[J]. 中外公路, 2010,03:7.

［7］王欽勝,楊樹人. PPA改性瀝青性能及機(jī)理分析[J]. 石油瀝青, 2011,01 :101-106.

Modification of Asphalt by Using Polyphosphoric Acid

CAO Xiao-juan
（Xi'an International University,Shaanxi Xi'an 710000，China）

Adding polyphosphoric acid (PPA) to neat bitumen is a common chemical asphalt modification method. In this paper,the modification mechanism of polyphosphoric acid for asphalt was studied. It’s found that there are two kinds of chemical reactions in the modification process, including neutralization and esterification.The addition of PPA can obtain the same good modification effect as polymer. Moreover, adding PPA can improve high temperature properties as well as temperature sensitivity of the asphalt mixture and produce better properties of rutting and moisture resistance.

Polyphosphoric acid; Modified asphalt; Modification mechanism; Asphalt mixture properties

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）05-0948-03

2014-10-17

曹曉娟(1988-), 女，陜西西安人，2014年畢業(yè)于長安大學(xué)公路學(xué)院道路與鐵道工程專業(yè)，研究方向路基路面方向。E-mail：327845749@qq.com。