多聚磷酸复合SBS改性沥青流变性能及抗老化特性

刘红瑛 张铭铭 黄凌辉 常 睿 郝培文

(长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室, 西安 710064)



多聚磷酸复合SBS改性沥青流变性能及抗老化特性

刘红瑛 张铭铭 黄凌辉 常 睿 郝培文

(长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室, 西安 710064)

采用动态剪切流变和弯曲梁流变试验,对多聚磷酸(PPA)复合SBS改性沥青在高、低温下的流变特性进行了研究,并与硫磺复合SBS改性沥青进行了对比分析.通过傅里叶红外光谱分析仪对不同原样沥青、旋转薄膜烘箱加热试验(RTFOT)以及压力加速老化试验(PAV)后沥青中含有的与老化有关的官能团进行了分析.结果表明:添加适量的PPA可明显改善沥青的高温性能;相对于硫磺复合SBS改性沥青,PPA复合SBS改性沥青具有较好的高温性能,但低温性能相对较差;随着SBS掺量的增加,PPA复合SBS改性沥青的低温性能随之增强;经过短长期老化后PPA复合SBS改性沥青的亚砜基指数变化很小,其抗老化性能得到改善.

道路工程;多聚磷酸;改性沥青;流变性能;抗老化特性

与传统的聚合物改性沥青相比,多聚磷酸(PPA)改性沥青具有成本低、工艺简便以及路用性能好等优势,其推广应用意义显著[1-2].但PPA改性沥青路面研究时间较短,且目前无相关施工技术规范指导[3-4],而PPA改性沥青路面的长期性能又会直接影响其在我国的推广应用.PPA改性沥青路面的长期性能与PPA改性沥青老化前后的高温特性、低温特性及疲劳特性有关[5-6].目前,国内外针对PPA改性沥青流变特性已做了一些研究,认为PPA能显著改善改性沥青的抗老化性能[7-8];相关研究也表明PPA对改性沥青的低温抗裂性能有一定的负面影响[9-10].但是,对PPA复合SBS改性沥青的流变特性及其抗老化特性研究还不充分,严重制约了PPA改性沥青在我国的应用和发展.

本文针对不同PPA复合SBS改性沥青等进行动态剪切流变试验及弯曲梁流变试验,并与硫磺复合SBS改性沥青进行对比研究.采用傅里叶红外光谱分析仪对原样、RTFOT以及PAV后的基质沥青、PPA单一改性沥青以及PPA复合SBS改性沥青官能团进行分析,以评价PPA改性沥青老化特征,为PPA改性沥青路面的长期性能研究与施工控制提供参考.

1 试验

1.1 试验材料

基质沥青为东明70#A级道路石油沥青,PPA为110%工业级聚磷酸,其技术指标分别见表1和表2.SBS改性剂选用湖南岳化化工公司生产的1301-1线型改性剂.

表1 东明70#沥青技术指标

表2 PPA技术指标

1.2 试验方案

1.2.1 PPA复合改性沥青试验方案

针对目前常用的SBS聚合物改性沥青相容性差的问题,国内外一般采用添加增溶剂和稳定剂的方式来改善其相容性.研究表明:PPA可作为催化剂来改善SBS改性沥青的相容性[11].因此,本文采用硫磺以及PPA作为SBS改性沥青的稳定剂进行对比研究.SBS改性沥青掺量采用内掺法计算,采用以下4种配方进行试验,并与东明70#和掺加0.75% (质量分数)PPA的沥青进行对比,方案如表3所示.

表3 改性沥青方案 %

1.2.2 PPA复合SBS改性沥青制备方法

SBS改性沥青制备方法如下:基质沥青加热到140 ℃,加入相溶剂;然后加热沥青至160 ℃,同时慢慢加入SBS改性剂,搅拌溶胀10 min;继续加热沥青至170～180 ℃,启动剪切机,以3 000～4 000 r/min剪切速率剪切30 min;再加入硫磺剪切5～10 min;最后在180 ℃温度下继续搅拌20 min形成成品.

PPA复合SBS改性沥青制备方法如下:基质沥青加热到140 ℃左右,加入相溶剂;然后加热沥青至160 ℃,同时慢慢加入SBS改性剂,搅拌溶胀10 min;继续加热沥青至170～180 ℃,启动剪切机,以3 000～4 000 r/min的剪切速率剪切30 min;加入PPA,在175～180 ℃温度下继续搅拌30 min即可.

1.2.3 试验方法

采用动态剪切流变试验(DSR)和弯曲梁流变试验(BBR)分别研究不同沥青在高、低温下的流变特性,其中DSR试验采用应变控制[12],并通过FTIR对老化前后的PPA复合SBS改性沥青官能团进行分析,以研究PPA改性沥青的老化特性.

2 试验结果与分析

2.1 原样沥青抗车辙因子G*/sinδ以及相位角δ分析

对不同原样沥青进行DSR试验,其抗车辙因子以及相位角如表4所示.由表可知,随着温度升高,方案1～4沥青的G*/sinδ减小,相位角δ增加,表明温度越高,沥青的高温性能越差,且沥青中弹性成分减少,黏性成分增多.对比方案1与方案2可知,方案2的抗车辙因子G*/sinδ更大,表明添加PPA显著改善了SBS改性沥青的高温性能.由基质沥青和PPA改性沥青的DSR试验结果可知：加入PPA使基质沥青的相位角减小,即PPA改性沥青中的黏性不可恢复部分减少,弹性可恢复成分增加;PPA的加入较大幅度地提高了沥青在64和70 ℃时的抗车辙因子,表明PPA的加入有助于改善基质沥青的高温性能.

表4 不同沥青DSR试验结果

由表4可知,当SBS用量从3.5%增加到4.0%时,硫磺复合SBS改性沥青76 ℃下的G*/sinδ增加了17.8%,相位角减少了5.21°,表明适当增加SBS掺量会改善改性沥青的高温抗变形能力.当SBS用量从3.5%增加到4.0%时,PPA复合SBS改性沥青76 ℃下G*/sinδ增加了59.0%,相位角减少了7.92°,表明适当增加SBS掺量,会较大程度改善PPA复合SBS改性沥青的高温抗变形特性.

2.2 RTFOT前后不同沥青抗车辙因子G*/sinδ以及相位角δ分析

对旋转薄膜烘箱加热试验(RTFOT)后的沥青进行DSR试验,结果如表5所示.由表可知,随着温度的升高,RTFOT前后6种沥青的G*/sinδ与δ的变化趋势一致,即抗车辙因子G*/sinδ减小,相位角δ增加.这表明随着温度升高,短期老化后沥青的高温抗变形能力降低,沥青中黏性成分增多,弹性成分减少.

表5 RTFOT后不同沥青DSR试验结果

不同沥青RTFOT后,抗车辙因子G*/sinδ均有不同程度的增大.以SBS掺量相同的方案1与方案2为例,短期老化后,硫磺复合SBS改性沥青、PPA复合SBS改性沥青76 ℃下的抗车辙因子G*/sinδ分别增加了25.9%和69.5%,表明相对于硫磺复合SBS改性,PPA复合SBS改性对改性沥青短期老化后的高温性能抗变形能力的改善更显著.因此,PPA复合SBS改性沥青的抗老化特性更好.2种沥青短期老化前后的相位角变化则有所差别,RTFOT后,硫磺复合SBS改性沥青76 ℃下的相位角δ增加了5.96°,而PPA复合SBS改性沥青则降低了1.95°,表明短期老化后硫磺复合SBS改性沥青黏性部分增加,弹性部分减少,而PPA复合SBS改性沥青则相反,即短期老化后其弹性成分增加,而黏性成分减小.

短期老化后,基质沥青与PPA改性沥青的抗车辙因子G*/sinδ均显著增大,基质沥青、PPA改性沥青76 ℃下的抗车辙因子G*/sinδ分别增加了75.2%和115.13%,表明PPA的掺入显著改善了基质沥青短期老化后的高温抗变形能力,从而显著改善了基质沥青的抗老化特性.2种沥青老化后的相位角δ均有所降低,基质沥青、PPA改性沥青76 ℃下的相位角δ分别降低了1.75°和5.43°,表明RTFOT后PPA的掺入导致沥青的黏性成分大幅减少,弹性成分明显增加.

2.3 PAV后沥青试验结果分析

2.3.1 PAV后不同沥青疲劳性能分析

不同沥青PAV后,其DSR试验结果如表6所示.由表可知,在19和16 ℃时,PPA改性沥青的相位角比基质沥青小,这表明PPA的加入使得基质沥青复数模量中的弹性成分增加;相较于基质沥青,PPA改性沥青19和16 ℃下的疲劳因子G*sinδ分别降低了11.3%和11.2%,表明与基质沥青相比,PPA改性沥青的疲劳性能较好,由此可知PPA可改善基质沥青的疲劳性能.

表6 PAV后不同沥青疲劳性能试验结果

随着温度升高,硫磺复合SBS以及PPA复合SBS改性沥青的疲劳因子G*sinδ均增大,以SBS掺量相同的方案1与方案2为例,方案2在19和16 ℃下的疲劳因子G*sinδ比方案1分别增加了79.2%和67.9%,相位角则分别减少了8.12°和7.56°,表明相较于硫磺复合SBS改性沥青,PPA复合SBS改性沥青的抗疲劳性能较差.

当SBS用量从3.5%增加到4.0%时,硫磺复合SBS改性沥青19 ℃下的疲劳因子G*sinδ减少了30.2%,表明适当增加SBS掺量会改善改性沥青的抗疲劳开裂性能.当SBS用量从3.5%增加到4.0%时,PPA复合SBS改性沥青19 ℃下G*sinδ减少了0.2%,基本无变化,而相位角则降低了3.25°,表明增加SBS掺量,PPA复合SBS改性沥青的弹性成分增多,但对于PPA复合SBS改性沥青的疲劳性能影响不大.

2.3.2 PAV后不同沥青BBR试验分析

按照SHRP规范要求对PAV后的沥青胶结料进行BBR试验,其试验结果如表7所示.由表可知,-12 ℃时基质沥青以及PPA改性沥青劲度模量变化率m和劲度模量S均满足m≥0.3,S≤300 MPa,而-18 ℃时2种沥青都不满足规范要求.在-12和-18 ℃,与基质沥青相比,PPA改性沥青不仅劲度模量更小,同时劲度模量变化率和变形量更大,这表明在低温时PPA改性沥青具有更好的低温抗裂性能.

表7 PAV后不同沥青BBR试验结果

对于PPA、硫磺复合SBS改性沥青,在-12 ℃时不同沥青均能满足规范要求,但是在-18 ℃时则仅有方案1、方案2和方案3沥青满足规范要求.与硫磺复合SBS改性沥青相比,PPA复合SBS改性沥青的劲度模量和劲度模量变化率均较小.在-12和-18 ℃时,方案1和方案2沥青的低温分级均为-28 ℃,而方案3和方案4的沥青低温分级分别为-28和-22 ℃,相差一个低温分级,因此SBS掺量的增加有助于减少PPA复合SBS改性沥青与硫磺复合SBS改性沥青低温性能方面的差距.

3 PPA复合SBS改性沥青红外光谱试验分析

采用分峰波数相对吸光度比值以及积分面积比值能够比较准确地反应沥青老化过程中官能团的变化情况,从而较好地评价不同沥青的抗老化特性[13],其中面积通过Omnic 8.2红外分析软件计算.本文采用德国Bruker Optics生产的Tensor系列傅立叶变换红外光谱仪,其光谱范围为4 000～400 cm-1,扫描数为32,分辨率为2.0 cm-1.

对方案2的原样、RTFOT以及PAV后的沥青以及硫磺复合SBS改性沥青进行红外光谱分析,结果如图1～图2所示.

由图1可知,随着老化程度的加深,PPA复合SBS改性沥青在1 700 cm-1羰基附近的吸收峰增长越明显,1 030 cm-1附近的亚砜基吸收峰则没有明显变化.由图2可看出,与硫磺复合SBS改性沥青相比,PPA复合SBS改性沥青的红外谱图在900～1 200 cm-1之间出现了明显的叠加吸收峰,表明PPA与沥青之间发生了化学反应,生成了磷酸酯类物质,表现在红外谱图中就是900～1 200 cm-1之间有着混合吸收宽峰的出现.

(a) 红外谱图

(b) 局部红外谱图

图2 PPA和硫磺复合SBS改性沥青局部红外谱图对比

(1)

(2)

PPA复合SBS改性沥青1 700 cm-1附近的羰基指数Ico以及1 030 cm-1附近的亚砜基指数Iso如表8所示.由表可知,PPA复合SBS改性沥青的羰基指数Ico随着老化程度的增加而增大,但亚砜基指数Iso变化基本不大.这表明随着老化进行,一方面PPA复合SBS改性沥青仅发生一定组分转变,另一方面由于PPA与SBS改性沥青发生了磷酸酯化反应,使得PPA复合SBS改性沥青的抗老化性能得到了提高,其老化特性更加复杂.

表8 不同老化程度PPA复合SBS改性沥青羰基与亚砜基面积比

4 结语

1) 对于东明70#基质沥青,添加适量PPA可明显改善沥青的高温性能,同时沥青的低温抗裂性能和耐疲劳性能也有一定程度的提高.

2) 与硫磺复合SBS改性沥青相比,PPA复合SBS改性沥青具有更好的高温性能,而低温和耐疲劳性能相对较差.随着SBS掺量的增加,改性沥青的低温性能随之增强,PPA复合SBS改性沥青与硫磺复合SBS改性沥青的低温性能之间的差距也随之减小.

3) PPA复合SBS改性沥青经短期和长期老化后其亚砜基指数变化很小,表明其抗老化性能较好.

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Rheological and anti-aging properties of polyphosphoric acid composite styrene butadiene styrene modified asphalt

Liu Hongying Zhang Mingming Huang Linghui Chang Rui Hao Peiwen

(Key Laboratory for Road Structure and Material of Communications Industry, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Based on dynamic shear rheological and bending beam rheological tests, the rheological behaviors of PPA (polyphosphoric acid) composite SBS (styrene butadiene styrene) modified asphalt at high and low temperatures were comprehensively studied, and compared with the rheological property of sulfur composite SBS modified asphalt. The functional groups of original asphalt and the asphalt after the rotating thin film oven heating test and the pressure aging vessel test were analyzed by the Fourier transform infrared spectroscopy. The results show that the resistance performance of asphalt with appropriate PPA content can be increased at high temperatures. Compared with sulfur composite SBS modified asphalt, PPA composite SBS modified asphalt has super resistance deformation at high temperatures, while it has relative weak anti-cracking property at low temperature. With the increase of the content of SBS polymer, the modified asphalt has better anti-cracking property at low temperatures. After short and long term aging, the change of sulfoxide index of PPA composite SBS modified asphalt is very small, and the anti-aging property of PPA composite SBS modified asphalt is improved.

road engineering; polyphosphoric acid; modified asphalt; rheological performance; anti-aging property

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.030

2016-03-15. 作者简介: 刘红瑛(1971—),女,博士,副教授,gli71@gl.chd.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51278060).

刘红瑛,张铭铭,黄凌辉,等.多聚磷酸复合SBS改性沥青流变性能及抗老化特性[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(6):1290-1295.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.030.

U414

A

1001-0505(2016)06-1290-06