多聚磷酸改性瀝青低溫性能研究

王慧峰

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030012）

研究表明，PPA 能夠有效地改善瀝青的高溫性能，并且PPA 改性瀝青的制備工藝簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)穩(wěn)定性良好，價(jià)格低廉，因此該改性瀝青受到了研究者們?cè)絹?lái)越多的重視[1]。然而，目前關(guān)于PPA 對(duì)瀝青低溫性能的影響眾說(shuō)紛紜，難以得出統(tǒng)一的結(jié)論[2]。本文通過(guò)BBR 試驗(yàn)，采用低溫臨界溫度、蠕變勁度S 及蠕變速率M 來(lái)評(píng)價(jià)PPA 摻量對(duì)PPA 改性瀝青低溫性能的影響，并同基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青進(jìn)行性能對(duì)比。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

該研究所采用的PPA 為上海某化工有限公司生產(chǎn)的分析純AR 級(jí)別PPA，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1 所示。PPA 為無(wú)機(jī)質(zhì)子酸，有腐蝕性，常溫時(shí)無(wú)色透明，呈糖漿狀，50 ℃～60 ℃時(shí)具備流動(dòng)性，低溫時(shí)則凝固成玻璃狀。PPA 能溶解多種有機(jī)物，在有機(jī)合成中常被用作失水劑、環(huán)化劑、酸化劑等，是縮合、環(huán)化、重排、取代等反應(yīng)的催化劑或溶劑[3]。其分子式為Hn+2PnO3n+1。

表1 PPA 技術(shù)指標(biāo)

該試驗(yàn)所選用的瀝青為市場(chǎng)廣泛使用的SK70號(hào)瀝青，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2 所示。所采用的SBS 改性瀝青為市售成品改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3 所示。

表2 SK70 號(hào)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表3 SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 PPA 改性瀝青的制備

PPA 能與瀝青組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，PPA 改性瀝青制備不需要復(fù)雜的工藝，且該改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性好。PPA 改性瀝青的具體制備工藝為：首先將基質(zhì)瀝青加熱到165 ℃～170 ℃，然后將一定質(zhì)量的PPA 加入到基質(zhì)瀝青中進(jìn)行攪拌，大約攪拌30 min。

1.3 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

本文采用瀝青蠕變勁度試驗(yàn)評(píng)價(jià)PPA 改性瀝青的低溫性能。該試驗(yàn)由美國(guó)SHRP 計(jì)劃提出并推薦，與延度等經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)不同，該試驗(yàn)從力學(xué)角度評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能。目前該試驗(yàn)已成為評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的主要方法。

BBR 試驗(yàn)以蠕變勁度S 和蠕變勁度變化率M作為主要參數(shù)。AASHTO 規(guī)范規(guī)定，為了控制瀝青路面的低溫開(kāi)裂，瀝青的S 應(yīng)該不大于300 MPa，而M應(yīng)該不小于0.3。由于AASHTO 對(duì)于瀝青的低溫分級(jí)跨度較大，不能有效地區(qū)分瀝青的低溫性能，因此本文采用S 和M 共同確定的臨界溫度作為PPA 改性瀝青低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中S 和M 的臨界溫度由線性回歸確定，分別表示為T(mén)L,S和TL,M；而S 和M 共同確定的低溫臨界溫度（TLC）由TL,S和TL,M的最大值決定，該指標(biāo)綜合考慮了蠕變勁度S 和蠕變速率M 對(duì)瀝青低溫性能的控制影響。

研究表明，PPA 的摻量通常在0.5%～1.5%之間（以基質(zhì)瀝青質(zhì)量為基準(zhǔn)）[2]。本文分別研究0.5%、0.75%、1%、1.25%、1.5%五種PPA 摻量的改性瀝青的低溫性能。其中，SBS 改性瀝青中SBS 的摻量為4%。為更好地評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫性能，試驗(yàn)所采用的瀝青均通過(guò)旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)（RTFOT）進(jìn)行短期老化。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

PPA 改性瀝青的BBR 試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可以發(fā)現(xiàn)，在所有的試驗(yàn)溫度下，隨著PPA 摻量的提高，PPA 改性瀝青的蠕變勁度S呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，蠕變速率M 呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，這表明PPA 顯著提高了基質(zhì)瀝青的低溫性能。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，PPA 摻量較低時(shí)，改性瀝青蠕變勁度S 和蠕變速率M 變化的速度較快，而當(dāng)PPA 摻量較高時(shí)，蠕變勁度S 和蠕變速率M 的變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，這表明PPA 對(duì)基質(zhì)瀝青低溫性能的改善效果只有在摻量較低時(shí)才比較明顯。此外，從蠕變勁度S 和蠕變速率M 隨PPA 摻量變化的曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度越高，曲線間的距離均逐漸擴(kuò)大，表明改性瀝青的低溫性能降低的越多，這進(jìn)一步表明溫度能顯著影響改性瀝青的低溫性能。

AASHTO 中規(guī)定，為減少瀝青路面出現(xiàn)裂縫的幾率，瀝青的蠕變勁度S 應(yīng)不大于300 MPa，同時(shí)蠕變速率M 應(yīng)不小于0.3。從圖1 中可以發(fā)現(xiàn)，在-12 ℃的試驗(yàn)溫度下，PPA 改性瀝青均能滿足這一要求；而當(dāng)試驗(yàn)溫度降低到-18 ℃時(shí)，只有1.5%PPA 摻量的PPA 改性瀝青能滿足AASHTO 規(guī)范的要求；在-24 ℃時(shí)，所有摻量的PPA 改性瀝青均不能滿足規(guī)范要求。這表明只有1.5%PPA 摻量的改性瀝青適用于最低環(huán)境溫度為-28 ℃（試驗(yàn)溫度-18 ℃對(duì)應(yīng)的最低路面設(shè)計(jì)溫度為-28 ℃）。然而從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在-12 ℃和-18 ℃的試驗(yàn)溫度下，SBS 改性瀝青均滿足AASHTO 規(guī)范的要求，只在-24 ℃時(shí)不滿足要求。這表明SBS 改性瀝青適用于最低環(huán)境溫度為-28 ℃。從AASHTO 分級(jí)角度來(lái)看，SBS 改性瀝青和1.5%PPA 改性瀝青具備相同的低溫性能。

圖1 PPA 改性瀝青BBR 試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步研究PPA 改性瀝青的低溫性能，本文對(duì)不同摻量下PPA 改性瀝青的BBR 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了線性回歸，線性回歸公式及相關(guān)性系數(shù)如表4 所示。

表4 BBR 試驗(yàn)結(jié)果線性回歸公式及相關(guān)性系數(shù)

分別將S=300 MPa 及M=0.3 的臨界條件帶入不同摻量下的蠕變勁度S 和蠕變速率M 的線性回歸公式，得出臨界條件下的溫度TL,S和TL,M。為更好地控制瀝青的低溫性能，綜合考慮蠕變勁度S 和蠕變速率M，PPA 改性瀝青的最終臨界溫度TLC取TL,S和TL,M中的較大值。試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 PPA 低溫臨界溫度

從圖2 可以發(fā)現(xiàn)，隨著PPA 摻量的增加，改性瀝青的低溫臨界溫度逐漸降低，表明PPA 改善了基質(zhì)瀝青的低溫性能，和蠕變勁度S 及蠕變速率M 的變化趨勢(shì)相同，PPA 摻量較小時(shí)，改性瀝青的低溫臨界溫度變化較為明顯，而PPA 摻量達(dá)到1.25%時(shí)，改性瀝青的臨界溫度變化不大。因此從臨界溫度來(lái)看，低PPA 摻量能帶來(lái)較為顯著的低溫改善效果。

此外，從臨界溫度結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，只有1.5%PPA 摻量改性瀝青的臨界溫度超過(guò)了-18 ℃，這和蠕變勁度S 及蠕變速率M 反映的PG 分級(jí)結(jié)果相同。然而SBS 改性瀝青的低溫臨界溫度低于1.5%PPA 改性瀝青，表明SBS 改性瀝青低溫性能優(yōu)于1.5%PPA 改性瀝青。這表明低溫臨界溫度能較好地反應(yīng)瀝青的低溫性能。

3 結(jié)論

多聚磷酸（PPA）改性瀝青的低溫臨界溫度、蠕變勁度S 和蠕變速率M 的結(jié)果均表明PPA 能改善基質(zhì)瀝青的低溫性能，并且PPA 摻量越多，其對(duì)基質(zhì)瀝青低溫性能的改善效果越加顯著。但是PPA 改性瀝青的低溫性能不及SBS 改性瀝青，只有1.5%PPA 改性瀝青適用于-28 ℃的最低環(huán)境溫度。

PPA 改性瀝青的臨界溫度在PPA 摻量較少時(shí)變化較為顯著，在PPA 摻量超過(guò)1.25%時(shí)變化不明顯。PPA 改性瀝青的蠕變勁度S 和蠕變速率M 的變化趨勢(shì)和臨界溫度相同。

AASHTO 分級(jí)溫度范圍較寬，基于BBR 試驗(yàn)的低溫臨界溫度可以細(xì)化溫度范圍，能很好地反應(yīng)改性瀝青的低溫性能。