基于4 mmDSR的PPA改性瀝青低溫流變性能研究

摘" 要：多聚磷酸（PPA）作為一種常見的瀝青改性劑，其具有顯著的改性效果，尤其是對高溫性能的改善，但對瀝青低溫性能的影響仍存在爭議。為了探究PPA對瀝青低溫流變性能的影響，該文基于4 mmDSR試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，將動態(tài)儲能模量轉(zhuǎn)化為靜態(tài)松弛模量，以分析評價PPA對瀝青低溫流變性能的影響。研究結(jié)果表明，PPA改性劑的摻入提高瀝青的松弛模量，降低瀝青的低溫松弛速率，使瀝青應力的釋放速率減緩，導致瀝青內(nèi)部應力的積累，降低瀝青的低溫抗裂性能，其中1.5% PPA改性瀝青的影響程度最為顯著。

關鍵詞：瀝青；多聚磷酸；低溫；流變；4 mmDSR

中圖分類號：U414" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0074-04

Abstract： Polyphosphoric acid （PPA）， as a common asphalt modifier， has significant modification effects， especially in improving high-temperature performance， but its impact on low-temperature performance of asphalt is still controversial. In order to explore the effect of PPA on low-temperature rheological properties of asphalt， based on the 4 mmDSR test， this paper converts the dynamic storage modulus into static relaxation modulus based on the test results to analyze and evaluate the effect of PPA on low-temperature rheological properties of asphalt. The research results show that the addition of PPA modifier improves the relaxation modulus of asphalt to varying degrees， reduces the low-temperature relaxation rate of asphalt， slows down the stress release rate of asphalt， leads to the accumulation of internal stress in asphalt， and reduces the low-temperature crack resistance of asphalt. Among them， the influence of 1.5% PPA modified asphalt is the most significant.

Keywords： asphalt; polyphosphoric acid; low temperature; rheology; 4 mmDSR

多聚磷酸（Polyphosphoric acid， 簡稱PPA）改性劑是一種常見的酸性化學改性劑，廣泛應用于改善瀝青的性能，因其具有顯著的性價比而備受關注。相較于傳統(tǒng)的SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）和SBR（聚苯乙烯丁二烯共聚物）改性劑，PPA改性劑在多方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，具體包括性能改善效率高、成本低、改性工藝簡單、存儲穩(wěn)定性良好、與其他聚合物改性劑相容性好等優(yōu)勢。同時，PPA改性劑能夠顯著改善瀝青的高溫抗形變能力，提升瀝青路面的抗車轍性和抗疲勞性，具有廣闊的應用前景。

對于PPA改性瀝青的高溫性能，國內(nèi)外研究者普遍認為PPA能夠有效提高瀝青的高溫性能。馬慶豐、張恒龍等[1-2]的研究結(jié)果表明，在試驗頻率范圍內(nèi)，PPA的摻量越大，復數(shù)模量越大，相位角越小，車轍因子明顯增加，說明PPA能夠有效改善瀝青的模量和高溫抗車轍性能，Gama等[3]的研究也有類似結(jié)果。然而，盡管PPA改性瀝青在高溫性能上表現(xiàn)優(yōu)異，但在低溫性能方面卻存在爭議。Ye、Rossi、付力強等[4-6]研究了PPA改性瀝青改性前后瀝青的低溫性能變化，其結(jié)果表明PPA能夠提高瀝青的低溫抗裂性能。曹衛(wèi)東等[7]通過方差分析PPA摻量對改性瀝青低溫性能的影響，其結(jié)果表明PPA對瀝青低溫性能的影響不顯著。趙可等[8]采用瀝青彎曲梁流變試驗對PPA改性瀝青低溫性能進行研究，其結(jié)果表明當PPA摻量不足1.2%時，PPA對瀝青低溫性能的影響不顯著，當摻量超過1.2%時，PPA會降低瀝青的低溫抗裂性能。Wei等[9]研究了PPA改性瀝青改性前后瀝青的低溫性能變化，其結(jié)果表明PPA會降低瀝青的低溫抗裂性能。然而，良好的性能是保證瀝青材料服役性能的重要條件，瀝青路面往往會因為低溫收縮、開裂等問題而嚴重影響其使用性能和安全性能。因此，提高瀝青的低溫性能，防止其在低溫環(huán)境下出現(xiàn)開裂、變形等病害，對于保障道路暢通和行車安全具有重要意義。

此外，本研究引入一種更全面和高效的瀝青低溫流變性能測試方法[10]，即在動態(tài)剪切流變儀（DSR）上使用4 mm平行板，進行機器合規(guī)性的校準后，可直接測量瀝青的低溫流變性能。相較于常用的BBR試驗，4 mmDSR試驗所需瀝青試樣較少，約25 mg，且能夠快速獲取多種溫度和頻率下的流變性能數(shù)據(jù)，顯著提高測試效率。通過4 mmDSR試驗能夠提供詳細的流變性能數(shù)據(jù)，幫助研究人員深入理解改性劑對瀝青性能的影響機制，進而優(yōu)化改性配方，進一步提高結(jié)果的準確性和可靠性。

基于此，本研究專注于4 mmDSR試驗，對不同摻量下的PPA改性瀝青進行頻率掃描，以探究其低溫流變性能。同時促進4 mmDSR試驗在瀝青中的推廣應用，為瀝青的低溫流變性能的研究提供科學依據(jù)和理論支持。

1" 原材料與試驗方法

1.1" 原材料

本研究瀝青選用殼牌70#瀝青，其技術指標見表1。

1.2" PPA改性瀝青的制備

本研究試驗所用多聚磷酸改性瀝青的制備方法如下。

1）確定瀝青用量與多聚磷酸改性劑的摻量（0.5%、1.0%、1.5%）；

2）將盛有瀝青試樣的燒杯放入烘箱中加熱至163 ℃，之后放入163 ℃的恒溫磁力油浴鍋中；

3）啟動高速攪拌機，使瀝青在800 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌均勻，并同時緩慢加入多聚磷酸改性劑，其中攪拌機為四葉恒速攪拌機；

4）待多聚磷酸改性劑完全加入，保持油浴溫度與攪拌轉(zhuǎn)速不變，繼續(xù)攪拌30 min；

5）制備完成后，將瀝青放在室溫下靜置冷卻。

1.3" DSR試驗

由于瀝青具有黏彈的特性，荷載的輸入與響應存在一個介于0～90°的相位差。因此，為了保證荷載輸入端剪切應變振幅處于瀝青的線性黏彈區(qū)間內(nèi)，在進行DSR試驗之前，需通過相同加載溫度與頻率下的振幅掃描試驗，確定不同條件下瀝青的線性黏彈區(qū)間，使其復數(shù)模量、相位角、儲存模量、損耗模量和復合黏度等性能參數(shù)的研究在瀝青變形處于線性黏彈區(qū)內(nèi)進行。這是因為只有在線性黏彈區(qū)間內(nèi)，動態(tài)剪切模量僅受加載溫度和頻率的影響，而不受應力或者應變值的影響。SHRP研究結(jié)果表明，復數(shù)模量降低為初始值的95%時的應變或應力為極限值。對此，本研究在進行瀝青結(jié)合料、瀝青膠漿流變試驗之前，將確定其不同條件下的線性黏彈區(qū)間，且控制發(fā)生應變在此范圍之內(nèi)。

因此，本研究通過連續(xù)改變單一溫度且恒定振幅下的加載頻率進行掃描，試驗采用4 mm平行板，試驗間隙為2 mm，根據(jù)試樣的線性黏彈范圍，瀝青采用0.1%應變控制，試驗溫度選取-5、-15 ℃，試驗頻率為0.1～100 rad/s。

1.4" 時溫等效原理

瀝青作為一種黏彈性材料，其力學行為具有典型時間、溫度依賴性。其時間和溫度的力學響應具有等效性，即同一模量值可由高溫高頻測試得到，也可由低溫低頻測試得到。根據(jù)時溫等效原理，基于WLF方程可將某一試驗溫度對應的模量-頻率曲線平移至參考溫度，可以獲取瀝青試樣在更寬頻率范圍內(nèi)的模量主曲線。WLF方程為

lgαT= ， （1）

式中：αT為移位因子；C1、C2為材料常數(shù)；T為試驗溫度；T0為參考溫度。

1.5" 線性黏彈力學指標的轉(zhuǎn)化

對于黏彈性材料，在其線性黏彈范圍內(nèi)，動態(tài)力學指標與靜態(tài)力學指標可通過一定關系轉(zhuǎn)化。Riande等[11]提出基于G′（ω）的簡單轉(zhuǎn)化公式，如式（2）。然后Christensen等[12]對其進行了改進，并對公式進行了驗證，如式（3）。

G（t）≈G'（ω）|ω=1/t ， （2）

G（t）≈G'（ω）|ω=2/πt 。 （3）

對此，本研究基于4 mmDSR試驗，根據(jù)低溫頻率掃描得出的試驗數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為靜態(tài)松弛模量，從而探究不同摻量下PPA對瀝青低溫流變性能的影響。

2" 結(jié)果與討論

2.1" PPA改性瀝青儲能模量分析

本研究基于4 mmDSR試驗，對基質(zhì)瀝青與不同摻量的PPA改性瀝青的低溫性能進行測試，并根據(jù)最終得出的評價指標松弛模量G（60 s）、松弛速率mr（60 s），以分析評價PPA對瀝青低溫流變性能的影響。根據(jù)低溫頻率掃描試驗結(jié)果，通過WLF非線性方程進行擬合，計算出移位因子，其結(jié)果見表2。同時以-15 ℃為參考溫度建立儲能模量的主曲線，并基于二次方程lgG（t）=a×lgt+b×lgt+c對松弛模量主曲線進行擬合，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，瀝青的儲能模量水平隨PPA摻量不斷上升，其中0.5%、1.0%PPA改性瀝青的儲能模量較為接近，1.5%PPA改性瀝青的儲能模量提升幅度更為明顯。此外，在不同試驗頻率下，3種PPA改性瀝青的儲能模量提升較為均勻。可以看出，PPA改性劑的摻入提高了瀝青在低溫下的彈性，尤其是在高摻量下。

2.2" PPA改性瀝青低溫流變性能分析

瀝青作為黏彈性材料，在其線黏彈區(qū)范圍內(nèi)，基于頻率域和時間域試驗數(shù)據(jù)計算得到的黏彈性指標可通過力學松弛譜進行相互轉(zhuǎn)換。因此，本文基于Christensen改進的頻率域模量向時間域模量轉(zhuǎn)化的公式（3），將儲能模量主曲線G′（ω）轉(zhuǎn)化為松弛模量G（t）主曲線，并基于二次方程lgG（t）=a×lgt+b×lgt+c對松弛模量主曲線進行擬合，得到的擬合結(jié)果如圖2、表3所示。

松弛模量越大、松弛速率絕對值越小，表明材料在面對荷載時，無法快速有效地將應力釋放，其應力松弛的過程減緩，從而導致瀝青低溫抗裂性能下降。由圖2可知，基質(zhì)瀝青的松弛模量水平最小，PPA改性劑的摻入提高了瀝青的松弛模量水平，當摻量為1.5%時，瀝青的松弛模量水平明顯提高，容易導致瀝青在低溫條件下出現(xiàn)裂縫。為進一步評價PPA對瀝青低溫流變性能的影響，基于上述擬合結(jié)果，可計算不同瀝青在60 s時的松弛模量指標G（60 s）和松弛速率指標mr（60 s），計算結(jié)果見表4。

隨著PPA改性劑摻量的提高，瀝青的松弛模量指標不斷增加，其中摻量為1.5%時，提升幅度顯著增加。相較于基質(zhì)瀝青，0.5%、1.0%、1.5%PPA改性瀝青的松弛模量分別提高了27.2%、36.5%、94.5%，0.5%、1.0%PPA改性瀝青的松弛模量指標較為接近，松弛模量指標變化幅度較低。然而，隨著PPA改性劑的摻量增加至1.5%時，瀝青的松弛模量指標明顯增加。此外，從松弛速率指標上看，不同摻量的PPA改性瀝青的松弛速率指標之間的差值相對較小，而相較于基質(zhì)瀝青，PPA的摻入明顯降低了瀝青的低溫松弛能力。PPA的摻量越高，松弛模量越大，松弛速率的絕對值越小，說明了PPA的摻入降低了瀝青的低溫松弛速率，應力的釋放速率減緩，導致瀝青內(nèi)部應力的積累，降低了瀝青的低溫抗裂性能。

3" 結(jié)論

本研究通過4 mmDSR試驗分析了PPA改性瀝青的低溫流變性能，主要結(jié)論如下。

1）通過對比不同瀝青試樣的儲能模量，PPA的摻入提高了瀝青的儲能模量，PPA改性瀝青黏性減弱，表現(xiàn)出更多的彈性，其摻量越大越明顯。

2）通過對比不同瀝青試樣的松弛模量，PPA的摻入提高了瀝青的松弛模量，即PPA改性瀝青更容易積累內(nèi)部應力。

3）通過對比不同瀝青試樣的松弛速率，PPA的摻入降低了瀝青的松弛速率，使得PPA改性瀝青應力的釋放速率減緩，導致瀝青內(nèi)部應力的積累，降低了瀝青的低溫抗裂性能。

4）綜上所述，PPA的摻入降低了瀝青的低溫抗裂性能。其中0.5%、1.0%PPA改性瀝青的低溫抗裂性能差異較小，1.5%PPA改性瀝青的低溫抗裂性能則出現(xiàn)明顯下降。

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