多聚磷酸復(fù)合SBS改性瀝青流變性能及抗老化特性

劉紅瑛 張銘銘 黃凌輝 常 睿 郝培文

(長(zhǎng)安大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710064)

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多聚磷酸復(fù)合SBS改性瀝青流變性能及抗老化特性

劉紅瑛 張銘銘 黃凌輝 常 睿 郝培文

(長(zhǎng)安大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710064)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變和彎曲梁流變?cè)囼?yàn),對(duì)多聚磷酸(PPA)復(fù)合SBS改性瀝青在高、低溫下的流變特性進(jìn)行了研究,并與硫磺復(fù)合SBS改性瀝青進(jìn)行了對(duì)比分析.通過(guò)傅里葉紅外光譜分析儀對(duì)不同原樣瀝青、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱試驗(yàn)(RTFOT)以及壓力加速老化試驗(yàn)(PAV)后瀝青中含有的與老化有關(guān)的官能團(tuán)進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:添加適量的PPA可明顯改善瀝青的高溫性能;相對(duì)于硫磺復(fù)合SBS改性瀝青,PPA復(fù)合SBS改性瀝青具有較好的高溫性能,但低溫性能相對(duì)較差;隨著SBS摻量的增加,PPA復(fù)合SBS改性瀝青的低溫性能隨之增強(qiáng);經(jīng)過(guò)短長(zhǎng)期老化后PPA復(fù)合SBS改性瀝青的亞砜基指數(shù)變化很小,其抗老化性能得到改善.

道路工程;多聚磷酸;改性瀝青;流變性能;抗老化特性

與傳統(tǒng)的聚合物改性瀝青相比,多聚磷酸(PPA)改性瀝青具有成本低、工藝簡(jiǎn)便以及路用性能好等優(yōu)勢(shì),其推廣應(yīng)用意義顯著[1-2].但PPA改性瀝青路面研究時(shí)間較短,且目前無(wú)相關(guān)施工技術(shù)規(guī)范指導(dǎo)[3-4],而PPA改性瀝青路面的長(zhǎng)期性能又會(huì)直接影響其在我國(guó)的推廣應(yīng)用.PPA改性瀝青路面的長(zhǎng)期性能與PPA改性瀝青老化前后的高溫特性、低溫特性及疲勞特性有關(guān)[5-6].目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)PPA改性瀝青流變特性已做了一些研究,認(rèn)為PPA能顯著改善改性瀝青的抗老化性能[7-8];相關(guān)研究也表明PPA對(duì)改性瀝青的低溫抗裂性能有一定的負(fù)面影響[9-10].但是,對(duì)PPA復(fù)合SBS改性瀝青的流變特性及其抗老化特性研究還不充分,嚴(yán)重制約了PPA改性瀝青在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展.

本文針對(duì)不同PPA復(fù)合SBS改性瀝青等進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)及彎曲梁流變?cè)囼?yàn),并與硫磺復(fù)合SBS改性瀝青進(jìn)行對(duì)比研究.采用傅里葉紅外光譜分析儀對(duì)原樣、RTFOT以及PAV后的基質(zhì)瀝青、PPA單一改性瀝青以及PPA復(fù)合SBS改性瀝青官能團(tuán)進(jìn)行分析,以評(píng)價(jià)PPA改性瀝青老化特征,為PPA改性瀝青路面的長(zhǎng)期性能研究與施工控制提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

基質(zhì)瀝青為東明70#A級(jí)道路石油瀝青,PPA為110%工業(yè)級(jí)聚磷酸,其技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表1和表2.SBS改性劑選用湖南岳化化工公司生產(chǎn)的1301-1線型改性劑.

表1 東明70#瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 PPA技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 PPA復(fù)合改性瀝青試驗(yàn)方案

針對(duì)目前常用的SBS聚合物改性瀝青相容性差的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外一般采用添加增溶劑和穩(wěn)定劑的方式來(lái)改善其相容性.研究表明:PPA可作為催化劑來(lái)改善SBS改性瀝青的相容性[11].因此,本文采用硫磺以及PPA作為SBS改性瀝青的穩(wěn)定劑進(jìn)行對(duì)比研究.SBS改性瀝青摻量采用內(nèi)摻法計(jì)算,采用以下4種配方進(jìn)行試驗(yàn),并與東明70#和摻加0.75% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))PPA的瀝青進(jìn)行對(duì)比,方案如表3所示.

表3 改性瀝青方案 %

1.2.2 PPA復(fù)合SBS改性瀝青制備方法

SBS改性瀝青制備方法如下:基質(zhì)瀝青加熱到140 ℃,加入相溶劑;然后加熱瀝青至160 ℃,同時(shí)慢慢加入SBS改性劑,攪拌溶脹10 min;繼續(xù)加熱瀝青至170～180 ℃,啟動(dòng)剪切機(jī),以3 000～4 000 r/min剪切速率剪切30 min;再加入硫磺剪切5～10 min;最后在180 ℃溫度下繼續(xù)攪拌20 min形成成品.

PPA復(fù)合SBS改性瀝青制備方法如下:基質(zhì)瀝青加熱到140 ℃左右,加入相溶劑;然后加熱瀝青至160 ℃,同時(shí)慢慢加入SBS改性劑,攪拌溶脹10 min;繼續(xù)加熱瀝青至170～180 ℃,啟動(dòng)剪切機(jī),以3 000～4 000 r/min的剪切速率剪切30 min;加入PPA,在175～180 ℃溫度下繼續(xù)攪拌30 min即可.

1.2.3 試驗(yàn)方法

采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)分別研究不同瀝青在高、低溫下的流變特性,其中DSR試驗(yàn)采用應(yīng)變控制[12],并通過(guò)FTIR對(duì)老化前后的PPA復(fù)合SBS改性瀝青官能團(tuán)進(jìn)行分析,以研究PPA改性瀝青的老化特性.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原樣瀝青抗車轍因子G*/sinδ以及相位角δ分析

對(duì)不同原樣瀝青進(jìn)行DSR試驗(yàn),其抗車轍因子以及相位角如表4所示.由表可知,隨著溫度升高,方案1～4瀝青的G*/sinδ減小,相位角δ增加,表明溫度越高,瀝青的高溫性能越差,且瀝青中彈性成分減少,黏性成分增多.對(duì)比方案1與方案2可知,方案2的抗車轍因子G*/sinδ更大,表明添加PPA顯著改善了SBS改性瀝青的高溫性能.由基質(zhì)瀝青和PPA改性瀝青的DSR試驗(yàn)結(jié)果可知：加入PPA使基質(zhì)瀝青的相位角減小,即PPA改性瀝青中的黏性不可恢復(fù)部分減少,彈性可恢復(fù)成分增加;PPA的加入較大幅度地提高了瀝青在64和70 ℃時(shí)的抗車轍因子,表明PPA的加入有助于改善基質(zhì)瀝青的高溫性能.

表4 不同瀝青DSR試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知,當(dāng)SBS用量從3.5%增加到4.0%時(shí),硫磺復(fù)合SBS改性瀝青76 ℃下的G*/sinδ增加了17.8%,相位角減少了5.21°,表明適當(dāng)增加SBS摻量會(huì)改善改性瀝青的高溫抗變形能力.當(dāng)SBS用量從3.5%增加到4.0%時(shí),PPA復(fù)合SBS改性瀝青76 ℃下G*/sinδ增加了59.0%,相位角減少了7.92°,表明適當(dāng)增加SBS摻量,會(huì)較大程度改善PPA復(fù)合SBS改性瀝青的高溫抗變形特性.

2.2 RTFOT前后不同瀝青抗車轍因子G*/sinδ以及相位角δ分析

對(duì)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱試驗(yàn)(RTFOT)后的瀝青進(jìn)行DSR試驗(yàn),結(jié)果如表5所示.由表可知,隨著溫度的升高,RTFOT前后6種瀝青的G*/sinδ與δ的變化趨勢(shì)一致,即抗車轍因子G*/sinδ減小,相位角δ增加.這表明隨著溫度升高,短期老化后瀝青的高溫抗變形能力降低,瀝青中黏性成分增多,彈性成分減少.

表5 RTFOT后不同瀝青DSR試驗(yàn)結(jié)果

不同瀝青RTFOT后,抗車轍因子G*/sinδ均有不同程度的增大.以SBS摻量相同的方案1與方案2為例,短期老化后,硫磺復(fù)合SBS改性瀝青、PPA復(fù)合SBS改性瀝青76 ℃下的抗車轍因子G*/sinδ分別增加了25.9%和69.5%,表明相對(duì)于硫磺復(fù)合SBS改性,PPA復(fù)合SBS改性對(duì)改性瀝青短期老化后的高溫性能抗變形能力的改善更顯著.因此,PPA復(fù)合SBS改性瀝青的抗老化特性更好.2種瀝青短期老化前后的相位角變化則有所差別,RTFOT后,硫磺復(fù)合SBS改性瀝青76 ℃下的相位角δ增加了5.96°,而PPA復(fù)合SBS改性瀝青則降低了1.95°,表明短期老化后硫磺復(fù)合SBS改性瀝青黏性部分增加,彈性部分減少,而PPA復(fù)合SBS改性瀝青則相反,即短期老化后其彈性成分增加,而黏性成分減小.

短期老化后,基質(zhì)瀝青與PPA改性瀝青的抗車轍因子G*/sinδ均顯著增大,基質(zhì)瀝青、PPA改性瀝青76 ℃下的抗車轍因子G*/sinδ分別增加了75.2%和115.13%,表明PPA的摻入顯著改善了基質(zhì)瀝青短期老化后的高溫抗變形能力,從而顯著改善了基質(zhì)瀝青的抗老化特性.2種瀝青老化后的相位角δ均有所降低,基質(zhì)瀝青、PPA改性瀝青76 ℃下的相位角δ分別降低了1.75°和5.43°,表明RTFOT后PPA的摻入導(dǎo)致瀝青的黏性成分大幅減少,彈性成分明顯增加.

2.3 PAV后瀝青試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 PAV后不同瀝青疲勞性能分析

不同瀝青PAV后,其DSR試驗(yàn)結(jié)果如表6所示.由表可知,在19和16 ℃時(shí),PPA改性瀝青的相位角比基質(zhì)瀝青小,這表明PPA的加入使得基質(zhì)瀝青復(fù)數(shù)模量中的彈性成分增加;相較于基質(zhì)瀝青,PPA改性瀝青19和16 ℃下的疲勞因子G*sinδ分別降低了11.3%和11.2%,表明與基質(zhì)瀝青相比,PPA改性瀝青的疲勞性能較好,由此可知PPA可改善基質(zhì)瀝青的疲勞性能.

表6 PAV后不同瀝青疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果

隨著溫度升高,硫磺復(fù)合SBS以及PPA復(fù)合SBS改性瀝青的疲勞因子G*sinδ均增大,以SBS摻量相同的方案1與方案2為例,方案2在19和16 ℃下的疲勞因子G*sinδ比方案1分別增加了79.2%和67.9%,相位角則分別減少了8.12°和7.56°,表明相較于硫磺復(fù)合SBS改性瀝青,PPA復(fù)合SBS改性瀝青的抗疲勞性能較差.

當(dāng)SBS用量從3.5%增加到4.0%時(shí),硫磺復(fù)合SBS改性瀝青19 ℃下的疲勞因子G*sinδ減少了30.2%,表明適當(dāng)增加SBS摻量會(huì)改善改性瀝青的抗疲勞開(kāi)裂性能.當(dāng)SBS用量從3.5%增加到4.0%時(shí),PPA復(fù)合SBS改性瀝青19 ℃下G*sinδ減少了0.2%,基本無(wú)變化,而相位角則降低了3.25°,表明增加SBS摻量,PPA復(fù)合SBS改性瀝青的彈性成分增多,但對(duì)于PPA復(fù)合SBS改性瀝青的疲勞性能影響不大.

2.3.2 PAV后不同瀝青BBR試驗(yàn)分析

按照SHRP規(guī)范要求對(duì)PAV后的瀝青膠結(jié)料進(jìn)行BBR試驗(yàn),其試驗(yàn)結(jié)果如表7所示.由表可知,-12 ℃時(shí)基質(zhì)瀝青以及PPA改性瀝青勁度模量變化率m和勁度模量S均滿足m≥0.3,S≤300 MPa,而-18 ℃時(shí)2種瀝青都不滿足規(guī)范要求.在-12和-18 ℃,與基質(zhì)瀝青相比,PPA改性瀝青不僅勁度模量更小,同時(shí)勁度模量變化率和變形量更大,這表明在低溫時(shí)PPA改性瀝青具有更好的低溫抗裂性能.

表7 PAV后不同瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于PPA、硫磺復(fù)合SBS改性瀝青,在-12 ℃時(shí)不同瀝青均能滿足規(guī)范要求,但是在-18 ℃時(shí)則僅有方案1、方案2和方案3瀝青滿足規(guī)范要求.與硫磺復(fù)合SBS改性瀝青相比,PPA復(fù)合SBS改性瀝青的勁度模量和勁度模量變化率均較小.在-12和-18 ℃時(shí),方案1和方案2瀝青的低溫分級(jí)均為-28 ℃,而方案3和方案4的瀝青低溫分級(jí)分別為-28和-22 ℃,相差一個(gè)低溫分級(jí),因此SBS摻量的增加有助于減少PPA復(fù)合SBS改性瀝青與硫磺復(fù)合SBS改性瀝青低溫性能方面的差距.

3 PPA復(fù)合SBS改性瀝青紅外光譜試驗(yàn)分析

采用分峰波數(shù)相對(duì)吸光度比值以及積分面積比值能夠比較準(zhǔn)確地反應(yīng)瀝青老化過(guò)程中官能團(tuán)的變化情況,從而較好地評(píng)價(jià)不同瀝青的抗老化特性[13],其中面積通過(guò)Omnic 8.2紅外分析軟件計(jì)算.本文采用德國(guó)Bruker Optics生產(chǎn)的Tensor系列傅立葉變換紅外光譜儀,其光譜范圍為4 000～400 cm-1,掃描數(shù)為32,分辨率為2.0 cm-1.

對(duì)方案2的原樣、RTFOT以及PAV后的瀝青以及硫磺復(fù)合SBS改性瀝青進(jìn)行紅外光譜分析,結(jié)果如圖1～圖2所示.

由圖1可知,隨著老化程度的加深,PPA復(fù)合SBS改性瀝青在1 700 cm-1羰基附近的吸收峰增長(zhǎng)越明顯,1 030 cm-1附近的亞砜基吸收峰則沒(méi)有明顯變化.由圖2可看出,與硫磺復(fù)合SBS改性瀝青相比,PPA復(fù)合SBS改性瀝青的紅外譜圖在900～1 200 cm-1之間出現(xiàn)了明顯的疊加吸收峰,表明PPA與瀝青之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),生成了磷酸酯類物質(zhì),表現(xiàn)在紅外譜圖中就是900～1 200 cm-1之間有著混合吸收寬峰的出現(xiàn).

(a) 紅外譜圖

(b) 局部紅外譜圖

圖2 PPA和硫磺復(fù)合SBS改性瀝青局部紅外譜圖對(duì)比

(1)

(2)

PPA復(fù)合SBS改性瀝青1 700 cm-1附近的羰基指數(shù)Ico以及1 030 cm-1附近的亞砜基指數(shù)Iso如表8所示.由表可知,PPA復(fù)合SBS改性瀝青的羰基指數(shù)Ico隨著老化程度的增加而增大,但亞砜基指數(shù)Iso變化基本不大.這表明隨著老化進(jìn)行,一方面PPA復(fù)合SBS改性瀝青僅發(fā)生一定組分轉(zhuǎn)變,另一方面由于PPA與SBS改性瀝青發(fā)生了磷酸酯化反應(yīng),使得PPA復(fù)合SBS改性瀝青的抗老化性能得到了提高,其老化特性更加復(fù)雜.

表8 不同老化程度PPA復(fù)合SBS改性瀝青羰基與亞砜基面積比

4 結(jié)語(yǔ)

1) 對(duì)于東明70#基質(zhì)瀝青,添加適量PPA可明顯改善瀝青的高溫性能,同時(shí)瀝青的低溫抗裂性能和耐疲勞性能也有一定程度的提高.

2) 與硫磺復(fù)合SBS改性瀝青相比,PPA復(fù)合SBS改性瀝青具有更好的高溫性能,而低溫和耐疲勞性能相對(duì)較差.隨著SBS摻量的增加,改性瀝青的低溫性能隨之增強(qiáng),PPA復(fù)合SBS改性瀝青與硫磺復(fù)合SBS改性瀝青的低溫性能之間的差距也隨之減小.

3) PPA復(fù)合SBS改性瀝青經(jīng)短期和長(zhǎng)期老化后其亞砜基指數(shù)變化很小,表明其抗老化性能較好.

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Rheological and anti-aging properties of polyphosphoric acid composite styrene butadiene styrene modified asphalt

Liu Hongying Zhang Mingming Huang Linghui Chang Rui Hao Peiwen

(Key Laboratory for Road Structure and Material of Communications Industry, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Based on dynamic shear rheological and bending beam rheological tests, the rheological behaviors of PPA (polyphosphoric acid) composite SBS (styrene butadiene styrene) modified asphalt at high and low temperatures were comprehensively studied, and compared with the rheological property of sulfur composite SBS modified asphalt. The functional groups of original asphalt and the asphalt after the rotating thin film oven heating test and the pressure aging vessel test were analyzed by the Fourier transform infrared spectroscopy. The results show that the resistance performance of asphalt with appropriate PPA content can be increased at high temperatures. Compared with sulfur composite SBS modified asphalt, PPA composite SBS modified asphalt has super resistance deformation at high temperatures, while it has relative weak anti-cracking property at low temperature. With the increase of the content of SBS polymer, the modified asphalt has better anti-cracking property at low temperatures. After short and long term aging, the change of sulfoxide index of PPA composite SBS modified asphalt is very small, and the anti-aging property of PPA composite SBS modified asphalt is improved.

road engineering; polyphosphoric acid; modified asphalt; rheological performance; anti-aging property

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.030

2016-03-15. 作者簡(jiǎn)介: 劉紅瑛(1971—),女,博士,副教授,gli71@gl.chd.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278060).

劉紅瑛,張銘銘,黃凌輝,等.多聚磷酸復(fù)合SBS改性瀝青流變性能及抗老化特性[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(6):1290-1295.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.030.

U414

A

1001-0505(2016)06-1290-06