多聚磷酸對(duì)瀝青性能影響研究

楊國(guó)明，裴曉光，李福起，金吉海

（中海油煉油化工科學(xué)研究院（北京）有限公司，北京100000）

多聚磷酸對(duì)瀝青性能影響研究

楊國(guó)明，裴曉光，李福起，金吉海

（中海油煉油化工科學(xué)研究院（北京）有限公司，北京100000）

以不同摻量多聚磷酸（PPA）制備改性瀝青，并對(duì)多聚磷酸改性瀝青常規(guī)性能指標(biāo)以及流變性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明多聚磷酸的摻入能夠提高瀝青軟化點(diǎn)和脆點(diǎn)，增大瀝青的車轍因子，提升瀝青高溫等級(jí)，但會(huì)降低蠕變率，損害瀝青低溫性能，多聚磷酸加入量過(guò)高，瀝青黏度過(guò)大，不利于瀝青泵送及拌合，通過(guò)分析瀝青四組分的變化，對(duì)多聚磷酸改性機(jī)理進(jìn)行了初步探索，多聚磷酸的加入促使瀝青中的飽和分和膠質(zhì)向?yàn)r青質(zhì)轉(zhuǎn)化，從而影響瀝青的高低溫性能。

多聚磷酸；改性瀝青；車轍因子；蠕變率；改性機(jī)理

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，交通量和汽車軸載迅速增加，瀝青路面病害也相應(yīng)增多，普通瀝青已不能滿足高等級(jí)路面的建設(shè)要求，使用改性瀝青，能有效提升瀝青混合料的路用性能，延長(zhǎng)路面的使用壽命，改性瀝青種類眾多，應(yīng)用最為廣泛的是SBS改性瀝青，SBS改性瀝青加工工藝較為復(fù)雜，產(chǎn)品儲(chǔ)存穩(wěn)定性能較差，與SBS改性瀝青相比，多聚磷酸改性瀝青加工工藝簡(jiǎn)單，高溫穩(wěn)定性較好。

多聚磷酸（PPA）被稱為四聚磷酸，聚合磷酸或者多磷酸，是一種無(wú)色透明的粘稠液體，易潮解，有腐蝕性，多聚磷酸在香料、皮革、制藥等行業(yè)中有著廣泛的用途，多聚磷酸作為瀝青化學(xué)改性劑，在國(guó)外已得到一定的研究，美國(guó)路易斯安那州一直采用酸改性方法生產(chǎn)30#和40#重交道路瀝青，1992年開(kāi)始酸改性和酸加聚合物復(fù)合改性開(kāi)始在整個(gè)美國(guó)推廣應(yīng)用，這其中多聚磷酸改性應(yīng)用最為廣泛[1]。隨著傳統(tǒng)SBS改性瀝青的價(jià)格不斷上漲，多聚磷酸改性瀝青價(jià)格較為低廉，且對(duì)瀝青性能的改善效果較為明顯，加工簡(jiǎn)單，有著廣泛的應(yīng)用前景。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于多聚磷酸改性瀝青的研究相對(duì)較少，重慶交通大學(xué)趙可等[2]研究發(fā)現(xiàn)多聚磷酸的加入能夠提升瀝青的抗車轍性能，且對(duì)瀝青的低溫及疲勞特性無(wú)不良影響，中石油克拉瑪依石化煉化研究院毛三鵬等[3]以多聚磷酸和SBS復(fù)配制備改性瀝青，研究發(fā)現(xiàn)多聚磷酸能提高改性瀝青的抗老化性能，但同時(shí)會(huì)降低改性瀝青的低溫性能。也有部分學(xué)者[4]研究了多聚磷酸對(duì)瀝青流變性能的影響發(fā)現(xiàn)，在一定溫度范圍內(nèi)，多聚磷酸能夠提升瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和車轍因子，提升其高溫等級(jí)。

張恒龍等[5]通過(guò)瀝青四組分分析，認(rèn)為多聚磷酸的加入促進(jìn)了瀝青膠質(zhì)向?yàn)r青質(zhì)的轉(zhuǎn)化，使得瀝青中的分散相出現(xiàn)明顯的締合，重組分含量增加，從而提高了瀝青的剛性，改變了瀝青的物理性能和流變性能。曹衛(wèi)東等[6]則認(rèn)為多聚磷酸的加入促使瀝青中的部分飽和分轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青質(zhì)，從而改善瀝青高溫性能和溫度敏感性。

本文采用不同多聚磷酸摻量制備改性瀝青，利用常規(guī)性能分析手段和SHRP分析手段結(jié)合，分析多聚磷酸改性瀝青性能，考察多聚磷酸對(duì)瀝青性能影響，同時(shí)通過(guò)對(duì)多聚磷酸改性前后瀝青的四組分分布進(jìn)行分析，探究多聚磷酸改性機(jī)理，期望為多聚磷酸改性瀝青的生產(chǎn)研究提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用基質(zhì)瀝青為中海油重交50#道路瀝青，其常規(guī)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 中海50#道路瀝青常規(guī)性能指標(biāo)Table1 Conventional properties of Zhong Hai 50#asphalt

試驗(yàn)采用TA公司生產(chǎn)的Advanced Rheometer－2000ex型動(dòng)態(tài)剪切流變儀和美國(guó)CANNON公司生產(chǎn)的TE-BBR型低溫彎曲梁流變儀，對(duì)中海50#道路瀝青PG等級(jí)進(jìn)行分析，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 中海50#道路瀝青高溫等級(jí)分析Table2 High-temperature grade analysis of Zhong Hai 50# asphalt

表3 中海50#道路瀝青低溫等級(jí)分析Table3 Low-temperature grade analysis of Zhong Hai 50# asphalt

表4 多聚磷酸性能指標(biāo)Table4 Properties of polyphosphoric acid（PPA）

1.2 多聚磷酸改性瀝青制備

將50#道路瀝青在烘箱中加熱到較好流動(dòng)狀態(tài)，外摻法加入多聚磷酸，摻量分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%和2.5%，140℃條件下攪拌1 h后，進(jìn)行倒樣分析。

1.3 多聚磷酸改性瀝青性能分析

制得樣品后，對(duì)改性瀝青的常規(guī)指標(biāo)，PG等級(jí)及流變性能進(jìn)行分析，改性瀝青常規(guī)指標(biāo)分析及PG等級(jí)分析參照交通部JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 多聚磷酸對(duì)瀝青常規(guī)性能指標(biāo)的影響

對(duì)制備的多聚磷酸改性瀝青樣品進(jìn)行常規(guī)性能指標(biāo)分析，其變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 多聚磷酸摻量對(duì)瀝青常規(guī)性能指標(biāo)影響Fig.1 Effect of PPA contents on conventional properties of asphalts

由圖1可以看出，隨著多聚磷酸摻量的增加，瀝青針入度逐漸降低，軟化點(diǎn)逐漸升高，說(shuō)明多聚磷酸的加入提高了瀝青的高溫性能，同時(shí)，多聚磷酸的加入使得瀝青135℃布氏黏度逐漸增大，多聚磷酸加量為2.5%時(shí)，改性瀝青135℃黏度超過(guò)了5 000 mPa?s，黏度過(guò)大不利于瀝青混合料的拌和及施工，脆點(diǎn)是反映瀝青低溫抗開(kāi)裂性能的重要指標(biāo)，脆點(diǎn)越低，表明瀝青的低溫抗開(kāi)裂性能越好，隨著多聚磷酸摻入量的增加，瀝青脆點(diǎn)逐漸升高，多聚磷酸加量為2.5%時(shí)，改性瀝青脆點(diǎn)提高到了-6℃，說(shuō)明多聚磷酸的加入降低了瀝青低溫抗開(kāi)裂性能。

2.2 多聚磷酸對(duì)瀝青PG等級(jí)的影響

2.2.1 多聚磷酸摻量對(duì)車轍因子的影響

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀和低溫彎曲梁流變儀對(duì)制備的多聚磷酸改性瀝青樣品進(jìn)行高溫性能和低溫性能分析，其性能指標(biāo)變化規(guī)律如圖2至圖5所示。

由圖2和圖3可知，多聚磷酸摻量對(duì)瀝青原樣、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)（RTFOT）殘留物的車轍因子影響較大，在相同溫度下，隨著多聚磷酸摻量增加，瀝青原樣及RTFOT殘留物的車轍因子G*/sinδ逐漸增大，表明瀝青高溫抗車轍性能逐漸變好，高溫等級(jí)也從原樣70℃提升到了82℃。

圖2 多聚磷酸摻量對(duì)原樣車轍因子的影響Fig.2 Effect of PPAcontents on rutting factor of original asphalts

圖3 多聚磷酸摻量對(duì)RTFOT殘留物車轍因子影響Fig.3 Effect of PPA contents on rutting factor of RTFOT residue

由圖4和圖5可知，在-12℃及-18℃條件下，蠕變勁度隨著多聚磷酸摻加量的增加變化不大，瀝青蠕變率隨著多聚磷酸摻量的增加而降低，蠕變率越大，瀝青松弛應(yīng)力的能力越好，低溫性能越好，蠕變率越小，低溫性能越差，當(dāng)多聚磷酸加量1.5%時(shí)，其低溫等級(jí)無(wú)法達(dá)到-22℃，由此可見(jiàn)，多聚磷酸摻加量過(guò)高，降低瀝青蠕變率，損害瀝青的低溫性能，降低低溫等級(jí)。

2.2.2 多聚磷酸摻量對(duì)蠕變勁度和蠕變率的影響

圖4 多聚磷酸摻量對(duì)蠕變率的影響Fig.4 Effect of PPA contents on the creep rate of asphalts

圖5 多聚磷酸摻量對(duì)蠕變勁度的影響Fig.5 Effect of PPA contents on creep stiffness of asphalts

2.3 多聚磷酸改性機(jī)理分析

采用氧化鋁層析法對(duì)中海50#道路瀝青以及外摻2.0%多聚磷酸的改性瀝青進(jìn)行了四組分分析，結(jié)果如表5所示。

表5 中海50#道路瀝青及2.0%PPA改性瀝青四組分Table5 Four components data of Zhong Hai 50#asphalt and 2.0%PPA modified asphalt

從表5中數(shù)據(jù)我們可以看出，中海50#道路瀝青加入多聚磷酸進(jìn)行改性后，飽和分和膠質(zhì)含量降低，膠質(zhì)含量降低幅度較大，芳香分含量變化不大，瀝青質(zhì)含量明顯增加，說(shuō)明多聚磷酸促使瀝青中的飽和分和膠質(zhì)向?yàn)r青質(zhì)轉(zhuǎn)化，在瀝青四種組分里，膠質(zhì)的基本性質(zhì)是介于瀝青質(zhì)和油分之間，相對(duì)分子質(zhì)量較大，化學(xué)穩(wěn)定性差，容易被氧化，多聚磷酸具有強(qiáng)氧化性，促使瀝青膠質(zhì)氧化，轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，瀝青質(zhì)分子量大，穩(wěn)定性好，是影響瀝青高溫性，黏性以及脆性的主要組分，多聚磷酸改性后，瀝青中瀝青質(zhì)含量增加，提升瀝青高溫性能，但同時(shí)會(huì)使得瀝青變脆，降低其低溫性能。。

3 結(jié)論

通過(guò)改變多聚磷酸摻量制備改性瀝青，并對(duì)制備的樣品進(jìn)行常規(guī)性能和流變性能分析，同時(shí)對(duì)多聚磷酸改性機(jī)理進(jìn)行了初步探索，所得結(jié)論如下。

（1）多聚磷酸的加入能夠有效提高瀝青的軟化點(diǎn)，提升瀝青的高溫性能，同時(shí)降低瀝青脆點(diǎn)，降低瀝青低溫抗開(kāi)裂性能。

（2）多聚磷酸的加入能夠增加瀝青的布氏黏度，多聚磷酸含量過(guò)高，瀝青黏度過(guò)大，影響其泵送及混合料拌合，增加能耗。

（3）多聚磷酸的加入能夠提高瀝青高溫車轍因子，提升瀝青高溫等級(jí)，擴(kuò)大瀝青應(yīng)用氣候區(qū)域。

（4）多聚磷酸對(duì)瀝青低溫等級(jí)的提升沒(méi)有明顯作用，相反，多聚磷酸會(huì)降低瀝青蠕變率，不利于其低溫性能。

（5）對(duì)基質(zhì)瀝青及多聚磷酸改性瀝青的四組分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)多聚磷酸的加入能改變?yōu)r青四組分比例分布，飽和分和膠質(zhì)含量降低，瀝青質(zhì)含量增加，而影響其高低溫性能。

［1］付立強(qiáng)，王子靈，黃曉明，等．多聚磷酸改性瀝青的性能研究[J]．公路交通科技，2008，25（2）：16-19．

［2］余文科．多聚磷酸改性瀝青研究[D]．重慶，重慶交通大學(xué)，2011．［3］毛三鵬，熊良銓．多聚磷酸在改性瀝青中的應(yīng)用研究[J]．2010，24（5）：28-31．

［4］張自斌，葉群山．多聚磷酸改性瀝青流變性能研究[J]．公路，2012，11：198-200.

［5］張恒龍，史才軍，余劍英，等．多聚磷酸對(duì)不同瀝青的改性及改性機(jī)理研究[J]．建筑材料學(xué)報(bào)，2013，16（2）：255-260．

［6］曹衛(wèi)東，劉樂(lè)民，劉兆平，等．多聚磷酸改性瀝青的試驗(yàn)研究[J]．中外公路，2010，30（3）：252-254．

Study on Effect of Polyphosphoric Acid on Asphalt Performance

YANG Guo-ming,PEI Xiao-gua ng,LI Fu-qi,JIN Ji-hai
（CNOOC Research Institute of Oil and Petrochemicals,Beijing 100000，China）

Modified asphalt was prepared with polyphosphoric acid（PPA）of different dosages,and the conventional properties and rheological properties of the PPA modified asphalt were analyzed.The results show that the softening point and brittle point of the PPA modified asphalt increase with the incorporation of PPA.Besides,the PPA can increase the rutting factor of asphalt,improving the high temperature grade while reducing the creep rate,damaging the low-temperature performance.Excessive amount of PPA can lead to high viscosity,which is adverse to pumping and mixing of asphalt.The modification mechanism of PPA was studied by analyzing the change of four components of asphalt.The results show that the addition of PPA can promote the conversion of saturation fraction and resin of asphalt to asphaltene,which affects the high and low temperature properties of asphalt.

Polyphosphoric acid;Modified asphalts;Rutting factor;Creep rate;Modification mechanism

TE624

A

1671-0460（2017）03-0422-04

2017-01-03

楊國(guó)明（1987-），男，山東省德州人，助理工程師，碩士研究生，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)，研究方向：瀝青技術(shù)研發(fā)。E-mail：yanggm8@cnooc.com.cn。