基于4 mmDSR的PPA改性瀝青低溫流變性能研究

摘" 要：多聚磷酸（PPA）作為一種常見的瀝青改性劑，其具有顯著的改性效果，尤其是對高溫性能的改善，但對瀝青低溫性能的影響仍存在爭議。為了探究PPA對瀝青低溫流變性能的影響，該文基于4 mmDSR試驗，根據試驗結果，將動態儲能模量轉化為靜態松弛模量，以分析評價PPA對瀝青低溫流變性能的影響。研究結果表明，PPA改性劑的摻入提高瀝青的松弛模量，降低瀝青的低溫松弛速率，使瀝青應力的釋放速率減緩，導致瀝青內部應力的積累，降低瀝青的低溫抗裂性能，其中1.5% PPA改性瀝青的影響程度最為顯著。

關鍵詞：瀝青；多聚磷酸；低溫；流變；4 mmDSR

中圖分類號：U414" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0074-04

Abstract： Polyphosphoric acid （PPA）， as a common asphalt modifier， has significant modification effects， especially in improving high-temperature performance， but its impact on low-temperature performance of asphalt is still controversial. In order to explore the effect of PPA on low-temperature rheological properties of asphalt， based on the 4 mmDSR test， this paper converts the dynamic storage modulus into static relaxation modulus based on the test results to analyze and evaluate the effect of PPA on low-temperature rheological properties of asphalt. The research results show that the addition of PPA modifier improves the relaxation modulus of asphalt to varying degrees， reduces the low-temperature relaxation rate of asphalt， slows down the stress release rate of asphalt， leads to the accumulation of internal stress in asphalt， and reduces the low-temperature crack resistance of asphalt. Among them， the influence of 1.5% PPA modified asphalt is the most significant.

Keywords： asphalt; polyphosphoric acid; low temperature; rheology; 4 mmDSR

多聚磷酸（Polyphosphoric acid， 簡稱PPA）改性劑是一種常見的酸性化學改性劑，廣泛應用于改善瀝青的性能，因其具有顯著的性價比而備受關注。相較于傳統的SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）和SBR（聚苯乙烯丁二烯共聚物）改性劑，PPA改性劑在多方面表現出獨特的優勢，具體包括性能改善效率高、成本低、改性工藝簡單、存儲穩定性良好、與其他聚合物改性劑相容性好等優勢。同時，PPA改性劑能夠顯著改善瀝青的高溫抗形變能力，提升瀝青路面的抗車轍性和抗疲勞性，具有廣闊的應用前景。

對于PPA改性瀝青的高溫性能，國內外研究者普遍認為PPA能夠有效提高瀝青的高溫性能。馬慶豐、張恒龍等[1-2]的研究結果表明，在試驗頻率范圍內，PPA的摻量越大，復數模量越大，相位角越小，車轍因子明顯增加，說明PPA能夠有效改善瀝青的模量和高溫抗車轍性能，Gama等[3]的研究也有類似結果。然而，盡管PPA改性瀝青在高溫性能上表現優異，但在低溫性能方面卻存在爭議。Ye、Rossi、付力強等[4-6]研究了PPA改性瀝青改性前后瀝青的低溫性能變化，其結果表明PPA能夠提高瀝青的低溫抗裂性能。曹衛東等[7]通過方差分析PPA摻量對改性瀝青低溫性能的影響，其結果表明PPA對瀝青低溫性能的影響不顯著。趙可等[8]采用瀝青彎曲梁流變試驗對PPA改性瀝青低溫性能進行研究，其結果表明當PPA摻量不足1.2%時，PPA對瀝青低溫性能的影響不顯著，當摻量超過1.2%時，PPA會降低瀝青的低溫抗裂性能。Wei等[9]研究了PPA改性瀝青改性前后瀝青的低溫性能變化，其結果表明PPA會降低瀝青的低溫抗裂性能。然而，良好的性能是保證瀝青材料服役性能的重要條件，瀝青路面往往會因為低溫收縮、開裂等問題而嚴重影響其使用性能和安全性能。因此，提高瀝青的低溫性能，防止其在低溫環境下出現開裂、變形等病害，對于保障道路暢通和行車安全具有重要意義。

此外，本研究引入一種更全面和高效的瀝青低溫流變性能測試方法[10]，即在動態剪切流變儀（DSR）上使用4 mm平行板，進行機器合規性的校準后，可直接測量瀝青的低溫流變性能。相較于常用的BBR試驗，4 mmDSR試驗所需瀝青試樣較少，約25 mg，且能夠快速獲取多種溫度和頻率下的流變性能數據，顯著提高測試效率。通過4 mmDSR試驗能夠提供詳細的流變性能數據，幫助研究人員深入理解改性劑對瀝青性能的影響機制，進而優化改性配方，進一步提高結果的準確性和可靠性。

基于此，本研究專注于4 mmDSR試驗，對不同摻量下的PPA改性瀝青進行頻率掃描，以探究其低溫流變性能。同時促進4 mmDSR試驗在瀝青中的推廣應用，為瀝青的低溫流變性能的研究提供科學依據和理論支持。

1" 原材料與試驗方法

1.1" 原材料

本研究瀝青選用殼牌70#瀝青，其技術指標見表1。

1.2" PPA改性瀝青的制備

本研究試驗所用多聚磷酸改性瀝青的制備方法如下。

1）確定瀝青用量與多聚磷酸改性劑的摻量（0.5%、1.0%、1.5%）；

2）將盛有瀝青試樣的燒杯放入烘箱中加熱至163 ℃，之后放入163 ℃的恒溫磁力油浴鍋中；

3）啟動高速攪拌機，使瀝青在800 r/min的轉速下攪拌均勻，并同時緩慢加入多聚磷酸改性劑，其中攪拌機為四葉恒速攪拌機；

4）待多聚磷酸改性劑完全加入，保持油浴溫度與攪拌轉速不變，繼續攪拌30 min；

5）制備完成后，將瀝青放在室溫下靜置冷卻。

1.3" DSR試驗

由于瀝青具有黏彈的特性，荷載的輸入與響應存在一個介于0～90°的相位差。因此，為了保證荷載輸入端剪切應變振幅處于瀝青的線性黏彈區間內，在進行DSR試驗之前，需通過相同加載溫度與頻率下的振幅掃描試驗，確定不同條件下瀝青的線性黏彈區間，使其復數模量、相位角、儲存模量、損耗模量和復合黏度等性能參數的研究在瀝青變形處于線性黏彈區內進行。這是因為只有在線性黏彈區間內，動態剪切模量僅受加載溫度和頻率的影響，而不受應力或者應變值的影響。SHRP研究結果表明，復數模量降低為初始值的95%時的應變或應力為極限值。對此，本研究在進行瀝青結合料、瀝青膠漿流變試驗之前，將確定其不同條件下的線性黏彈區間，且控制發生應變在此范圍之內。

因此，本研究通過連續改變單一溫度且恒定振幅下的加載頻率進行掃描，試驗采用4 mm平行板，試驗間隙為2 mm，根據試樣的線性黏彈范圍，瀝青采用0.1%應變控制，試驗溫度選取-5、-15 ℃，試驗頻率為0.1～100 rad/s。

1.4" 時溫等效原理

瀝青作為一種黏彈性材料，其力學行為具有典型時間、溫度依賴性。其時間和溫度的力學響應具有等效性，即同一模量值可由高溫高頻測試得到，也可由低溫低頻測試得到。根據時溫等效原理，基于WLF方程可將某一試驗溫度對應的模量-頻率曲線平移至參考溫度，可以獲取瀝青試樣在更寬頻率范圍內的模量主曲線。WLF方程為

lgαT= ， （1）

式中：αT為移位因子；C1、C2為材料常數；T為試驗溫度；T0為參考溫度。

1.5" 線性黏彈力學指標的轉化

對于黏彈性材料，在其線性黏彈范圍內，動態力學指標與靜態力學指標可通過一定關系轉化。Riande等[11]提出基于G′（ω）的簡單轉化公式，如式（2）。然后Christensen等[12]對其進行了改進，并對公式進行了驗證，如式（3）。

G（t）≈G'（ω）|ω=1/t ， （2）

G（t）≈G'（ω）|ω=2/πt 。 （3）

對此，本研究基于4 mmDSR試驗，根據低溫頻率掃描得出的試驗數據，轉化為靜態松弛模量，從而探究不同摻量下PPA對瀝青低溫流變性能的影響。

2" 結果與討論

2.1" PPA改性瀝青儲能模量分析

本研究基于4 mmDSR試驗，對基質瀝青與不同摻量的PPA改性瀝青的低溫性能進行測試，并根據最終得出的評價指標松弛模量G（60 s）、松弛速率mr（60 s），以分析評價PPA對瀝青低溫流變性能的影響。根據低溫頻率掃描試驗結果，通過WLF非線性方程進行擬合，計算出移位因子，其結果見表2。同時以-15 ℃為參考溫度建立儲能模量的主曲線，并基于二次方程lgG（t）=a×lgt+b×lgt+c對松弛模量主曲線進行擬合，結果如圖1所示。由圖1可知，瀝青的儲能模量水平隨PPA摻量不斷上升，其中0.5%、1.0%PPA改性瀝青的儲能模量較為接近，1.5%PPA改性瀝青的儲能模量提升幅度更為明顯。此外，在不同試驗頻率下，3種PPA改性瀝青的儲能模量提升較為均勻?？梢钥闯觯琍PA改性劑的摻入提高了瀝青在低溫下的彈性，尤其是在高摻量下。

2.2" PPA改性瀝青低溫流變性能分析

瀝青作為黏彈性材料，在其線黏彈區范圍內，基于頻率域和時間域試驗數據計算得到的黏彈性指標可通過力學松弛譜進行相互轉換。因此，本文基于Christensen改進的頻率域模量向時間域模量轉化的公式（3），將儲能模量主曲線G′（ω）轉化為松弛模量G（t）主曲線，并基于二次方程lgG（t）=a×lgt+b×lgt+c對松弛模量主曲線進行擬合，得到的擬合結果如圖2、表3所示。

松弛模量越大、松弛速率絕對值越小，表明材料在面對荷載時，無法快速有效地將應力釋放，其應力松弛的過程減緩，從而導致瀝青低溫抗裂性能下降。由圖2可知，基質瀝青的松弛模量水平最小，PPA改性劑的摻入提高了瀝青的松弛模量水平，當摻量為1.5%時，瀝青的松弛模量水平明顯提高，容易導致瀝青在低溫條件下出現裂縫。為進一步評價PPA對瀝青低溫流變性能的影響，基于上述擬合結果，可計算不同瀝青在60 s時的松弛模量指標G（60 s）和松弛速率指標mr（60 s），計算結果見表4。

隨著PPA改性劑摻量的提高，瀝青的松弛模量指標不斷增加，其中摻量為1.5%時，提升幅度顯著增加。相較于基質瀝青，0.5%、1.0%、1.5%PPA改性瀝青的松弛模量分別提高了27.2%、36.5%、94.5%，0.5%、1.0%PPA改性瀝青的松弛模量指標較為接近，松弛模量指標變化幅度較低。然而，隨著PPA改性劑的摻量增加至1.5%時，瀝青的松弛模量指標明顯增加。此外，從松弛速率指標上看，不同摻量的PPA改性瀝青的松弛速率指標之間的差值相對較小，而相較于基質瀝青，PPA的摻入明顯降低了瀝青的低溫松弛能力。PPA的摻量越高，松弛模量越大，松弛速率的絕對值越小，說明了PPA的摻入降低了瀝青的低溫松弛速率，應力的釋放速率減緩，導致瀝青內部應力的積累，降低了瀝青的低溫抗裂性能。

3" 結論

本研究通過4 mmDSR試驗分析了PPA改性瀝青的低溫流變性能，主要結論如下。

1）通過對比不同瀝青試樣的儲能模量，PPA的摻入提高了瀝青的儲能模量，PPA改性瀝青黏性減弱，表現出更多的彈性，其摻量越大越明顯。

2）通過對比不同瀝青試樣的松弛模量，PPA的摻入提高了瀝青的松弛模量，即PPA改性瀝青更容易積累內部應力。

3）通過對比不同瀝青試樣的松弛速率，PPA的摻入降低了瀝青的松弛速率，使得PPA改性瀝青應力的釋放速率減緩，導致瀝青內部應力的積累，降低了瀝青的低溫抗裂性能。

4）綜上所述，PPA的摻入降低了瀝青的低溫抗裂性能。其中0.5%、1.0%PPA改性瀝青的低溫抗裂性能差異較小，1.5%PPA改性瀝青的低溫抗裂性能則出現明顯下降。

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