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單，存儲穩(wěn)定性良好，價格低廉，因此該改性瀝青受到了研究者們越來越多的重視[1]。然而，目前關(guān)于PPA 對瀝青低溫性能的影響眾說紛紜，難以得出統(tǒng)一的結(jié)論[2]。本文通過BBR 試驗，采用低溫臨界溫度、蠕變勁度S 及蠕變速率M 來評價PPA 摻量對PPA 改性瀝青低溫性能的影響，并同基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青進行性能對比。

1 原材料與試驗方法

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 級別PPA，其技術(shù)指標見表1 所示。PPA 為無機質(zhì)子酸，有腐蝕性，常溫時無色透明，呈糖漿狀，50 ℃～60 ℃時具備流動性，低溫時則凝固成玻璃狀。PPA 能溶解多種有機物，在有機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、取代等反應的催化劑或溶劑[3]。其分子式為Hn+2PnO3n+1。

表1 PPA 技術(shù)指標

該試驗所選用的瀝青為市場廣泛使用的SK70號瀝青，技術(shù)指標見表2 所示。所采用的SBS 改性瀝青為市售成品改性瀝青，技術(shù)指標見表3 所示。

表2 SK70 號瀝青技術(shù)指標

表3 SBS 改性瀝青技術(shù)指標

1.2 PPA 改性瀝青的制備

PPA 能與瀝青組分發(fā)生化學反應，PPA 改性瀝青制備不需要復雜的工藝，且該改性瀝青的儲存穩(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)瀝青中進行攪拌，大約攪拌30 min。

1.3 試驗方法與指標

本文采用瀝青蠕變勁度試驗評價PPA 改性瀝青的低溫性能。該試驗由美國SHRP 計劃提出并推薦，與延度等經(jīng)驗試驗不同，該試驗從力學角度評價瀝青的低溫性能。目前該試驗已成為評價瀝青低溫性能的主要方法。

BBR 試驗以蠕變勁度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裂，瀝青的S 應該不大于300 MPa，而M應該不小于0.3。由于AASHTO 對于瀝青的低溫分級跨度較大，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價指標。其中S 和M 的臨界溫度由線性回歸確定，分別表示為TL,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，該指標綜合考慮了蠕變勁度S 和蠕變速率M 對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）[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%。為更好地評價改性瀝青的低溫性能，試驗所采用的瀝青均通過旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗（RTFOT）進行短期老化。

2 試驗結(jié)果與分析

PPA 改性瀝青的BBR 試驗結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可以發(fā)現(xiàn)，在所有的試驗溫度下，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，蠕變速率M 呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，這表明PPA 顯著提高了基質(zhì)瀝青的低溫性能。同時可以發(fā)現(xiàn)，PPA 摻量較低時，改性瀝青蠕變勁度S 和蠕變速率M 變化的速度較快，而當PPA 摻量較高時，蠕變勁度S 和蠕變速率M 的變化趨勢趨于平穩(wěn)，這表明PPA 對基質(zhì)瀝青低溫性能的改善效果只有在摻量較低時才比較明顯。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大，表明改性瀝青的低溫性能降低的越多，這進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 應不大于300 MPa，同時蠕變速率M 應不小于0.3。從圖1 中可以發(fā)現(xiàn)，在-12 ℃的試驗溫度下，PPA 改性瀝青均能滿足這一要求；而當試驗溫度降低到-18 ℃時，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，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 ℃（試驗溫度-18 ℃對應的最低路面設(shè)計溫度為-28 ℃）。然而從試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在-12 ℃和-18 ℃的試驗溫度下，SBS 改性瀝青均滿足AASHTO 規(guī)范的要求，只在-24 ℃時不滿足要求。這表明SBS 改性瀝青適用于最低環(huán)境溫度為-28 ℃。從AASHTO 分級角度來看，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 試驗結(jié)果

為進一步研究PPA 改性瀝青的低溫性能，本文對不同摻量下PPA 改性瀝青的BBR 試驗結(jié)果進行了線性回歸，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 的變化趨勢相同，PPA 摻量較小時，改性瀝青的低溫臨界溫度變化較為明顯，而PPA 摻量達到1.25%時，改性瀝青的臨界溫度變化不大。因此從臨界溫度來看，低PPA 摻量能帶來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了-18 ℃，這和蠕變勁度S 及蠕變速率M 反映的PG 分級結(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 摻量較少時變化較為顯著，在PPA 摻量超過1.25%時變化不明顯。PPA 改性瀝青的蠕變勁度S 和蠕變速率M 的變化趨勢和臨界溫度相同。

AASHTO 分級溫度范圍較寬，基于BBR 試驗的低溫臨界溫度可以細化溫度范圍，能很好地反應改性瀝青的低溫性能。