多聚磷酸與SBS復(fù)合改性瀝青性能研究*

黃曉炎 葉群山

(長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 長沙 410114 )

目前，應(yīng)用較多的瀝青改性劑主要為SBS(苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物)和橡膠粉這兩類。SBS改性瀝青具有優(yōu)異的高、低溫性能，在公路建設(shè)上應(yīng)用最多，但由于其購買成本較大，一般用于高等級公路建設(shè)中，其應(yīng)用范圍較狹窄。相對于成本較高、改性工藝較為復(fù)雜的聚合物改性瀝青，酸改性瀝青具有價格低廉、加工簡單、瀝青性能改善明顯等優(yōu)點(diǎn)，有著良好的應(yīng)用前景[1-3]；以多聚磷酸(polyphosphoric acid，PPA)作為瀝青改性劑，能夠有效地改善瀝青的高溫性能，同時具備其他酸改性瀝青的生產(chǎn)工藝、成本等方面的優(yōu)勢，在國外已得到了一定的研究和應(yīng)用[4]。

本文主要對PPA改性劑和SBS改性劑復(fù)合改性而成的瀝青性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析SBS改性劑和PPA改性劑復(fù)摻后對瀝青性能的影響和2種改性劑之間的互相影響。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究中采用的基質(zhì)瀝青為湖南寶利瀝青有限公司生產(chǎn)的70號重交瀝青，表1為其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。采用長沙晶康新材料科技有限公司生產(chǎn)的PPA改性劑，其P2O5含量≥80%，氯化物含量≤0.001%，硫酸鹽含量≤0.02%，重金屬含量≤0.01%，鐵含量≤0.01%。SBS改性劑為線形結(jié)構(gòu)類型，嵌段比為30/70，灰分為0.2%，拉伸強(qiáng)度為15 MPa，扯斷伸長率為750%，扯斷永久變形為30%。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 PPA&SBS復(fù)合改性瀝青的制備和試驗(yàn)方案

本研究中將PPA的摻量定為1%，SBS的摻量分別為3%，4%，5%；制備PPA&SBS復(fù)合改性瀝青時，先將SBS改性劑拌入150 ℃基質(zhì)瀝青中，并保持溶脹30 min，然后在180 ℃時加入PPA改性劑并以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速對摻配的瀝青高速剪切90 min，最后在150 ℃的溫度下保溫發(fā)育30 min。

流變性能試驗(yàn)采用的儀器為奧地利Anton Paar公司生產(chǎn)的Physica MCR 301型動態(tài)剪切流變儀，進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度區(qū)間為30～78 ℃，荷載頻率為10 rad/s，采用25 mm底盤。對PPA&SBS復(fù)合改性瀝青的性能試驗(yàn)包括流變性能試驗(yàn)、老化性能試驗(yàn)和存儲穩(wěn)定性試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 流變性能

PPA&SBS復(fù)合改性瀝青流變性能試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

a) 車轍因子

b) 復(fù)數(shù)剪切模量

c) 相位角

由圖1a)和圖1b)可見，PPA&SBS復(fù)合改性瀝青的車轍因子和復(fù)數(shù)剪切模量均隨SBS改性劑摻量的增加而增加，SBS改性劑的添加能顯著提升瀝青的高溫穩(wěn)定性，同時也說明PPA改性劑與SBS改性劑的復(fù)摻效果良好，兩者對于瀝青高溫性能的提升可互相疊加而不受對方影響[5]。由圖1c)可見，隨著SBS改性劑摻量的增加，相位角在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)變化的幅度也越小，曲線變化越平緩，這是由于SBS在瀝青中吸附輕質(zhì)組分溶脹后形成穩(wěn)定的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了瀝青在高溫狀態(tài)時的彈性性質(zhì)，并進(jìn)一步說明了SBS改性劑在PPA&SBS復(fù)合改性瀝青中的改性作用是獨(dú)立且不受PPA改性劑影響的[6-7]。

2.2 老化后流變性能

對不同摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)來評價其老化性能，與常規(guī)不同的是，在做完老化試驗(yàn)后，本研究中將老化后的瀝青做DSR溫度掃描試驗(yàn)，與未被老化的瀝青的DSR溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，試驗(yàn)結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 PPA&SBS復(fù)合改性瀝青老化前后車轍因子對比圖

圖3 PPA&SBS復(fù)合改性瀝青老化前后復(fù)數(shù)剪切模量對比圖

圖4 PPA&SBS復(fù)合改性瀝青老化前后相位角對比圖

由圖2可見，不同SBS摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青在被老化后，車轍因子值均變大，與未被老化的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青相比，4%SBS摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青其變化間隔最大，其次是3%SBS摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青，5%SBS摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青最小。3%與5%SBS摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青老化前后車轍因子變化間隔相差不多。由于復(fù)數(shù)剪切模量與車轍因子成正比關(guān)系，所以其與車轍因子的結(jié)果大體相同，詳見圖3。

PPA&SBS復(fù)合改性瀝青在被老化后，相位角的值均變小，由圖4可以得到，隨著溫度的升高，相位角從以前的S形變成了先下降后上升的凹形曲線，這可能是由于老化過程中瀝青的部分SBS改性劑老化分解造成的；因此，使用PPA和SBS改性劑對瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，能夠提高瀝青的抗老化性能，通過添加PPA改性劑減少SBS的摻量能在一定程度上避免SBS改性劑老化分解后對瀝青性能的影響。

2.3 儲存性能

在存儲性試驗(yàn)中，將制備好的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青裝于試管中在163 ℃的烘箱里放置2 d，然后取出冷卻至常溫，放入冰箱冷凍室凍至脆硬，敲碎后取上1/3段和下1/3段的瀝青，進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)，計算兩者軟化點(diǎn)差，評價離析程度。其具體結(jié)果見表2。

表2 不同摻量SBS復(fù)合改性瀝青儲存試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見，隨著SBS改性劑摻量的增加，上、下部軟化點(diǎn)的差值也越大，符合一般聚合物改性瀝青存儲性的規(guī)律，因此3%SBS摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青離析程度最小，儲存性能較好。同時也證明了添加適量的PPA不會影響SBS改性瀝青的儲存穩(wěn)定性能。

3 結(jié)語

1) PPA&SBS復(fù)合改性瀝青中SBS和PPA改性劑均能提高瀝青的高溫性能，2種改性劑復(fù)摻后對瀝青的高溫性能有較好的改善作用。

2) PPA&SBS復(fù)合改性瀝青的SBS改性劑摻量越多，瀝青的抗老化性能越好，PPA改性劑對瀝青的抗老化性能也有一定的改善作用，PPA的復(fù)摻可在一定程度上降低因SBS老化分解而造成的對瀝青性能影響。

3) SBS改性劑的摻量越多，PPA &SBS復(fù)合改性瀝青的存儲性越差，PPA改性劑對改性瀝青的存儲性能影響較少。

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