SBS/多聚磷酸復合改性瀝青低溫蠕變特性分析

楊曉林

（甘肅省公路管理局，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

多聚磷酸（Poly Phosphoric Acid）也稱四聚磷酸，是正磷酸（H3PO4）、焦磷酸（H4P2O7）、三聚磷酸（H5P3O10）和四聚磷酸（H6P4O13）的混合液。其分子結構以線型開鏈配置為基礎，形成線型的縮合磷酸。常溫下呈無色透明粘稠狀液體，易潮解，不結晶，具有一定的腐蝕性。早在20世紀70年代，為改善瀝青的路用性能，美國的道路工作者嘗試將多聚磷酸作為瀝青的一種化學改性劑，應用于道路石油瀝青的改性中。一方面，多聚磷酸呈粘稠液體狀態，改性瀝青的生產過程無需特殊的加工設備，對生產溫度也無特殊要求；另一方面，多聚磷酸在瀝青中的摻量較少，與SBS改性瀝青相比可節約其材料與加工成本約30%，多聚磷酸改性瀝青的價格優勢明顯。因此，近年來多聚磷酸改性瀝青的研究受到了越來越多的關注。

多聚磷酸可以顯著改善瀝青的高溫性能，這一點已在國內外相關研究中達成共識。根據郝培文、張銘銘、毛三鵬等人的研究結果，多聚磷酸對瀝青低溫性能有一定的負面影響[1～3]。丁海波采用動態力學分析法考察了多聚磷酸改性瀝青的低溫流變特性，并與菲拉斯脆點進行比較，認為多聚磷酸改性瀝青的低溫性能很大程度上取決于基質瀝青的組分、多聚磷酸的加入使瀝青的低溫勁度增大[4]；曹衛東等認為當多聚磷酸摻量2%時，多聚磷酸的添加對瀝青低溫蠕變模量的影響不顯著[5]；尉燕斌等采用延度指標評價瀝青多聚磷酸改性瀝青的低溫性能，發現多聚磷酸的添加使瀝青的低溫延度顯著下降[6]。為減少多聚磷酸對瀝青低溫性能的損傷，劉紅瑛等采用多聚磷酸與SBS或SBR復配改性瀝青技術，認為多聚磷酸與聚合物復配改性法可以在改善瀝青高溫穩定性的同時，減少多聚磷酸對瀝青低溫性能的損傷，并有效解決SBS改性瀝青在儲存和運輸過程中的離析現象[7]。本文采用低溫蠕變試驗，深入分析多聚磷酸摻量對多聚磷酸/SBS改性劑復合改性瀝青低溫特性的影響，并與SBS改性瀝青相比較，為SBS/多聚磷酸復合改性瀝青的應用和研究提供理論依據。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

本文選用SK90號基質瀝青。基質瀝青四組分及基本性能如表1所示。

表1 SK90基質瀝青技術指標

1.1.2 多聚磷酸

本研究選用工業級的H2PO3含量為105%的多聚磷酸作為改性劑，其主要技術性能如表2所示。

表2 多聚磷酸技術指標

1.1.3 SBS 改性劑

SBS改性劑采用岳陽石化1301（YH791），其技術指標如表3所示。

表3 岳陽石化1301技術指標

1.2 SBS/多聚磷酸復合改性瀝青制備方法

1.2.1 SBS 改性瀝青制備

采用剪切研磨法制備SBS改性瀝青。其加工工藝為：基質瀝青加熱至180℃，加入增溶劑1%、SBS改性劑4.5%（外摻），以4000轉/分鐘的速率剪切40分鐘，再加入0.1%穩定劑剪切5分鐘，置于160℃恒溫烘箱發育2小時。

1.2.2 SBS/多聚磷酸復合改性瀝青制備

多聚磷酸/SBS復合改性瀝青的生產過程要兼顧兩種材料的特性，一方面要保證SBS改性劑的充分剪切和溶脹而不能使SBS改性劑顆粒過分細小導致降解，另一方面又要保證多聚磷酸能發揮其最佳性能。其制備工藝為：基質瀝青加熱至180℃加入增溶劑1%、SBS改性劑3.5%（外摻），以4000轉/分鐘的速率剪切40分鐘，再加入0.1%穩定劑剪切5分鐘，置于160℃烘箱發育1.5 小時，分別添加 0.4%、0.8%、1.2%、1.6% 多聚磷酸（相對基質瀝青質量、外摻），剪切約10分鐘。

1.3 彎曲梁流變試驗測試方法

彎曲梁流變試驗測試對象為經過短期老化（RTFOT）和長期老化（PAV）的瀝青小梁試樣。一般采用-6℃、-12℃、-18℃、-24℃的測試溫度。試驗過程為對小梁試件進行約300Mp應力蠕變加載，通過不斷增大的應變模擬路面在降溫過程中的溫度應力造成的應變累積。根據粘彈性材料的時溫換算關系，選取蠕變60秒時記錄的蠕變勁度S以及應變變形速率m值代表瀝青在相應測試溫度降低10℃條件下7200秒加載的低溫性能參數，蠕變勁度的計算公式如式（1）。

其中：P—恒定荷載（N）；

l—瀝青試件梁的跨距（mm）；

b—瀝青試件梁的寬度（mm）；

h—瀝青試件梁的高度（mm）；

vt()—瀝青試件梁中點處的變形（mm）。

當瀝青結合料的低溫勁度模量超過相應溫度下的極限勁度模量或應變速率小于規定值，瀝青路面便產生溫縮裂縫。SHRP針對對瀝青結合料低溫性能，規定其蠕變60s的極限勁度模量小于300MPa，應變變形速率大于0.3。

2 試驗結果與分析

2.1 SBS/多聚磷酸復合改性瀝青勁度模量

SBS改性瀝青、SBS/多聚磷酸復合改性瀝青不同溫度下彎曲梁流變試驗蠕變勁度模量測試結果如圖1所示。分析圖1可得到以下結論：

圖1 不同溫度SBS改性瀝青及SBS/多聚磷酸復合改性瀝青低溫蠕變勁度試驗結果

1）基質瀝青、SBS改性瀝青以及SBS/多聚磷酸復合改性瀝青的蠕變勁度模量均隨著試驗溫度的降低而迅速增大；使用曲線斜率表示溫度對蠕變勁度模量的影響程度，溫度越低，曲線斜率越大，說明隨著溫度的降低，瀝青蠕變勁度模量的增長速率變大；基質瀝青、SBS改性瀝青以及SBS/多聚磷酸復合改性瀝青的溫度—蠕變速率曲線接近平行，說明溫度降低對蠕變勁度模量的影響程度相似。

2）在相同的測試溫度下，基質瀝青的蠕變勁度最小、其次為SBS改性瀝青、各多聚磷酸摻量下的SBS/多聚磷酸復合改性瀝青的蠕變勁度均較大，且多聚磷酸摻量越多，SBS/多聚磷酸復合改性瀝青的蠕變勁度模量越大。-6℃時，0.4%、0.8%、1.2% 和 1.6% 多聚磷酸摻量的復合改性瀝青勁度模量分別是4.5%SBS改性瀝青的1.42倍、1.60 倍、2.12 倍 和 2.60 倍；-12℃ 時，0.4%、0.8%、1.2%和1.6%多聚磷酸摻量的復合改性瀝青勁度模量分別是 4.5%SBS 改性瀝青的 1.10 倍、1.21 倍、1.41 倍和1.60 倍；-18 ℃ 時，0.4%、0.8%、1.2% 和 1.6% 多 聚磷酸摻量的復合改性瀝青勁度模量分別是4.5%SBS改性瀝青的 1.11 倍、1.17 倍、1.30 倍和 1.50 倍，這一增長規律說明，盡管復合改性瀝青的蠕變勁度模量隨著多聚磷酸摻量的增加而增大，但其在各溫度條件下的增長幅度不同，測試溫度越高時，勁度模量的增長對多聚磷酸摻量的變化較敏感，而溫度越低，多聚磷酸摻量對復合改性瀝青勁度模量的影響越小；同溫度條件下，摻量對勁度模量增長的影響規律也說明，在多聚磷酸摻量小于0.8%時，SBS/多聚磷酸復合改性瀝青的勁度模量相對于4.5%改性劑摻量的SBS改性瀝青差別不大。

2.2 SBS/多聚磷酸復合改性瀝青應變變形速率

SBS改性瀝青、SBS/多聚磷酸復合改性瀝青不同溫度下彎曲梁流變試驗應變變形速率測試結果如圖1所示。分析圖1可得到以下結論：

圖2 不同溫度SBS改性瀝青及SBS/多聚磷酸復合改性瀝青應變變形速率試驗結果

SBS改性瀝青、SBS/多聚磷酸復合改性瀝青不同溫度下彎曲梁流變試驗應變變形速率測試結果如圖1所示。分析圖1可得到以下結論：

1）基質瀝青、SBS改性瀝青以及SBS/多聚磷酸復合改性瀝青的應變變形速率均隨著試驗溫度的降低而減小，溫度越低，瀝青材料的應力松弛能力越差；本文所研究的各瀝青溫度—應變變形速率曲線接近平行，說明溫度降低對應變變形速率的影響程度相似。

2）在同一測試溫度下，對比基質瀝青、SBS改性瀝青、SBS/多聚磷酸復合改性瀝青的應變變形速率m值發現；SK90號基質瀝青的應變變形速率最大，其次為改性劑摻量為4.5%的SBS改性瀝青、SBS/多聚磷酸復合改性瀝青的蠕變速率隨著多聚磷酸摻量的增加逐漸減小，可見多聚磷酸的添加使復合改性瀝青的松弛性能變差。多聚磷酸摻量為0.4%時，SBS/多聚磷酸復合改性瀝青的應變速率與4.5%SBS改性瀝青相近，而多聚磷酸摻量大于1.2%后，復合改性瀝青的應變變形速率下降幅度增大，說明多聚磷酸摻量越大，復合改性瀝青低溫下的應力松弛性能越差。

3 結語

1）SBS/多聚磷酸復合改性瀝青的蠕變勁度模量隨溫度的降低而顯著增大，復合改性瀝青的勁度模量大于基質瀝青和SBS改性瀝青，且多聚磷酸摻量越多復合改性瀝青的蠕變勁度模量越大；但隨著測試溫度的進一步降低，多聚磷酸摻量對改性瀝青勁度的影響程度減小。

2）多聚磷酸改性瀝青的應變變形速率值隨著測試溫度降低而逐漸減小，多聚磷酸摻量越大、改性瀝青的應力松弛性能越差。與4.5%SBS摻量的SBS改性瀝青相比，SBS/多聚磷酸復合改性瀝青的應變變形速率減小；在多聚磷酸摻量小于1，2%時，復合改性瀝青的低溫抗裂性能降低較小，超過這一摻量則應變變形速率迅速減小。因此，從低溫性能考慮，復合改性瀝青中多聚磷酸的摻量應小于 1.2%。