多聚磷酸對瀝青性能影響研究

楊國明，裴曉光，李福起，金吉海

（中海油煉油化工科學研究院（北京）有限公司，北京100000）

多聚磷酸對瀝青性能影響研究

楊國明，裴曉光，李福起，金吉海

（中海油煉油化工科學研究院（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，并對多聚磷酸改性瀝青常規性能指標以及流變性能進行分析，結果表明多聚磷酸的摻入能夠提高瀝青軟化點和脆點，增大瀝青的車轍因子，提升瀝青高溫等級，但會降低蠕變率，損害瀝青低溫性能，多聚磷酸加入量過高，瀝青黏度過大，不利于瀝青泵送及拌合，通過分析瀝青四組分的變化，對多聚磷酸改性機理進行了初步探索，多聚磷酸的加入促使瀝青中的飽和分和膠質向瀝青質轉化，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；改性機理

隨著我國交通運輸業的發展，交通量和汽車軸載迅速增加，瀝青路面病害也相應增多，普通瀝青已不能滿足高等級路面的建設要求，使用改性瀝青，能有效提升瀝青混合料的路用性能，延長路面的使用壽命，改性瀝青種類眾多，應用最為廣泛的是SBS改性瀝青，SBS改性瀝青加工工藝較為復雜，產品儲存穩定性能較差，與SBS改性瀝青相比，多聚磷酸改性瀝青加工工藝簡單，高溫穩定性較好。

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、制藥等行業中有著廣泛的用途，多聚磷酸作為瀝青化學改性劑，在國外已得到一定的研究，美國路易斯安那州一直采用酸改性方法生產30#和40#重交道路瀝青，1992年開始酸改性和酸加聚合物復合改性開始在整個美國推廣應用，這其中多聚磷酸改性應用最為廣泛[1]。隨著傳統SBS改性瀝青的價格不斷上漲，多聚磷酸改性瀝青價格較為低廉，且對瀝青性能的改善效果較為明顯，加工簡單，有著廣泛的應用前景。

目前，國內對于多聚磷酸改性瀝青的研究相對較少，重慶交通大學趙可等[2]研究發現多聚磷酸的加入能夠提升瀝青的抗車轍性能，且對瀝青的低溫及疲勞特性無不良影響，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復配制備改性瀝青，研究發現多聚磷酸能提高改性瀝青的抗老化性能，但同時會降低改性瀝青的低溫性能。也有部分學者[4]研究了多聚磷酸對瀝青流變性能的影響發現，在一定溫度范圍內，多聚磷酸能夠提升瀝青的復數剪切模量和車轍因子，提升其高溫等級。

張恒龍等[5]通過瀝青四組分分析，認為多聚磷酸的加入促進了瀝青膠質向瀝青質的轉化，使得瀝青中的分散相出現明顯的締合，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。曹衛東等[6]則認為多聚磷酸的加入促使瀝青中的部分飽和分轉變為瀝青質，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，利用常規性能分析手段和SHRP分析手段結合，分析多聚磷酸改性瀝青性能，考察多聚磷酸對瀝青性能影響，同時通過對多聚磷酸改性前后瀝青的四組分分布進行分析，探究多聚磷酸改性機理，期望為多聚磷酸改性瀝青的生產研究提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗用基質瀝青為中海油重交50#道路瀝青，其常規性能指標如表1所示。

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

試驗采用TA公司生產的Advanced Rheometer－2000ex型動態剪切流變儀和美國CANNON公司生產的TE-BBR型低溫彎曲梁流變儀，對中海50#道路瀝青PG等級進行分析，結果如表2和表3所示。

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

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

表4 多聚磷酸性能指標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狀態，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，對改性瀝青的常規指標，PG等級及流變性能進行分析，改性瀝青常規指標分析及PG等級分析參照交通部JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程進行。

2 試驗結果與討論

2.1 多聚磷酸對瀝青常規性能指標的影響

對制備的多聚磷酸改性瀝青樣品進行常規性能指標分析，其變化規律如圖1所示。

圖1 多聚磷酸摻量對瀝青常規性能指標影響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，軟化點逐漸升高，說明多聚磷酸的加入提高了瀝青的高溫性能，同時，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，改性瀝青135℃黏度超過了5 000 mPa?s，黏度過大不利于瀝青混合料的拌和及施工，脆點是反映瀝青低溫抗開裂性能的重要指標，脆點越低，表明瀝青的低溫抗開裂性能越好，隨著多聚磷酸摻入量的增加，瀝青脆點逐漸升高，多聚磷酸加量為2.5%時，改性瀝青脆點提高到了-6℃，說明多聚磷酸的加入降低了瀝青低溫抗開裂性能。

2.2 多聚磷酸對瀝青PG等級的影響

2.2.1 多聚磷酸摻量對車轍因子的影響

采用動態剪切流變儀和低溫彎曲梁流變儀對制備的多聚磷酸改性瀝青樣品進行高溫性能和低溫性能分析，其性能指標變化規律如圖2至圖5所示。

由圖2和圖3可知，多聚磷酸摻量對瀝青原樣、旋轉薄膜烘箱試驗（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，高溫等級也從原樣70℃提升到了82℃。

圖2 多聚磷酸摻量對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，瀝青松弛應力的能力越好，低溫性能越好，蠕變率越小，低溫性能越差，當多聚磷酸加量1.5%時，其低溫等級無法達到-22℃，由此可見，多聚磷酸摻加量過高，降低瀝青蠕變率，損害瀝青的低溫性能，降低低溫等級。

2.2.2 多聚磷酸摻量對蠕變勁度和蠕變率的影響

圖4 多聚磷酸摻量對蠕變率的影響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 多聚磷酸改性機理分析

采用氧化鋁層析法對中海50#道路瀝青以及外摻2.0%多聚磷酸的改性瀝青進行了四組分分析，結果如表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中數據我們可以看出，中海50#道路瀝青加入多聚磷酸進行改性后，飽和分和膠質含量降低，膠質含量降低幅度較大，芳香分含量變化不大，瀝青質含量明顯增加，說明多聚磷酸促使瀝青中的飽和分和膠質向瀝青質轉化，在瀝青四種組分里，膠質的基本性質是介于瀝青質和油分之間，相對分子質量較大，化學穩定性差，容易被氧化，多聚磷酸具有強氧化性，促使瀝青膠質氧化，轉化為瀝青質，瀝青質分子量大，穩定性好，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，瀝青中瀝青質含量增加，提升瀝青高溫性能，但同時會使得瀝青變脆，降低其低溫性能。。

3 結論

通過改變多聚磷酸摻量制備改性瀝青，并對制備的樣品進行常規性能和流變性能分析，同時對多聚磷酸改性機理進行了初步探索，所得結論如下。

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

（2）多聚磷酸的加入能夠增加瀝青的布氏黏度，多聚磷酸含量過高，瀝青黏度過大，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，擴大瀝青應用氣候區域。

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

（5）對基質瀝青及多聚磷酸改性瀝青的四組分進行了分析，發現多聚磷酸的加入能改變瀝青四組分比例分布，飽和分和膠質含量降低，瀝青質含量增加，而影響其高低溫性能。

［1］付立強，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，2011．［3］毛三鵬，熊良銓．多聚磷酸在改性瀝青中的應用研究[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．多聚磷酸對不同瀝青的改性及改性機理研究[J]．建筑材料學報，2013，16（2）：255-260．

［6］曹衛東，劉樂民，劉兆平，等．多聚磷酸改性瀝青的試驗研究[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

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