多聚磷酸改性西太瀝青的性能研究

李德高，馬 航，周 艷

(云南云天化以化磷業研究技術有限公司，云南 昆明 650228)

隨著中國經濟的快速發展，中國的交通量也迅速增長，對道路路面的要求越來越高，也對道路瀝青的性能提出了更高的要求，基質瀝青原有的性能已不能完全適應高等級公路的要求，因此高性能路面材料的研發迫在眉睫[1]。目前改性瀝青路面材料應用較廣的是SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)和橡膠粉這兩類。其中SBS改性瀝青占絕對優勢，在所有改性瀝青中占80%以上。但是由于SBS改性瀝青工藝復雜，高溫儲存穩定性較差，成本較高，導致其應用范圍較小，目前中國改性瀝青在道路瀝青中的占比低于30%。多聚磷酸(PPA)作為酸性瀝青改性劑，具有價格低廉、加工簡單、瀝青性能改善明顯等優點，已受到很多研究學者的重視，并開展了大量研究。余文科[2]采用自制多聚磷酸改性瀝青，發現多聚磷酸可提高瀝青的高溫性能，對低溫性能無顯著影響。丁海波等[3]研究表明多聚磷酸對瀝青的改性效果與基質瀝青的組成有關，對膠體指數高的瀝青影響顯著，可降低膠質含量并提高瀝青質含量。付力強等[4]研究認為，多聚磷酸改性瀝青膠結料的高溫性能和低溫性能得到了提高，混合料的高溫性能和低溫性能都得到提高，但是水穩定性下降，需要添加抗剝落劑。張恒龍等[5]研究了多聚磷酸對TZ70和SK-90瀝青物理性能和流變性能的影響，認為多聚磷酸的加入促進了瀝青膠質向瀝青質的轉化，使得瀝青中的分散相出現明顯的締合。曹曉娟等[6]研究了多聚磷酸及與聚合物復配改性瀝青的混合料性能，發現多聚磷酸能夠明顯改善瀝青混合料的高溫性能，在合適的摻量時，能夠達到與聚合物改性瀝青相同的高溫改善效果；多聚磷酸對低溫性能有明顯的負面影響，但可以通過與聚合物復配的方法來解決。郝培文等[7]對多聚磷酸改性瀝青的技術現狀進行了總結分析，認為多聚磷酸作為一種化學改性劑可顯著改善某一性能，是一種性價比較高且應用前景較好的改性劑。

本文采用不同PPA摻量改性西太90#基質瀝青，通過一系列常規性能分析手段，考察PPA對西太90#基質瀝青性能的影響。詳見表1。

表1 主要檢測項目及檢測方法

1 試驗部分

1.1 主要儀器與原材料

主要儀器：試驗所用基質瀝青為大連西太平洋石油化工有限公司90#瀝青，其常規性能指標如表2所示。

根據表2的檢測數據，西太90#瀝青滿足《公路瀝青道路施工技術規范》JTG F40-2004的技術要求。

表2 西太90#瀝青的技術指標

1.2 多聚磷酸改性瀝青的制備

制備步驟：將西太90#基質瀝青加熱到 150 ℃ 左右，在 250 r/min 下分別加入PPA，摻量分別為0%、0.5%、0.75%、1%，攪拌 40 min 使其均勻分散。

1.3 改性瀝青性能檢測

多聚磷酸改性瀝青的制備完成后，對改性后試樣進行原樣及老化后性能分析。

本試驗參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》( JTGE-20-2011)標準對瀝青軟化點、針入度、延度、旋轉黏度、動力黏度等性能檢測指標進行檢測。

2 結果與討論

2.1 PPA摻量對西太90#瀝青高溫性能的影響

2.1.1 針入度

瀝青針入度是瀝青的主要質量指標之一。是表示瀝青軟硬程度和稠度、抵抗剪切破壞的能力，反映在一定條件下瀝青的相對黏度的指標。瀝青針入度比是不可缺少的質量指標之一，用以預測瀝青的加熱穩定性。

通過圖1可知，25℃條件下，老化前的西太90#瀝青隨著PPA比例的增加，針入度呈下降趨勢，隨著PPA用量的增加，針入度下降趨勢減緩；而15℃和4℃條件下，改性瀝青的針入度基本與基質瀝青一致。老化后瀝青各溫度的針入度隨PPA摻量的變化趨勢與老化前一致。說明多聚磷酸的加入可以使改性瀝青在高溫條件下變硬，增加改性瀝青高溫下的使用性能，但是對低溫柔性沒有影響。

圖1 不同PPA摻量對改性瀝青老化前后不同溫度條件下的針入度的影響

由圖2可知，PPA的加入可以大幅提高西太90#瀝青的針入度比，說明PPA有利于提高瀝青高溫穩定性，抗老化性能增強。

圖2 不同PPA摻量改性瀝青針入度比的影響

2.1.2 針入度指數PI

針入度指數是在道路石油瀝青技術指標體系中表征瀝青溫度敏感度的一個技術指標，用來描述瀝青的性能隨溫度變化幅度及和膠體結構類型的一個經驗性參數，針入度的大小可以表征瀝青的軟硬程度與稠度，因此針入度指數也可表征該瀝青稠度對溫度變化的敏感性。針入度指數越大，瀝青的溫度敏感性越低，即感溫性能越好。

PI也可用于表征瀝青的膠體結構類型，判別值如下：

PI<-2溶膠型，這種瀝青為純黏稠流體(牛頓流體)，如煤焦油瀝青；+2≥PI≥ -2溶凝膠型，這種瀝青有一定彈性效應，顯示觸變性，如道路石油瀝青；PI>+2凝膠型，這種瀝青彈性效應更大，顯示出典型觸變性，如氧化瀝青。

PPA摻量下改性瀝青的PI值變化如圖3所示。

圖3 不同PPA摻量下改性瀝青的PI值

由圖3可知，西太90#基質瀝青的PI值為-0.31，加入不同比例的PPA后，改性瀝青的針入度指數增加到0.2～0.4，說明多聚磷酸的加入可以使瀝青的溫度敏感性降低，感溫性能變好。同時，西太90#基質瀝青及多聚磷酸改性瀝青都屬于溶凝膠型瀝青。

2.1.3 軟化點

軟化點表示在一定外力下，瀝青受熱從固態轉變成具有一定流動能力時的溫度，表征道路瀝青在一定溫度和車輛行駛條件下抵抗路面變形的能力。軟化點的高低常用于評價瀝青的高溫穩定性。軟化點越高，瀝青混合料抗高溫軟化的能力越強。

圖4是多聚磷酸改性西太90#瀝青老化前后的軟化點變化曲線。PPA的加入對西太90#瀝青軟化點提升比較明顯，說明多聚磷酸改性西太90#瀝青的抗高溫變形能力更強。

圖4 不同PPA摻量對改性瀝青老化前后軟化點的影響

2.2 PPA對西太90#瀝青低溫性能的影響

瀝青延度就是指瀝青的延展度，表示瀝青在一定溫度下，按照一定的速度拉升至瀝青斷裂的長度。延度是評定瀝青塑性的重要指標，延度越大，表明瀝青的塑性越好。

由圖5可知，多聚磷酸的加入對西太90#瀝青15 ℃延度沒有影響，添加量達到1%時，改性瀝青15 ℃延度仍然大于150 cm。但在10℃條件下，多聚磷酸的加入會使改性瀝青的延度大幅下降，從基質瀝青的大于150 cm降到了添加1%多聚磷酸時的24.7 cm，說明多聚磷酸對改性瀝青低溫延度影響較大，需要根據道路要求適當控制多聚磷酸的用量。

圖5 不同PPA摻量對改性瀝青不同溫度下延度的影響

圖6為多聚磷酸老化后的延度，改性瀝青老化后15 ℃延度隨著PPA的增加逐漸下降，降低的幅度隨PPA的增加而減緩，最后趨于穩定。而多聚磷酸對改性瀝青老化后10 ℃延度影響不大，僅從11.9 cm下降到9.4 cm。因此，單從延度這個指標看，多聚磷酸的加入會降低瀝青的低溫性能。

圖6 不同PPA摻量對改性瀝青老化后不同溫度下延度的影響

饒梟宇等[8]的研究表明延度與SHRP低溫性能指標之間沒有明確的線性相關關系，即使有，相關度也不高，而當量脆點T1,2與SHRP低溫性能指標之間顯著線性相關。因此，采用延度所反映的“宏觀”變形來表征瀝青的低溫抗裂性不太合適，這也是很多國外規范中沒有利用延度作為瀝青低溫性能指標的原因。要初步預估瀝青的低溫等級，可以使用當量脆點T1,2來進行推算。

當量脆點是相當于瀝青針入度為0.121 mm時的溫度，用于評價瀝青的低溫抗裂性能。研究表明，當多聚磷酸的摻量為0.75%時，使改性瀝青的當量脆點從-19.4 ℃下降到-21.5 ℃，下降了2 ℃，但是當多聚磷酸用量提高到1.0%時，當量脆點有增加的趨勢。說明適量的加入多聚磷酸不僅不會降低瀝青的低溫性能，反而會在一定程度上提高瀝青的低溫抗裂性。

表3 不同PPA摻量對改性瀝青T1,2脆點的影響

2.3 PPA對西太90#瀝青流變性能的影響

2.3.1 60 ℃動力黏度

黏度試驗可以用來判定瀝青在一定溫度下抵抗流動的能力，黏度大的瀝青不易流動。在我國，夏季瀝青路面的溫度可達到50～70 ℃，因此測定60 ℃動力黏度可以真實感應路面的實際使用情況，黏度大的瀝青在荷載作用下產生較小的剪切變形，彈性恢復性能好，殘留永久變形小。因此，60 ℃動力黏度指標常作為反映瀝青在夏季耐熱性的指標。

圖7 不同PPA摻量對改性瀝青老化前后動力粘度的影響

試驗表明，在60 ℃條件下，老化前后的改性瀝青的動力黏度都隨著PPA的增加而增加，說明多聚磷酸可以提高西太90#瀝青的耐高溫性能。瀝青的動力黏度與瀝青混合料的動穩定度有密切關系，瀝青黏度越大，混合料的動穩定度相對越高，瀝青路面抗車轍能力就越強，而且在夏季高溫下路面不易出現泛油情況。

2.3.2 旋轉黏度

135 ℃下的旋轉黏度表征瀝青混合料施工安全性的一個重要指標，黏度太低，瀝青混合料在運輸和施工過程中容易發生流淌現象，導致瀝青混合料性能不均勻；黏度太高，瀝青太稠，不利于瀝青混合料的攤鋪。

圖8 不同PPA摻量對改性瀝青旋轉粘度的影響

研究表明，加入多聚磷酸后，西太90#瀝青的 135 ℃ 旋轉黏度由0.38 Pa·s上升到0.60 Pa·s，說明多聚磷酸的加入改善了瀝青的施工性能。

4 結論

通過對不同PPA摻量的西太90#瀝青老化前后各種性能的研究，得出以下結論：

A)PPA可以提高瀝青的高溫性能，但不損壞瀝青的低溫柔性，也可以提高瀝青的感溫性、抗老化能力和高溫抗變形能力。

B)PPA的加入會使瀝青的延度降低，但同時也使瀝青的當量脆點降低。結合國內外研究，適量的PPA摻量可以提高瀝青的低溫抗裂性。

C)PPA的加入可以提高瀝青的60 ℃動力黏度和135 ℃旋轉黏度，進而提高瀝青混合料的施工性能和路面抗車轍性能。