PPA/SBS及PPA/橡膠粉復合改性瀝青性能

馬峰，郭興隆，傅珍，馮喬，袁康博，溫雅嚕

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064)

SBS和橡膠粉能夠顯著提高瀝青的路用性能[1-2]，但SBS和橡膠粉價格高昂，大量使用會增加建設成本[3-4]。多聚磷酸(PPA)是一種瀝青化學改性劑，在SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青中復摻PPA，能夠在保證兩種改性瀝青原有性能的同時，大幅減少SBS和橡膠粉的摻量，一定程度上彌補了原改性瀝青造價高的缺陷[5-8]。目前關于PPA復合改性瀝青的研究，主要為單獨研究PPA與SBS或橡膠粉復摻對瀝青性能的影響[9-11]，很少將PPA/SBS復合改性瀝青與PPA/橡膠粉改性瀝青在高低溫及老化性能等方面的差異性進行對比研究。本文對比研究了PPA對SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青高低溫性能以及抗老化性能影響規律以及兩者的差異性。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

SK90#瀝青(基質瀝青)，其技術指標見表1；多聚磷酸(PPA，純度為115%)，工業級，其技術指標見表2；線形SBS改性劑，其基本性能指標見表3；60目脫硫橡膠粉，其技術指標見表4。

表1 瀝青主要技術指標Table 1 Main technical indexes of asphalt

表2 PPA基本技術指標Table 2 Technical properties of polyphosphoric acid

表3 SBS改性劑基本性能指標Table 3 Technical properties of SBS modifier

表4 橡膠粉基本性能指標Table 4 Technical properties of rubber powder

WSY-026數顯式瀝青針入度測定儀；WSY-025E數顯瀝青軟化點測定儀；LYY-8低溫瀝青延伸度測定儀；NDJ-1C布氏旋轉粘度儀。

1.2 改性瀝青制備

1.2.1 PPA/SBS復合改性瀝青制備 將基質瀝青加熱至160 ℃，摻加SBS(摻量占瀝青質量的2.8%)，攪拌5 min。繼續將瀝青加熱至165～170 ℃，剪切45 min，剪切速率為5 000 r/min。添加PPA(占基質瀝青質量0.4%，0.8%，1.2%，1.6%)，剪切20 min。在170 ℃的環境中溶脹發育60 min。

1.2.2 PPA/橡膠粉復合改性瀝青制備 將基質瀝青加熱至175 ℃，摻加18%摻量的橡膠粉，攪拌5 min。將瀝青加熱至175～180 ℃，剪切45 min，剪切速率為5 000 r/min。添加PPA(占基質瀝青質量0.4%，0.8%，1.2%，1.6%)，剪切20 min。在170 ℃的環境中溶脹發育60 min。

1.3 性能測試

采用薄膜加熱試驗(TFOT)對基質瀝青、PPA復合改性瀝青進行老化，在163 ℃的環境下對瀝青加熱5 h，模擬瀝青受外界環境影響而產生的老化。

測試PPA/SBS及PPA/橡膠粉復合改性瀝青 25 ℃ 針入度、軟化點、5 ℃延度以及135 ℃和 175 ℃ 下的布氏粘度。然后對樣品進行短期老化處理，研究樣品的質量變化、殘留針入度比和軟化點增量。

2 結果與討論

2.1 高溫性能

2.1.1 軟化點 對基質瀝青、5%SBS改性瀝青、不同摻量PPA/SBS及PPA/橡膠粉復合改性瀝青分別進行軟化點測試，結果見表5。

表5 不同摻量PPA復合改性瀝青軟化點Table 5 Softening point of PPA composite modified asphalt with different content

由表5可知，當PPA摻量為0.4%時，PPA/SBS復合改性瀝青的軟化點與PPA/橡膠粉復合改性瀝青僅相差0.8 ℃，說明在該摻量下，PPA對兩種瀝青軟化點的影響差距不大，且軟化點較基質瀝青均有明顯提升。當PPA摻量為1.6%時，PPA/SBS復合改性瀝青軟化點和PPA/橡膠粉復合改性瀝青的軟化點均遠大于基質瀝青的軟化點，說明PPA的加入使得PPA/SBS復合改性瀝青及PPA/橡膠粉復合改性的高溫穩定性都有一定的提升，且二者的軟化點隨著PPA摻量的增加而逐漸提高。在PPA摻量為 0.8%，1.2%和1.6%的情況下，兩種改性瀝青軟化點相差11.5 ℃，12.9 ℃和13.5 ℃，差距有擴大趨勢，說明PPA/SBS復合改性瀝青高溫性能改善效果優于PPA/橡膠粉復合改性瀝青。

2.1.2 針入度 對不同摻量PPA/SBS及PPA/橡膠粉復合改性瀝青測試25 ℃針入度，結果見表6。

表6 不同摻量PPA復合改性瀝青 25 ℃針入度Table 6 The penetration of PPA composite modified asphalt with different content

由表6可知，隨著PPA摻量的增加，PPA/SBS復合改性瀝青針入度逐漸減小，當PPA摻量為1.6%時，針入度達到幾組樣品的最小值50.6。當PPA摻量為0.4%時，PPA/SBS復合改性瀝青比5%SBS改性瀝青針入度高3.1，當摻量為0.8%時與5%SBS針入度基本相等。摻量繼續增加，PPA/SBS復合改性瀝青逐漸低于5%SBS改性瀝青，且差距有增大趨勢，說明加入PPA可以提高SBS改性瀝青粘稠度，從而增強其高溫穩定性。

當PPA摻量增加時，PPA/橡膠粉復合改性瀝青針入度逐漸降低，當摻量為1.6%時，針入度達到最小值61.4，但仍然高于5%SBS改性瀝青針入度，且各摻量下PPA/橡膠粉復合改性瀝青針入度均比5%SBS改性瀝青高。此外，橫向對比兩組數據可知，PPA/橡膠粉復合改性瀝青針入度均高于PPA/SBS復合改性瀝青，同一PPA摻量下，PPA/SBS復合改性瀝青針入度均低于PPA/橡膠粉復合改性瀝青，說明PPA/SBS復合改性瀝青比PPA/橡膠粉復合改性瀝青擁有更大的粘度，其高溫性能更佳。

2.2 布氏粘度

表7為各摻量PPA/SBS及PPA/橡膠粉復合改性瀝青的布氏粘度。

表7 PPA/SBS及PPA/橡膠粉復合改性瀝青布氏粘度Table 7 The Brookfield viscosity of PPA/SBS and PPA/rubber powder composite modified asphalt

由表7可知，PPA/SBS及PPA/橡膠粉復合改性瀝青的135 ℃和175 ℃布氏粘度均遠高于基質瀝青。1.6%摻量PPA/SBS復合改性瀝青135 ℃和175 ℃布氏粘度分別為3.12，0.75 Pa·s，其 135 ℃ 布氏粘度是基質瀝青的10倍，175 ℃布氏粘度是基質瀝青的3倍。1.6%摻量PPA/橡膠粉復合改性瀝青135 ℃和175 ℃布氏粘度分別為6.03，1.31 Pa·s，其135 ℃布氏粘度是基質瀝青的16倍，175 ℃布氏粘度是基質瀝青的6倍。隨著PPA摻量的增加，兩種復合改性瀝青的135 ℃和175 ℃布氏粘度均隨之提高。同一溫度下，PPA/橡膠粉復合改性瀝青粘度值明顯高于PPA/SBS復合改性瀝青，說明在SBS及橡膠粉改性瀝青中摻入PPA可以顯著提升瀝青的粘度，且PPA/SBS復合改性瀝青粘度提升效果更明顯。

2.3 低溫性能

各摻量PPA/SBS及PPA/橡膠粉改性瀝青的5 ℃ 延度見表8。

表8 不同摻量PPA復合改性瀝青的5 ℃延度Table 8 The ductility of PPA composite modified asphalt with different content

由表8可知，基質瀝青延度為5.54 cm；當PPA摻量為0.4%時，PPA/SBS復合改性瀝青延度為17.7 cm，PPA/橡膠粉復合改性瀝青延度為13.2 cm，當PPA摻量增加至1.6%時，前者延度降至9.55 cm，后者則降至10.1 cm。說明PPA的加入對SBS及橡膠粉改性瀝青低溫延展性有一定的削弱。PPA/SBS復合改性瀝青延度比PPA/橡膠粉復合改性瀝青下降更快，表明PPA對橡膠粉改性瀝青低溫性能的削弱程度低于SBS改性瀝青。

2.4 抗老化性能

2.4.1 殘留針入度 基質瀝青、各摻量PPA/SBS及PPA/橡膠粉復合改性瀝青的殘留針入度比見表9。

表9 不同摻量PPA復合改性瀝青的殘留針入度比Table 9 Residual penetration ratio of PPA modified asphalt with different content

由表9可知，基質瀝青老化后殘留針入度比為0.69，當摻入PPA后，PPA/SBS及PPA/橡膠粉復合改性瀝青的殘留針入度比都有所提高，且兩種改性瀝青的殘留針入度比與PPA成正比。橫向對比兩種改性瀝青，在同一PPA摻量下，PPA/SBS復合改性瀝青殘留針入度比小于PPA/橡膠粉復合改性瀝青。5%SBS改性瀝青殘留針入度比為0.72，低于PPA/SBS和PPA/橡膠粉復合改性瀝青。綜上所述，加入PPA能夠提高瀝青的抗老化性能，且PPA/橡膠粉復合改性瀝青抗老化性能提升效果優于PPA/SBS復合改性瀝青。

2.4.2 軟化點增量 PPA/SBS及PPA/橡膠粉復合改性瀝青的軟化點增量見表10。

表10 不同摻量PPA復合改性瀝青軟化點增量Table 10 The softening point of PPA modified asphalt with different content

由表10可知，PPA/SBS和PPA/橡膠粉復合改性瀝青軟化點增量隨著PPA摻量提高而逐漸降低，且均低于基質瀝青和5%SBS改性瀝青。各摻量PPA/橡膠粉復合改性瀝青的軟化點增量均低于同摻量下的PPA/SBS復合改性瀝青，說明PPA/橡膠粉復合改性瀝青比PPA/SBS復合改性瀝青和5%SBS改性瀝青擁有更好的抗老化性能。

2.4.3 質量變化 基質瀝青、各摻量PPA/SBS及PPA/橡膠粉復合改性瀝青的質量變化見表11。

表11 不同摻量PPA復合改性瀝青的質量變化Table 11 A change in mass of PPA modified asphalt with different content

由表11可知，在基質瀝青中加入PPA使得老化前后瀝青的質量變化減少。同一PPA摻量下，PPA/橡膠粉復合改性瀝青質量變化程度相對較小，說明PPA的加入能夠提升PPA/SBS和PPA/橡膠粉復合改性瀝青抗老化性能，且PPA/橡膠粉復合改性瀝青抗老化性能改善效果最明顯。

3 結論

(1)PPA能夠大幅度提高瀝青粘度和軟化點，從而提升瀝青的高溫性能。PPA摻量越多，PPA/SBS復合改性瀝青和PPA/橡膠粉復合改性瀝青的高溫性能改善效果越明顯，當PPA摻量達到1.6%時，改善效果最佳。

(2)PPA的摻入，對PPA/SBS復合改性瀝青和PPA/橡膠粉復合改性瀝青的低溫性能產生不利影響，1.6%摻量PPA/SBS復合改性瀝青低溫性能下降最為明顯。PPA/橡膠粉復合改性瀝青相比于PPA/SBS復合改性瀝青有更好的低溫抗裂性能。

(3)PPA可以提升瀝青的抗老化性能，瀝青抗老化性能隨PPA摻量的提高而不斷增強。PPA/橡膠粉復合改性瀝青在老化處理后殘留穩定度、軟化點增量和質量損失等指標波動較小，其抗老化性能較PPA/SBS復合改性瀝青更佳。