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

國外對于多聚磷酸改性瀝青的研究開始于20世紀80年代，被美國公路戰略研究計劃用來提高瀝青流變性能和軟化點指標，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，之后當PG-PLUS證實多聚磷酸對瀝青粘彈性和延展性有較強的改善效果，多聚磷酸開始被廣泛作為改性劑應用于瀝青改性中，以提高瀝青性能。在20世紀90年代后期，SBS和多聚磷酸開始成為應用最多的瀝青改性劑[1]。Zhang Feng等對多聚磷酸改性瀝青的老化性能進行了研究，并建立以軟化點為參數的老化動力學模型，分析基質瀝青以及多聚磷酸改性瀝青老化的動力學過程，發現與基質瀝青相比，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研討會上指出，多聚磷酸可以改善瀝青的水敏感性，同時對瀝青粘附性基本沒有不利影響，另外其對比不同類型的瀝青性能后發現PPA可以提高瀝青的粘附性、儲存穩定性以及高溫性能[3]。SerjiAmirkhanian等人經過研究認為，采用10%～40%橡膠粉摻量的瀝青，可以和多聚磷酸反應得到最高黏度值的瀝青，同時在集料中減少1%的添加劑所產生的不利影響，可以通過增加0.5%的PPA摻量抵消[4]。

縱觀國內外學者基于多聚磷酸改性瀝青性能的研究情況，大致認為多聚磷酸能顯著改善瀝青結合料的高溫性能、抗老化性能、存儲穩定性、抗車轍能力等，但對其低溫性能和相關性能評價指標之間的相關性研究相對較少。故本文對不同摻量、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行研究，并且與基質瀝青進行對比分析，揭示不同摻量、不同種類多聚磷酸對瀝青高溫性能、感溫性、低溫性能以及抗老化性能的改性效果，同時確定其最佳摻配比。

1 試驗材料及制備工藝

1.1 瀝青

本文試驗過程采用阿爾法(江陰)瀝青有限公司提供70#A級基質瀝青(阿爾法70#)和山東東明石化集團生產的路暢70#A級瀝青(路暢70#)，其技術指標如表1所示。

1.2 多聚磷酸

本文試驗選用廣西越洋化工實業集團生產的105%多聚磷酸(YY-105)，其具體指標如表2所示。

1.3 制備工藝

將基質瀝青加熱到150 ℃左右，然后逐漸加入預稱量好的多聚磷酸，使用高速剪切乳化機以3 500 r/min轉速進行高速剪切，剪切時間為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 高溫性能評價指標

選擇路暢70#A級和阿爾法70#A級瀝青，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，進行軟化點和25 ℃針入度試驗。瀝青路面在夏季高溫下，路面表面溫度達到60 ℃以上，因而本文采用60 ℃為掃描溫度，通過DSR進行測試，試驗基于AASHTO標準TP5-93，采用應變式控制模式，試樣應變值γ為12%，試驗頻率w為10 rad/s，基質瀝青選用路暢70#A級瀝青，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%。常規試驗和DSR試驗得到的高溫性能指標結果分別如圖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，曲線呈現遞增或者遞減；在1.0%處，曲線均有拐點；>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)當多聚磷酸種類相同時，同一多聚磷酸摻量時，多聚磷酸對阿爾法基質瀝青的高溫性能改善效果略好于路暢基質瀝青。

(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定性。出現這種結果的原因是加入多聚磷酸后，瀝青的重均分子量、數均分子量和分散系數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，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 高溫性能指標之間的相關性

(1)60 ℃抗車轍因子與25 ℃針入度的關系見圖5。

圖5 60 ℃抗車轍因子與針入度關系示意圖

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

(2)60 ℃抗車轍因子與軟化點的關系見圖6。

從圖6可以得出，60℃抗車轍因子與軟化點相關性R2=0.938 6>0.8，說明相關性良好。

3 多聚磷酸改性瀝青低溫性能

目前，關于瀝青結合料低溫性能主要通過脆點試驗、延度試驗和彎曲流變試驗來評價。本文采用延度試驗來評價瀝青混合料的低溫性能，試驗結果如圖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%時曲線下降顯著；摻量從0.5%到1.0%時曲線下降幅度變緩。此外，摻量從1.0%到1.5%時，延度明顯偏低，有時候延度試驗會出現脆斷現象，說明多聚磷酸摻量不宜超過1.0%。

(2)當多聚磷酸種類相同，同一摻量時，多聚磷酸對阿爾法基質瀝青低溫性能的負面作用比路暢基質瀝青相對更小。

4 多聚磷酸改性瀝青感溫性能

有研究表明[5]，在針入度評價體系中表述瀝青性能適用溫度的范圍較窄，用PI評價改性瀝青感溫性能時，PI值仍有較大的差異，變異系數較高，因此對于多聚磷酸改性瀝青及其復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方法——復數模量指數法(GTS)，它是利用DSR來測定瀝青在中、高溫區的感溫性能。

復數模量指數是由G*回歸得到的，縱坐標用G*的雙對數，橫坐標為絕對溫度T的對數，做出關系圖，從而回歸求出GTS。而lglgG*和lgT有很好的線性關系，如式1所示：

lglgG*=GTS·lgT+C

(1)

式中：G*——復數剪切模量，Pa；

T——試驗溫度，以絕對溫度表示，K；

C——常數；

GTS——復數模量指數，表示瀝青在高、中溫區的感溫性。

根據式1可知用雙對數G*回歸計算才得到GTS，所以在試驗進行中，基于DSR對每個溫度處G*的測試誤差相對整個GTS指標值影響相對較小。綜上所述，通過G*回歸計算得到的復數模量指數GTS比針入度指數PI去評價瀝青混合料的感溫性能更加科學、可靠。

因為常溫下瀝青粘稠度相對較大，而夏季時，路面溫度可達60 ℃以上，因此本文研究60 ℃～72 ℃時瀝青混合料的感溫性能。試樣配制、制樣過程同60 ℃溫度掃描，基質瀝青為路暢70#A級瀝青，多聚磷酸采用YY-105，DSR掃描結果如表3所示。

根據掃描結果，基于公式1求出GTS，具體數據如表4和圖8所示。

圖8 多聚磷酸改性瀝青lgT-lglgG*關系示意圖

由表4和圖8可知：

(1)隨著多聚磷酸摻量的增加，復數模量指數GTS的絕對值逐漸變小，直線趨于平穩，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，打破了瀝青質團簇，這樣瀝青質在瀝青軟組分中的分散度得到增強，這些分散的瀝青質之間能夠形成穩定的空間網絡，使瀝青高溫性能得到改善，進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，GTS降幅相對較大；多聚磷酸摻量>1.0%后，GTS降幅相對較小。多聚磷酸摻量從0～1.5%，GTS的絕對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 老化性能評價指標

本研究分別基于旋轉薄膜加熱試驗(RTFOT)和DSR來評價多聚磷酸改性瀝青的短期老化性能。試驗選取YY-105多聚磷酸對瀝青進行改性，多聚磷酸摻量為0%、0.5%、1.0%和1.5%，基質瀝青為路暢70#A級瀝青，研究其老化后性能指標，探討多聚磷酸對瀝青老化性能的影響。具體的試驗結果如圖9～13所示。

圖9 老化前后軟化點差對比曲線圖

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對比曲線圖

圖12 老化前后相位角對比曲線圖

圖13 老化前后復數剪切模量G*對比曲線圖

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均高于老化前，老化前后瀝青軟化點差呈現降低的趨勢，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。并且當多聚磷酸摻量達到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。并且當多聚磷酸為1.0%時，曲線有拐點，且當多聚磷酸>1.0%后，曲線變得相對緩慢，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，曲線下降變化趨勢較大，而在1.0%～1.5%時，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數剪切模量相比老化前增大，且隨著多聚磷酸摻量的增加，老化后瀝青的復數剪切模量也逐漸增大。由于復數剪切模量與抗車轍因子有正比例的關系，從側面也驗證了多聚磷酸增強了瀝青的高溫性能，使瀝青的抗老化能力增強。

5.2 老化性能指標之間的相關性

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進行相關性分析。

(1)老化后抗車轍因子與老化后針入度相關性分析見圖14。

圖14 老化后60 ℃抗車轍因子與25 ℃針入度關系示意圖

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

(2)老化后抗車轍因子與老化后軟化點相關性分析見圖15。

圖15 老化后60 ℃抗車轍因子與25 ℃軟化點關系示意圖

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

6 結語

(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，但其低溫性能會降低。

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

(3)兼顧瀝青的綜合性能，多聚磷酸改性基質瀝青時，最佳摻量在0.5%～1.0%合適。另外，基質瀝青低溫性能較好，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、抗流變等性能都會在一定程度上得到改善。