多聚磷酸改性瀝青性能研究

摘要：文章為了研究多聚磷酸（PPA）對基質瀝青性能的影響，制備了不同摻量（瀝青質量百分比分別0、0.4%、0.8%、1.2%）的PPA改性瀝青，通過針入度、延度、軟化點、黏度、針入度指數以及DSR流變試驗、熱重試驗等分析，研究了不同摻量下PPA改性瀝青性能的變化。結果表明：添加PPA后，瀝青的針入度降低，軟化點增大，黏度增大，G增大，δ降低，說明PPA的加入使瀝青變硬，提高了耐高溫性能，且瀝青的流變特性顯著提高。同時，針入度指數PI隨摻量增大而增大，說明PPA改性瀝青的溫度敏感性減弱。TG分析進一步表明，加入PPA后，瀝青的熱穩定性得到了提高，但10 ℃延度降低，說明過量的PPA對低溫抗裂性能不利。

關鍵詞：道路工程;多聚磷酸;瀝青;性能;流變性;熱分析

0 引言

瀝青作為目前公路尤其是高等級公路使用最廣泛的結合料，其使用性能一直受到廣泛關注。但在高交通荷載與惡劣天氣條件下，瀝青路面會出現嚴重的功能損傷。如路面在寒冷季節由于溫度下降而收縮，引起瀝青剛度（模量）增大并伴隨開裂;高溫條件下瀝青流變性能降低，則會導致車轍病害產生。為了預防或減輕瀝青混合料在路面上的病害，道路工作者采用了多種方法來改善瀝青結合料和瀝青混合料的性能，不同類型的聚合物改性劑在改善瀝青混合料路用性能方面得到了廣泛應用，其中，多聚磷酸（PPA）逐漸引起了研究者的關注[1-2]。

相關研究顯示，PPA具有成本低、合成工藝簡單等優勢，且對瀝青相關性能具有的一定改善作用，如可改善基質瀝青溫度敏感性、高溫穩定性、抗老化性能等[3-5]：Baldino等通過動態剪切流變（DSR）試驗發現PPA可以提高瀝青的高溫性能[6];Liu等研究了四種基質瀝青和PPA改性瀝青的短期抗老化性能，結果表明改性瀝青具有較高的失效溫度、相位角、G/sinδ和零剪切黏度，表明改性瀝青具有較好的抗老化性能[7]。然而，也有研究對PPA改性瀝青的低溫性能和具體作用機理存在不同的看法：Baldino等研究發現，在瀝青中摻入PPA后，玻璃化轉變溫度降低，瀝青的剛度增大從而改善了低溫性能[8];而曹曉娟等得出了與之相矛盾的結論，認為摻入PPA會降低其低溫性能[9]。

綜合上述研究可知，雖然PPA在經濟性方面具有優勢，但在具體性能改性及改性機理方面仍有待深入研究，因此有必要進行更詳細的研究和分析。本研究擬制備不同PPA摻量（0、0.4%、0.8%、1.2%）的PPA改性瀝青，通過對制備工藝、摻量等進行優化，確保PPA改性瀝青性能穩定，從而更準確地分析PPA對瀝青改性的機理。多聚磷酸改性瀝青性能研究/李建煜[=JP2]1 原材料和方法

1.1 原材料

采用中石化東海90#基質瀝青為原材料，其基本性能指標如表1所示。PPA采用某化工公司產品，并利用其對基質瀝青進行改性。

1.2 PPA改性瀝青制備

采用四種不同摻量PPA對基質瀝青進行改性，以占瀝青質量百分比計，摻量分別為0、0.4%、0.8%、1.2%。制備工藝為：加熱基質瀝青至150 ℃左右以確保瀝青處于流動狀態，慢速加入PPA后，采用高剪切攪拌機以1 000 r/min轉速并保持在160 ℃條件下攪拌40 min。

1.3 測試指標

分別測定基質瀝青和PPA改性瀝青的針入度、軟化點、延度和黏度。采用動態剪切流變（DSR）測試瀝青流變特性，測試樣品以10 rad/s的頻率從46 ℃到76 ℃進行掃描測試。為了解PPA改性瀝青老化性能變化，采用瀝青薄膜烘箱試驗（TFOT）模擬瀝青短期老化。為分析PPA對瀝青熱性能的影響，采用同步熱分析儀測定瀝青熱重（TG）曲線。瀝青試樣約為10 mg，采用空氣氣氛，測量樣品隨溫度變化的質量損失曲線。

2 常規指標分析

2.1 針入度

采用針入度試驗評價改性后瀝青的稠度，瀝青針入度越大，表明瀝青稠度越小。圖1顯示了不同PPA摻量下改性瀝青的針入度。針入度隨PPA摻量的增加呈線性降低，表明瀝青的剛度和稠度增加。

軟化點表示瀝青抵抗高溫變形的能力，不同PPA摻量下瀝青的軟化點如圖2所示。從圖2可以看出，PPA改性瀝青的軟化點隨著PPA摻量的增加而增大。當添加1.2%PPA時，軟化點從46.3 ℃提高到58.0 ℃，說明PPA對瀝青具有硬化作用。這可能是由于瀝青結構由溶膠結構向凝膠結構轉變有關，這與前述針入度減小的結果相一致，表明PPA的加入提高了瀝青的高溫穩定性。

2.3 延度

延度試驗可反映瀝青在不斷裂情況下的拉伸能力，不同PPA摻量下瀝青的延度試驗結果如圖3所示。從圖3可知，添加0.4%PPA后，瀝青在10 ℃時的延度從113.6 cm急劇下降到22.2 cm，表明PPA不利于瀝青的低溫抗裂性能。結果表明，瀝青中PPA添加量越大，其低溫變形能力越差。但PPA摻量從0.4%增大到1.2%時延度下降幅度較小，表明可能存在PPA閾值，當PPA小于此閾值時對瀝青延度影響顯著，而當超過此閾值后對瀝青延度的影響較小。

2.5 針入度指數（PI）

PI被廣泛用于描述瀝青的溫度敏感性，針入度指數PI越大，瀝青的溫度敏感性越小。對PPA改性瀝青進行不同溫度（15 ℃、25 ℃、30 ℃）針入度測試。根據測試結果，繪制lgP（針入度）與溫度（T）的關系曲線，得到線性回歸方程，結合規范公式計算針入度指數PI值。瀝青的PI值隨PPA摻量變化趨勢如圖5所示。

由圖5可知，改性瀝青的PI值隨著PPA摻量的增加而增加，說明PPA降低了瀝青的溫度敏感性，也表明PPA改性瀝青隨PPA摻量增加，膠體結構摻量由溶膠型向凝膠型轉變。

3 流變及熱穩定性分析

3.1 流變特性

復數剪切模量G*可模擬瀝青在車輛荷載下的抗剪切能力，不同PPA摻量的PPA改性瀝青的G*如圖6所示。

分析圖6可知：

（1）相同摻量下PPA改性瀝青的G*均隨溫度的升高而減小，表明瀝青的抗變形能力隨溫度升高逐漸減弱。而PPA摻量增大，瀝青G*顯著提高，表明PPA能提高瀝青的抗變形能力。其中在46 ℃時，PPA摻量為0.4時，G*增加約9 kPa，增幅接近70%。這可能是由于PPA的加入使瀝青的膠體結構發生了變化，增加了瀝青質摻量，使瀝青變硬。但隨著溫度升高，PPA對G*的改善幅度逐漸減小，至76 ℃時，四種瀝青G*值基本一致。表明PPA對瀝青的改性與溫度有關，溫度越高，影響越小。

（2）相同溫度下PPA改性瀝青的G*增加幅度隨著PPA摻量的增加而逐漸減小，當PPA摻量從0.8%增加到1.2%時，G*僅增加4 kPa。表明PPA對瀝青的改性作用可能存在飽和閾值，摻量越小時改善效果越顯著，摻量越大瀝青G*提高幅度降低。

由于瀝青為粘彈性材料，應力的施加傳遞會存在滯后，相位角δ即表示對薄層瀝青試樣施加剪切應力和產生的剪切應變之間的滯后程度。相位角δ越小，表示滯后現象越不明顯，瀝青的彈性恢復性能越好。不同PPA摻量改性瀝青δ的變化如圖7所示。

分析圖7結果可知，改性瀝青相位角δ值隨溫度的升高而增大，說明溫度升高時瀝青彈性性能減弱，抗變形能力降低。在相同的溫度下，PPA摻量越高，改性瀝青的δ值越低，表明改性瀝青彈性比例越高，抗變形能力越強。因此，隨著PPA摻量的增加，瀝青流變性能明顯改善，表明改性水平越高，永久變形越小。

3.2 TG分析

選取基質瀝青和摻0.8%PPA改性瀝青進行熱重分析，TG曲線如圖8所示。從圖8可以看出，兩條曲線線型趨勢較為相似，均在250 ℃～500 ℃失重，這主要是因為瀝青質的熱分解和輕質組分的揮發。

PPA改性瀝青TG曲線后移，表明PPA的加入可以略微降低瀝青的失重率，使其在同溫度下失重較小。當添加0.8%PPA時，基體瀝青的剩余質量為14.26%，質量損失為85.74%，0.8%PPA改性瀝青剩余質量為16.34%，質量損失為83.66%。PPA改性瀝青的質量損失較低是由于PPA改性瀝青中重組分摻量增加，提高了瀝青的相變溫度。

4 結語

為了研究PPA對瀝青性能的影響，本文制備了四種不同摻量的PPA改性瀝青，通過測定針入度、延度、軟化點、黏度、針入度指數、流變性能以及熱穩定性等性能變化，得到以下結論：

（1）隨著PPA摻量的增加，改性瀝青的針入度降低，軟化點增大，黏度增大，說明PPA的加入使瀝青變硬，提高了耐高溫性能。同時，隨著PPA摻量的增加，針入度指數PI增大，說明PPA改性瀝青的溫度敏感性減弱。但在10 ℃時，延度降低，說明過量的PPA對低溫抗裂性能不利。

（2）DSR試驗測試G和δ可知，隨PPA摻量增大G增大、δ降低，表明PPA改性瀝青的流變特性顯著提高。

（3）TG分析進一步表明，PPA改性瀝青的初始降解溫度升高，降解速率減慢，質量損失減小，說明加入PPA后，瀝青的熱穩定性得到了提高。

參考文獻：

[1]沈久健.多聚磷酸/SBS復合改性瀝青及其混合料路用性能研究[D].西安：長安大學，2017.

[2]馬 峰，溫雅嚕，傅 珍，等.多聚磷酸復合改性瀝青混合料路用性能[J].應用化工，2021（4）：887-891.

[3]馮 喬.多聚磷酸復合改性瀝青流變特性及混合料路用性能研究[D].西安：長安大學，2019.

[4]張展銘.多聚磷酸與丁苯橡膠復合改性瀝青及混合料性能研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2019.

[5]周顯峰.多聚磷酸復配Terminal blend膠粉改性瀝青流變特性及其混合料路用性能[J].公路工程，2017，42（2）：326-334.

[6]Baldino Noemi，Gabriele Domenico，Lupi Francesca R.et al.Rheological effects on bitumen of polyphosphoric acid （PPA） addition[J].Construction & Building Materials，2013，40（3）：397-404.

[7]Liu Xiaoming，Li Tingyu，Zhang Henglong.Short-term aging resistance investigations of polymers and polyphosphoric acid modified asphalt binders under RTFOT aging process[J].Construction & Building Materials，2018，191（12）：787-794.

[8]Baldino Noemi，Gabriele Domenico，Rossi Cesare Olivieroet al.Low temperature rheology of polyphosphoric acid （PPA） added bitumen[J].Construction & Building Materials，2012（36）：592-596.

[9]曹曉娟，張振興，郝培文，等.多聚磷酸對瀝青混合料高低溫性能影響研究[J].武漢理工大學學報，2014，36（6）：47-53.