PPA/SBS及PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青性能

馬峰，郭興隆，傅珍，馮喬，袁康博，溫雅嚕

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)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(jià)格高昂，大量使用會(huì)增加建設(shè)成本[3-4]。多聚磷酸(PPA)是一種瀝青化學(xué)改性劑，在SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青中復(fù)摻PPA，能夠在保證兩種改性瀝青原有性能的同時(shí)，大幅減少SBS和橡膠粉的摻量，一定程度上彌補(bǔ)了原改性瀝青造價(jià)高的缺陷[5-8]。目前關(guān)于PPA復(fù)合改性瀝青的研究，主要為單獨(dú)研究PPA與SBS或橡膠粉復(fù)摻對(duì)瀝青性能的影響[9-11]，很少將PPA/SBS復(fù)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(jìn)行對(duì)比研究。本文對(duì)比研究了PPA對(duì)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(guī)律以及兩者的差異性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

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

表1 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indexes of asphalt

表2 PPA基本技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical properties of polyphosphoric acid

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

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

WSY-026數(shù)顯式瀝青針入度測(cè)定儀；WSY-025E數(shù)顯瀝青軟化點(diǎn)測(cè)定儀；LYY-8低溫瀝青延伸度測(cè)定儀；NDJ-1C布氏旋轉(zhuǎn)粘度儀。

1.2 改性瀝青制備

1.2.1 PPA/SBS復(fù)合改性瀝青制備 將基質(zhì)瀝青加熱至160 ℃，摻加SBS(摻量占瀝青質(zhì)量的2.8%)，攪拌5 min。繼續(xù)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(zhì)瀝青質(zhì)量0.4%，0.8%，1.2%，1.6%)，剪切20 min。在170 ℃的環(huán)境中溶脹發(fā)育60 min。

1.2.2 PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青制備 將基質(zhì)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(zhì)瀝青質(zhì)量0.4%，0.8%，1.2%，1.6%)，剪切20 min。在170 ℃的環(huán)境中溶脹發(fā)育60 min。

1.3 性能測(cè)試

采用薄膜加熱試驗(yàn)(TFOT)對(duì)基質(zhì)瀝青、PPA復(fù)合改性瀝青進(jìn)行老化，在163 ℃的環(huán)境下對(duì)瀝青加熱5 h，模擬瀝青受外界環(huán)境影響而產(chǎn)生的老化。

測(cè)試PPA/SBS及PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青 25 ℃ 針入度、軟化點(diǎn)、5 ℃延度以及135 ℃和 175 ℃ 下的布氏粘度。然后對(duì)樣品進(jìn)行短期老化處理，研究樣品的質(zhì)量變化、殘留針入度比和軟化點(diǎn)增量。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫性能

2.1.1 軟化點(diǎn) 對(duì)基質(zhì)瀝青、5%SBS改性瀝青、不同摻量PPA/SBS及PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青分別進(jìn)行軟化點(diǎn)測(cè)試，結(jié)果見表5。

表5 不同摻量PPA復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)Table 5 Softening point of PPA composite modified asphalt with different content

由表5可知，當(dāng)PPA摻量為0.4%時(shí)，PPA/SBS復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)與PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青僅相差0.8 ℃，說明在該摻量下，PPA對(duì)兩種瀝青軟化點(diǎn)的影響差距不大，且軟化點(diǎn)較基質(zhì)瀝青均有明顯提升。當(dāng)PPA摻量為1.6%時(shí)，PPA/SBS復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)和PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)均遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)，說明PPA的加入使得PPA/SBS復(fù)合改性瀝青及PPA/橡膠粉復(fù)合改性的高溫穩(wěn)定性都有一定的提升，且二者的軟化點(diǎn)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(diǎn)相差11.5 ℃，12.9 ℃和13.5 ℃，差距有擴(kuò)大趨勢(shì)，說明PPA/SBS復(fù)合改性瀝青高溫性能改善效果優(yōu)于PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青。

2.1.2 針入度 對(duì)不同摻量PPA/SBS及PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青測(cè)試25 ℃針入度，結(jié)果見表6。

表6 不同摻量PPA復(fù)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(fù)合改性瀝青針入度逐漸減小，當(dāng)PPA摻量為1.6%時(shí)，針入度達(dá)到幾組樣品的最小值50.6。當(dāng)PPA摻量為0.4%時(shí)，PPA/SBS復(fù)合改性瀝青比5%SBS改性瀝青針入度高3.1，當(dāng)摻量為0.8%時(shí)與5%SBS針入度基本相等。摻量繼續(xù)增加，PPA/SBS復(fù)合改性瀝青逐漸低于5%SBS改性瀝青，且差距有增大趨勢(shì)，說明加入PPA可以提高SBS改性瀝青粘稠度，從而增強(qiáng)其高溫穩(wěn)定性。

當(dāng)PPA摻量增加時(shí)，PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青針入度逐漸降低，當(dāng)摻量為1.6%時(shí)，針入度達(dá)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(fù)合改性瀝青針入度均比5%SBS改性瀝青高。此外，橫向?qū)Ρ葍山M數(shù)據(jù)可知，PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青針入度均高于PPA/SBS復(fù)合改性瀝青，同一PPA摻量下，PPA/SBS復(fù)合改性瀝青針入度均低于PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青，說明PPA/SBS復(fù)合改性瀝青比PPA/橡膠粉復(fù)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(fù)合改性瀝青的布氏粘度。

表7 PPA/SBS及PPA/橡膠粉復(fù)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(fù)合改性瀝青的135 ℃和175 ℃布氏粘度均遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青。1.6%摻量PPA/SBS復(fù)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(zhì)瀝青的10倍，175 ℃布氏粘度是基質(zhì)瀝青的3倍。1.6%摻量PPA/橡膠粉復(fù)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(zhì)瀝青的16倍，175 ℃布氏粘度是基質(zhì)瀝青的6倍。隨著PPA摻量的增加，兩種復(fù)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(fù)合改性瀝青粘度值明顯高于PPA/SBS復(fù)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(fù)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(fù)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(zhì)瀝青延度為5.54 cm；當(dāng)PPA摻量為0.4%時(shí)，PPA/SBS復(fù)合改性瀝青延度為17.7 cm，PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青延度為13.2 cm，當(dāng)PPA摻量增加至1.6%時(shí)，前者延度降至9.55 cm，后者則降至10.1 cm。說明PPA的加入對(duì)SBS及橡膠粉改性瀝青低溫延展性有一定的削弱。PPA/SBS復(fù)合改性瀝青延度比PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青下降更快，表明PPA對(duì)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(zhì)瀝青、各摻量PPA/SBS及PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的殘留針入度比見表9。

表9 不同摻量PPA復(fù)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(zhì)瀝青老化后殘留針入度比為0.69，當(dāng)摻入PPA后，PPA/SBS及PPA/橡膠粉復(fù)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?qū)Ρ葍煞N改性瀝青，在同一PPA摻量下，PPA/SBS復(fù)合改性瀝青殘留針入度比小于PPA/橡膠粉復(fù)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(fù)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(fù)合改性瀝青抗老化性能提升效果優(yōu)于PPA/SBS復(fù)合改性瀝青。

2.4.2 軟化點(diǎn)增量 PPA/SBS及PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)增量見表10。

表10 不同摻量PPA復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)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(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)增量隨著PPA摻量提高而逐漸降低，且均低于基質(zhì)瀝青和5%SBS改性瀝青。各摻量PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)增量均低于同摻量下的PPA/SBS復(fù)合改性瀝青，說明PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青比PPA/SBS復(fù)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(zhì)量變化 基質(zhì)瀝青、各摻量PPA/SBS及PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的質(zhì)量變化見表11。

表11 不同摻量PPA復(fù)合改性瀝青的質(zhì)量變化Table 11 A change in mass of PPA modified asphalt with different content

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

3 結(jié)論

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

(2)PPA的摻入，對(duì)PPA/SBS復(fù)合改性瀝青和PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的低溫性能產(chǎn)生不利影響，1.6%摻量PPA/SBS復(fù)合改性瀝青低溫性能下降最為明顯。PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青相比于PPA/SBS復(fù)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(qiáng)。PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青在老化處理后殘留穩(wěn)定度、軟化點(diǎn)增量和質(zhì)量損失等指標(biāo)波動(dòng)較小，其抗老化性能較PPA/SBS復(fù)合改性瀝青更佳。