多聚磷酸对沥青性能影响研究

杨国明，裴晓光，李福起，金吉海

（中海油炼油化工科学研究院（北京）有限公司，北京100000）

多聚磷酸对沥青性能影响研究

杨国明，裴晓光，李福起，金吉海

（中海油炼油化工科学研究院（北京）有限公司，北京100000）

以不同掺量多聚磷酸（PPA）制备改性沥青，并对多聚磷酸改性沥青常规性能指标以及流变性能进行分析，结果表明多聚磷酸的掺入能够提高沥青软化点和脆点，增大沥青的车辙因子，提升沥青高温等级，但会降低蠕变率，损害沥青低温性能，多聚磷酸加入量过高，沥青黏度过大，不利于沥青泵送及拌合，通过分析沥青四组分的变化，对多聚磷酸改性机理进行了初步探索，多聚磷酸的加入促使沥青中的饱和分和胶质向沥青质转化，从而影响沥青的高低温性能。

多聚磷酸；改性沥青；车辙因子；蠕变率；改性机理

随着我国交通运输业的发展，交通量和汽车轴载迅速增加，沥青路面病害也相应增多，普通沥青已不能满足高等级路面的建设要求，使用改性沥青，能有效提升沥青混合料的路用性能，延长路面的使用寿命，改性沥青种类众多，应用最为广泛的是SBS改性沥青，SBS改性沥青加工工艺较为复杂，产品储存稳定性能较差，与SBS改性沥青相比，多聚磷酸改性沥青加工工艺简单，高温稳定性较好。

多聚磷酸（PPA）被称为四聚磷酸，聚合磷酸或者多磷酸，是一种无色透明的粘稠液体，易潮解，有腐蚀性，多聚磷酸在香料、皮革、制药等行业中有着广泛的用途，多聚磷酸作为沥青化学改性剂，在国外已得到一定的研究，美国路易斯安那州一直采用酸改性方法生产30#和40#重交道路沥青，1992年开始酸改性和酸加聚合物复合改性开始在整个美国推广应用，这其中多聚磷酸改性应用最为广泛[1]。随着传统SBS改性沥青的价格不断上涨，多聚磷酸改性沥青价格较为低廉，且对沥青性能的改善效果较为明显，加工简单，有着广泛的应用前景。

目前，国内对于多聚磷酸改性沥青的研究相对较少，重庆交通大学赵可等[2]研究发现多聚磷酸的加入能够提升沥青的抗车辙性能，且对沥青的低温及疲劳特性无不良影响，中石油克拉玛依石化炼化研究院毛三鹏等[3]以多聚磷酸和SBS复配制备改性沥青，研究发现多聚磷酸能提高改性沥青的抗老化性能，但同时会降低改性沥青的低温性能。也有部分学者[4]研究了多聚磷酸对沥青流变性能的影响发现，在一定温度范围内，多聚磷酸能够提升沥青的复数剪切模量和车辙因子，提升其高温等级。

张恒龙等[5]通过沥青四组分分析，认为多聚磷酸的加入促进了沥青胶质向沥青质的转化，使得沥青中的分散相出现明显的缔合，重组分含量增加，从而提高了沥青的刚性，改变了沥青的物理性能和流变性能。曹卫东等[6]则认为多聚磷酸的加入促使沥青中的部分饱和分转变为沥青质，从而改善沥青高温性能和温度敏感性。

本文采用不同多聚磷酸掺量制备改性沥青，利用常规性能分析手段和SHRP分析手段结合，分析多聚磷酸改性沥青性能，考察多聚磷酸对沥青性能影响，同时通过对多聚磷酸改性前后沥青的四组分分布进行分析，探究多聚磷酸改性机理，期望为多聚磷酸改性沥青的生产研究提供参考。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验用基质沥青为中海油重交50#道路沥青，其常规性能指标如表1所示。

表1 中海50#道路沥青常规性能指标Table1 Conventional properties of Zhong Hai 50#asphalt

试验采用TA公司生产的Advanced Rheometer－2000ex型动态剪切流变仪和美国CANNON公司生产的TE-BBR型低温弯曲梁流变仪，对中海50#道路沥青PG等级进行分析，结果如表2和表3所示。

表2 中海50#道路沥青高温等级分析Table2 High-temperature grade analysis of Zhong Hai 50# asphalt

表3 中海50#道路沥青低温等级分析Table3 Low-temperature grade analysis of Zhong Hai 50# asphalt

表4 多聚磷酸性能指标Table4 Properties of polyphosphoric acid（PPA）

1.2 多聚磷酸改性沥青制备

将50#道路沥青在烘箱中加热到较好流动状态，外掺法加入多聚磷酸，掺量分别为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%和2.5%，140℃条件下搅拌1 h后，进行倒样分析。

1.3 多聚磷酸改性沥青性能分析

制得样品后，对改性沥青的常规指标，PG等级及流变性能进行分析，改性沥青常规指标分析及PG等级分析参照交通部JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行。

2 试验结果与讨论

2.1 多聚磷酸对沥青常规性能指标的影响

对制备的多聚磷酸改性沥青样品进行常规性能指标分析，其变化规律如图1所示。

图1 多聚磷酸掺量对沥青常规性能指标影响Fig.1 Effect of PPA contents on conventional properties of asphalts

由图1可以看出，随着多聚磷酸掺量的增加，沥青针入度逐渐降低，软化点逐渐升高，说明多聚磷酸的加入提高了沥青的高温性能，同时，多聚磷酸的加入使得沥青135℃布氏黏度逐渐增大，多聚磷酸加量为2.5%时，改性沥青135℃黏度超过了5 000 mPa·s，黏度过大不利于沥青混合料的拌和及施工，脆点是反映沥青低温抗开裂性能的重要指标，脆点越低，表明沥青的低温抗开裂性能越好，随着多聚磷酸掺入量的增加，沥青脆点逐渐升高，多聚磷酸加量为2.5%时，改性沥青脆点提高到了-6℃，说明多聚磷酸的加入降低了沥青低温抗开裂性能。

2.2 多聚磷酸对沥青PG等级的影响

2.2.1 多聚磷酸掺量对车辙因子的影响

采用动态剪切流变仪和低温弯曲梁流变仪对制备的多聚磷酸改性沥青样品进行高温性能和低温性能分析，其性能指标变化规律如图2至图5所示。

由图2和图3可知，多聚磷酸掺量对沥青原样、旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）残留物的车辙因子影响较大，在相同温度下，随着多聚磷酸掺量增加，沥青原样及RTFOT残留物的车辙因子G*/sinδ逐渐增大，表明沥青高温抗车辙性能逐渐变好，高温等级也从原样70℃提升到了82℃。

图2 多聚磷酸掺量对原样车辙因子的影响Fig.2 Effect of PPAcontents on rutting factor of original asphalts

图3 多聚磷酸掺量对RTFOT残留物车辙因子影响Fig.3 Effect of PPA contents on rutting factor of RTFOT residue

由图4和图5可知，在-12℃及-18℃条件下，蠕变劲度随着多聚磷酸掺加量的增加变化不大，沥青蠕变率随着多聚磷酸掺量的增加而降低，蠕变率越大，沥青松弛应力的能力越好，低温性能越好，蠕变率越小，低温性能越差，当多聚磷酸加量1.5%时，其低温等级无法达到-22℃，由此可见，多聚磷酸掺加量过高，降低沥青蠕变率，损害沥青的低温性能，降低低温等级。

2.2.2 多聚磷酸掺量对蠕变劲度和蠕变率的影响

图4 多聚磷酸掺量对蠕变率的影响Fig.4 Effect of PPA contents on the creep rate of asphalts

图5 多聚磷酸掺量对蠕变劲度的影响Fig.5 Effect of PPA contents on creep stiffness of asphalts

2.3 多聚磷酸改性机理分析

采用氧化铝层析法对中海50#道路沥青以及外掺2.0%多聚磷酸的改性沥青进行了四组分分析，结果如表5所示。

表5 中海50#道路沥青及2.0%PPA改性沥青四组分Table5 Four components data of Zhong Hai 50#asphalt and 2.0%PPA modified asphalt

从表5中数据我们可以看出，中海50#道路沥青加入多聚磷酸进行改性后，饱和分和胶质含量降低，胶质含量降低幅度较大，芳香分含量变化不大，沥青质含量明显增加，说明多聚磷酸促使沥青中的饱和分和胶质向沥青质转化，在沥青四种组分里，胶质的基本性质是介于沥青质和油分之间，相对分子质量较大，化学稳定性差，容易被氧化，多聚磷酸具有强氧化性，促使沥青胶质氧化，转化为沥青质，沥青质分子量大，稳定性好，是影响沥青高温性，黏性以及脆性的主要组分，多聚磷酸改性后，沥青中沥青质含量增加，提升沥青高温性能，但同时会使得沥青变脆，降低其低温性能。。

3 结论

通过改变多聚磷酸掺量制备改性沥青，并对制备的样品进行常规性能和流变性能分析，同时对多聚磷酸改性机理进行了初步探索，所得结论如下。

（1）多聚磷酸的加入能够有效提高沥青的软化点，提升沥青的高温性能，同时降低沥青脆点，降低沥青低温抗开裂性能。

（2）多聚磷酸的加入能够增加沥青的布氏黏度，多聚磷酸含量过高，沥青黏度过大，影响其泵送及混合料拌合，增加能耗。

（3）多聚磷酸的加入能够提高沥青高温车辙因子，提升沥青高温等级，扩大沥青应用气候区域。

（4）多聚磷酸对沥青低温等级的提升没有明显作用，相反，多聚磷酸会降低沥青蠕变率，不利于其低温性能。

（5）对基质沥青及多聚磷酸改性沥青的四组分进行了分析，发现多聚磷酸的加入能改变沥青四组分比例分布，饱和分和胶质含量降低，沥青质含量增加，而影响其高低温性能。

［1］付立强，王子灵，黄晓明，等．多聚磷酸改性沥青的性能研究[J]．公路交通科技，2008，25（2）：16-19．

［2］余文科．多聚磷酸改性沥青研究[D]．重庆，重庆交通大学，2011．［3］毛三鹏，熊良铨．多聚磷酸在改性沥青中的应用研究[J]．2010，24（5）：28-31．

［4］张自斌，叶群山．多聚磷酸改性沥青流变性能研究[J]．公路，2012，11：198-200.

［5］张恒龙，史才军，余剑英，等．多聚磷酸对不同沥青的改性及改性机理研究[J]．建筑材料学报，2013，16（2）：255-260．

［6］曹卫东，刘乐民，刘兆平，等．多聚磷酸改性沥青的试验研究[J]．中外公路，2010，30（3）：252-254．

Study on Effect of Polyphosphoric Acid on Asphalt Performance

YANG Guo-ming,PEI Xiao-gua ng,LI Fu-qi,JIN Ji-hai
（CNOOC Research Institute of Oil and Petrochemicals,Beijing 100000，China）

Modified asphalt was prepared with polyphosphoric acid（PPA）of different dosages,and the conventional properties and rheological properties of the PPA modified asphalt were analyzed.The results show that the softening point and brittle point of the PPA modified asphalt increase with the incorporation of PPA.Besides,the PPA can increase the rutting factor of asphalt,improving the high temperature grade while reducing the creep rate,damaging the low-temperature performance.Excessive amount of PPA can lead to high viscosity,which is adverse to pumping and mixing of asphalt.The modification mechanism of PPA was studied by analyzing the change of four components of asphalt.The results show that the addition of PPA can promote the conversion of saturation fraction and resin of asphalt to asphaltene,which affects the high and low temperature properties of asphalt.

Polyphosphoric acid;Modified asphalts;Rutting factor;Creep rate;Modification mechanism

TE624

A

1671-0460（2017）03-0422-04

2017-01-03

杨国明（1987-），男，山东省德州人，助理工程师，硕士研究生，2014年毕业于中国石油大学（华东）化学工程与技术专业，研究方向：沥青技术研发。E-mail：yanggm8@cnooc.com.cn。