多聚磷酸改性瀝青性能研究

黃 剛，王 鵬，劉邦勝

(1.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

國外對(duì)于多聚磷酸改性瀝青的研究開始于20世紀(jì)80年代，被美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃用來提高瀝青流變性能和軟化點(diǎn)指標(biāo)，Superpave TM在沒有氧化和粘合劑情況下，采用多聚磷酸改性瀝青提升瀝青的PG分級(jí)，之后當(dāng)PG-PLUS證實(shí)多聚磷酸對(duì)瀝青粘彈性和延展性有較強(qiáng)的改善效果，多聚磷酸開始被廣泛作為改性劑應(yīng)用于瀝青改性中，以提高瀝青性能。在20世紀(jì)90年代后期，SBS和多聚磷酸開始成為應(yīng)用最多的瀝青改性劑[1]。Zhang Feng等對(duì)多聚磷酸改性瀝青的老化性能進(jìn)行了研究，并建立以軟化點(diǎn)為參數(shù)的老化動(dòng)力學(xué)模型，分析基質(zhì)瀝青以及多聚磷酸改性瀝青老化的動(dòng)力學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)與基質(zhì)瀝青相比，多聚磷酸改性瀝青可以顯著提高瀝青的抗老化性和高溫性能[2]。2004年Michael Falkiewicz-Astaris在Cheyenne，WY舉行的FHA研討會(huì)上指出，多聚磷酸可以改善瀝青的水敏感性，同時(shí)對(duì)瀝青粘附性基本沒有不利影響，另外其對(duì)比不同類型的瀝青性能后發(fā)現(xiàn)PPA可以提高瀝青的粘附性、儲(chǔ)存穩(wěn)定性以及高溫性能[3]。SerjiAmirkhanian等人經(jīng)過研究認(rèn)為，采用10%～40%橡膠粉摻量的瀝青，可以和多聚磷酸反應(yīng)得到最高黏度值的瀝青，同時(shí)在集料中減少1%的添加劑所產(chǎn)生的不利影響，可以通過增加0.5%的PPA摻量抵消[4]。

縱觀國內(nèi)外學(xué)者基于多聚磷酸改性瀝青性能的研究情況，大致認(rèn)為多聚磷酸能顯著改善瀝青結(jié)合料的高溫性能、抗老化性能、存儲(chǔ)穩(wěn)定性、抗車轍能力等，但對(duì)其低溫性能和相關(guān)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)性研究相對(duì)較少。故本文對(duì)不同摻量、不同種類的多聚磷酸與高溫性能、感溫性能、低溫性能以及抗老化性進(jìn)行研究，并且與基質(zhì)瀝青進(jìn)行對(duì)比分析，揭示不同摻量、不同種類多聚磷酸對(duì)瀝青高溫性能、感溫性、低溫性能以及抗老化性能的改性效果，同時(shí)確定其最佳摻配比。

1 試驗(yàn)材料及制備工藝

1.1 瀝青

本文試驗(yàn)過程采用阿爾法(江陰)瀝青有限公司提供70#A級(jí)基質(zhì)瀝青(阿爾法70#)和山東東明石化集團(tuán)生產(chǎn)的路暢70#A級(jí)瀝青(路暢70#)，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 多聚磷酸

本文試驗(yàn)選用廣西越洋化工實(shí)業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)的105%多聚磷酸(YY-105)，其具體指標(biāo)如表2所示。

1.3 制備工藝

將基質(zhì)瀝青加熱到150 ℃左右，然后逐漸加入預(yù)稱量好的多聚磷酸，使用高速剪切乳化機(jī)以3 500 r/min轉(zhuǎn)速進(jìn)行高速剪切，剪切時(shí)間為6 min，即制得多聚磷酸改性瀝青。

2 多聚磷酸改性瀝青高溫性能

2.1 高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

選擇路暢70#A級(jí)和阿爾法70#A級(jí)瀝青，YY-105多聚磷酸的摻量有三種(0.5%、1.0%、1.5%)，基于上文的多聚磷酸改性瀝青制備工藝，制備瀝青后馬上澆注試模，進(jìn)行軟化點(diǎn)和25 ℃針入度試驗(yàn)。瀝青路面在夏季高溫下，路面表面溫度達(dá)到60 ℃以上，因而本文采用60 ℃為掃描溫度，通過DSR進(jìn)行測試，試驗(yàn)基于AASHTO標(biāo)準(zhǔn)TP5-93，采用應(yīng)變式控制模式，試樣應(yīng)變值γ為12%，試驗(yàn)頻率w為10 rad/s，基質(zhì)瀝青選用路暢70#A級(jí)瀝青，多聚磷酸選用YY-105，多聚磷酸摻加劑量為0%、0.5%、1.0%和1.5%。常規(guī)試驗(yàn)和DSR試驗(yàn)得到的高溫性能指標(biāo)結(jié)果分別如圖1～4所示。

圖1 不同摻量多聚磷酸下的瀝青軟化點(diǎn)曲線圖

圖2 不同摻量多聚磷酸下的瀝青針入度曲線圖

圖3 不同摻量多聚磷酸下的瀝青車轍因子曲線圖

圖4 不同摻量多聚磷酸下的瀝青相位角曲線圖

由圖1～4可知：

(1)加入多聚磷酸后，瀝青的高溫性能得到改善，且隨著多聚磷酸摻量增加，高溫性能改善得更加顯著。此外從四張圖中均可以看出，多聚磷酸在0～1.0%摻量范圍內(nèi)，曲線呈現(xiàn)遞增或者遞減；在1.0%處，曲線均有拐點(diǎn)；>1.0%后曲線的變化趨勢趨于平緩，說明多聚磷酸的最佳摻量在1.0%左右。

(2)當(dāng)多聚磷酸種類相同時(shí)，同一多聚磷酸摻量時(shí)，多聚磷酸對(duì)阿爾法基質(zhì)瀝青的高溫性能改善效果略好于路暢基質(zhì)瀝青。

(3)隨著多聚磷酸摻量的增加，改性瀝青的抗車轍因子逐漸增大，這說明多聚磷酸能夠顯著提高瀝青的高溫穩(wěn)定性。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是加入多聚磷酸后，瀝青的重均分子量、數(shù)均分子量和分散系數(shù)均有不同程度的明顯提高[5]。在微觀上抵抗剪切變形能力越強(qiáng)，被多聚磷酸改性后的瀝青其抗車轍因子就增大，高溫性能得到明顯改善，且隨著多聚磷酸摻量增加車轍因子越大，高溫性能得到進(jìn)一步提高[6]。

(4)隨著多聚磷酸摻量的增加，改性瀝青的相位角逐漸減小，這說明多聚磷酸的增加改善了瀝青膠漿的彈性性能。

2.2 高溫性能指標(biāo)之間的相關(guān)性

(1)60 ℃抗車轍因子與25 ℃針入度的關(guān)系見圖5。

圖5 60 ℃抗車轍因子與針入度關(guān)系示意圖

從圖5可以得出，60 ℃抗車轍因子與25 ℃針入度相關(guān)性R2=0.800 5>0.8，說明相關(guān)性良好。

(2)60 ℃抗車轍因子與軟化點(diǎn)的關(guān)系見圖6。

從圖6可以得出，60℃抗車轍因子與軟化點(diǎn)相關(guān)性R2=0.938 6>0.8，說明相關(guān)性良好。

3 多聚磷酸改性瀝青低溫性能

目前，關(guān)于瀝青結(jié)合料低溫性能主要通過脆點(diǎn)試驗(yàn)、延度試驗(yàn)和彎曲流變?cè)囼?yàn)來評(píng)價(jià)。本文采用延度試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同摻量多聚磷酸下的瀝青低溫延度曲線圖

由圖7可知：

(1)加入多聚磷酸后，兩種基質(zhì)瀝青的10 ℃延度都明顯下降，且隨著摻量的增加，延度越低。多聚磷酸摻量從0到0.5%時(shí)曲線下降顯著；摻量從0.5%到1.0%時(shí)曲線下降幅度變緩。此外，摻量從1.0%到1.5%時(shí)，延度明顯偏低，有時(shí)候延度試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象，說明多聚磷酸摻量不宜超過1.0%。

(2)當(dāng)多聚磷酸種類相同，同一摻量時(shí)，多聚磷酸對(duì)阿爾法基質(zhì)瀝青低溫性能的負(fù)面作用比路暢基質(zhì)瀝青相對(duì)更小。

4 多聚磷酸改性瀝青感溫性能

有研究表明[5]，在針入度評(píng)價(jià)體系中表述瀝青性能適用溫度的范圍較窄，用PI評(píng)價(jià)改性瀝青感溫性能時(shí)，PI值仍有較大的差異，變異系數(shù)較高，因此對(duì)于多聚磷酸改性瀝青及其復(fù)配改性瀝青并不適用。SHRP提出了一套基于DSR性能測試，用來表征瀝青使用性能的試驗(yàn)方法——復(fù)數(shù)模量指數(shù)法(GTS)，它是利用DSR來測定瀝青在中、高溫區(qū)的感溫性能。

復(fù)數(shù)模量指數(shù)是由G*回歸得到的，縱坐標(biāo)用G*的雙對(duì)數(shù)，橫坐標(biāo)為絕對(duì)溫度T的對(duì)數(shù)，做出關(guān)系圖，從而回歸求出GTS。而lglgG*和lgT有很好的線性關(guān)系，如式1所示：

lglgG*=GTS·lgT+C

(1)

式中：G*——復(fù)數(shù)剪切模量，Pa；

T——試驗(yàn)溫度，以絕對(duì)溫度表示，K；

C——常數(shù)；

GTS——復(fù)數(shù)模量指數(shù)，表示瀝青在高、中溫區(qū)的感溫性。

根據(jù)式1可知用雙對(duì)數(shù)G*回歸計(jì)算才得到GTS，所以在試驗(yàn)進(jìn)行中，基于DSR對(duì)每個(gè)溫度處G*的測試誤差相對(duì)整個(gè)GTS指標(biāo)值影響相對(duì)較小。綜上所述，通過G*回歸計(jì)算得到的復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS比針入度指數(shù)PI去評(píng)價(jià)瀝青混合料的感溫性能更加科學(xué)、可靠。

因?yàn)槌叵聻r青粘稠度相對(duì)較大，而夏季時(shí)，路面溫度可達(dá)60 ℃以上，因此本文研究60 ℃～72 ℃時(shí)瀝青混合料的感溫性能。試樣配制、制樣過程同60 ℃溫度掃描，基質(zhì)瀝青為路暢70#A級(jí)瀝青，多聚磷酸采用YY-105，DSR掃描結(jié)果如表3所示。

根據(jù)掃描結(jié)果，基于公式1求出GTS，具體數(shù)據(jù)如表4和圖8所示。

圖8 多聚磷酸改性瀝青l(xiāng)gT-lglgG*關(guān)系示意圖

由表4和圖8可知：

(1)隨著多聚磷酸摻量的增加，復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS的絕對(duì)值逐漸變小，直線趨于平穩(wěn)，瀝青感溫性能得到改善。這表明隨著多聚磷酸增加，GTS受溫度影響的變化趨勢減小。從表4可知，|-6.331 4|>|-5.565 7|>|-4.667 5|>|-4.470 4|，隨著多聚磷酸增加，曲線斜率絕對(duì)值越小。瀝青感溫性能得到改善的原因是由于加入多聚磷酸后，瀝青變粘稠，打破了瀝青質(zhì)團(tuán)簇，這樣瀝青質(zhì)在瀝青軟組分中的分散度得到增強(qiáng)，這些分散的瀝青質(zhì)之間能夠形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)，使瀝青高溫性能得到改善，進(jìn)而使瀝青的感溫性能也得到改善[5]。

(2)多聚磷酸摻量從0到1.0%時(shí)，GTS降幅相對(duì)較大；多聚磷酸摻量>1.0%后，GTS降幅相對(duì)較小。多聚磷酸摻量從0～1.5%，GTS的絕對(duì)值減小值依次分別為12.1%、26.3%、29.4%。另外，多聚磷酸摻量從0～1.0%，GTS降幅逐漸增大，而多聚磷酸摻量>1.0%后，GTS降幅變化趨勢相對(duì)平緩，這說明多聚磷酸的最佳摻量為1.0%左右。

5 多聚磷酸改性瀝青老化性能

5.1 老化性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究分別基于旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)和DSR來評(píng)價(jià)多聚磷酸改性瀝青的短期老化性能。試驗(yàn)選取YY-105多聚磷酸對(duì)瀝青進(jìn)行改性，多聚磷酸摻量為0%、0.5%、1.0%和1.5%，基質(zhì)瀝青為路暢70#A級(jí)瀝青，研究其老化后性能指標(biāo)，探討多聚磷酸對(duì)瀝青老化性能的影響。具體的試驗(yàn)結(jié)果如圖9～13所示。

圖9 老化前后軟化點(diǎn)差對(duì)比曲線圖

圖10 老化前后針入度比變化曲線圖

圖11 老化前后抗車轍因子G*/sinδ對(duì)比曲線圖

圖12 老化前后相位角對(duì)比曲線圖

圖13 老化前后復(fù)數(shù)剪切模量G*對(duì)比曲線圖

由圖9～13可知：

(1)隨著多聚磷酸摻量的增加，改性瀝青老化后軟化點(diǎn)均高于老化前，老化前后瀝青軟化點(diǎn)差呈現(xiàn)降低的趨勢，瀝青抗老化性能有所提高。

(2)隨著多聚磷酸摻量的增加，改性瀝青老化后的針入度指標(biāo)不斷降低，但老化前后針入度比逐漸增大，說明多聚磷酸可明顯改善瀝青抗老化能力。并且當(dāng)多聚磷酸摻量達(dá)到1.0%后，針入度比曲線有變緩的趨勢。

(3)老化后改性瀝青的抗車轍因子相比老化前增大，且隨著多聚磷酸摻量增加，老化后改性瀝青的抗車轍因子也逐漸增大。并且當(dāng)多聚磷酸為1.0%時(shí)，曲線有拐點(diǎn)，且當(dāng)多聚磷酸>1.0%后，曲線變得相對(duì)緩慢，說明多聚磷酸摻量不宜超過1.0%。

(4)老化后改性瀝青的相位角相比老化前減小，且隨著多聚磷酸摻量增加，老化后瀝青的相位角也逐漸減小。并且在0.5%～1.0%時(shí)，曲線下降變化趨勢較大，而在1.0%～1.5%時(shí)，曲線下降幅度變緩，說明多聚磷酸摻量在0.5%～1.0%比較合適。

(5)老化后改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量相比老化前增大，且隨著多聚磷酸摻量的增加，老化后瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量也逐漸增大。由于復(fù)數(shù)剪切模量與抗車轍因子有正比例的關(guān)系，從側(cè)面也驗(yàn)證了多聚磷酸增強(qiáng)了瀝青的高溫性能，使瀝青的抗老化能力增強(qiáng)。

5.2 老化性能指標(biāo)之間的相關(guān)性

基于DSR老化后的60 ℃抗車轍因子與老化后的針入度和軟化點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性分析。

(1)老化后抗車轍因子與老化后針入度相關(guān)性分析見圖14。

圖14 老化后60 ℃抗車轍因子與25 ℃針入度關(guān)系示意圖

從圖14可以得出，老化后60 ℃抗車轍因子與老化后25 ℃針入度相關(guān)性R2為0.903 6，說明相關(guān)性良好。

(2)老化后抗車轍因子與老化后軟化點(diǎn)相關(guān)性分析見圖15。

圖15 老化后60 ℃抗車轍因子與25 ℃軟化點(diǎn)關(guān)系示意圖

從圖15可以得出，老化后60 ℃抗車轍因子與老化后軟化點(diǎn)相關(guān)性R2為0.923 2，說明相關(guān)性良好。

6 結(jié)語

(1)加入多聚磷酸后，高溫性能、感溫性能和抵抗永久變形能力、抗老化性能均得到改善，但其低溫性能會(huì)降低。

(2)通過高溫性能指標(biāo)相關(guān)性分析表明，回歸直線的相關(guān)系數(shù)R2接近1，老化前后抗車轍因子與針入度和軟化點(diǎn)的相關(guān)性均良好。

(3)兼顧瀝青的綜合性能，多聚磷酸改性基質(zhì)瀝青時(shí)，最佳摻量在0.5%～1.0%合適。另外，基質(zhì)瀝青低溫性能較好，多聚磷酸的摻加劑量可靠近1%左右，這樣制備得到的多聚磷酸改性瀝青的高溫、感溫、抗老化、抗流變等性能都會(huì)在一定程度上得到改善。