多聚磷酸/SBS复合改性沥青研究

周 宇，王 燕，程 健*

(1.武汉工程大学 绿色化工过程省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉 430073； 2. 武汉工程大学 湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室，湖北 武汉 430073)

多聚磷酸/SBS复合改性沥青研究

周 宇1,2，王 燕1,2，程 健1,2*

(1.武汉工程大学 绿色化工过程省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉 430073； 2. 武汉工程大学 湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室，湖北 武汉 430073)

公路交通发展对主流筑路材料SBS改性沥青的性能提出了更高的要求，尤其是反映路面高温性能的软化点，虽然通过提高SBS含量可以满足要求，但提高SBS含量不仅增加SBS改性沥青成本，而且增加SBS分散的难度，需要更高的分散温度，提高分散温度导致SBS改性沥青老化等。通过复合改性是解决问题的合理途径之一，本研究对多聚磷酸/SBS复合改善SBS改性沥青软化点进行了研究，利用正交试验方案，研究了发育温度，发育时间以及多聚磷酸掺量对复合改性沥青各项性能的影响规律，研究结果表明：通过多聚磷酸/SBS复合改性，在保证其他指标满足要求的前提下，复合改性沥青的软化点有明显提高，可以满足目前业界的要求。

多聚磷酸；SBS；沥青；复合改性

SBS改性沥青是目前国内主流的改性沥青品种。由于其优异的高低温性能，在道路建设中获得广泛应用，产生了极大效益。随着交通事业的发展，对作为道路建设主流材料的SBS改性沥青的性能提出了更高要求，尤其是气候炎热地区，为了更好保证沥青路面的性能，对改性沥青的高温指标提出了更高要求，比如尽管国内行业标准《JTG F40-2004 公路沥青路面施工技术规范》中规定I-D级SBS改性沥青软化点高于60℃即可，但在实际工程中用户多要求在保证其他指标满足的前提下SBS改性沥青的软化点在80℃以上甚至更高，如何满足使用部门的要求成为SBS改性沥青制备生产中必须解决的问题[1-2]。尽管通过提高SBS含量可以有效解决SBS改性沥青软化点提高的问题，但是提高SBS含量会增加SBS在沥青中的分散难度，并且SBS改性沥青的成本上升[3]。此外从SBS改性沥青的其他性能看，为了保证SBS改性沥青的软化点满足用户要求而过度提高SBS含量也没有太大必要，通过复合技术改善SBS改性沥青的软化点已成为业内共识，因为这样不仅可以满足用户对SBS改性沥青的要求，而且可以有效控制成本和简化制备过程[4]。

多聚磷酸作为一种沥青的化学改性剂在国内外都有一些研究，与其他改性剂相比，多聚磷酸对沥青的耐高温性能、抗老化性等具有优良的改善效果，多聚磷酸与SBS复合改性国内也有一些相关的研究[5-6]，这些研究充分说明了通过多聚磷酸与SBS复合改性可以有效地改善SBS改性沥青的高温性能，降低SBS改性沥青的成本，但是对复合改性沥青制备过程中多聚磷酸的含量，制备的工艺参数(温度，时间等)对复合改性沥青软化点提升的综合考察还鲜有报道，本文利用正交实验技术，考察了复合改性沥青中多聚磷酸含量，混合温度与时间对复合改性沥青的软化点的提升规律进行了实验研究，这些研究对指导复合改性沥青的制备具有一定的指导意义。

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

本研究所选择的基质沥青为SK70#，基本性能见表1；多聚磷酸，含量(以P2O5计)≥80%，化学纯；YH-791线型SBS，由湖北国创高新材料股份有限公司提供；糠醛抽出油。

表1 基质沥青性能

实验涉及的主要仪器设备有：剪切机，电动搅拌器，针入度仪，软化点仪，延度仪，改性沥青沥青性质分析均采用对应的国标或企标进行。

1.2 多聚磷酸/SBS改性沥青制备

多聚磷酸/SBS复合改性沥青的制备见图1，制备过程主要分两部分，一是SBS分散，第二部分是添加多聚磷酸后的发育过程，由于多聚磷酸的影响主要是第二部分，因此，本研究规划了相应的正交实验研究发育过程，因为SBS得分散状态对其改性效果有显著影响，本研究利用荧光显微镜观测了SBS的分散状态，图2为SBS改性沥青的荧光显微照片(放大倍数为：250倍)。由图2可见：SBS在沥青中分散较均匀。为了尽量消除样品制备所带来的实验误差，本研究首先制备4 kg SBS分散均匀的改性沥青，在搅拌均匀的情况下分成10 份，将其中1～9#样品按正交实验方案对应的条件完成实验。10#样品为空白样。

图1 多聚磷酸/SBS复合改性沥青制备方法

Fig.1 The preparation of PPA/SBS composite modified asphalt

图2 SBS改性沥青微观结构

Fig.2 The microstructure of SBS modified asphalt

1.3 正交试验设计

多聚磷酸/SBS复合改性沥青制备工艺中，多聚磷酸在发育阶段加入，影响沥青发育阶段的重要参数是发育时间、发育温度及多聚磷酸掺量，因此选择发育时间、发育温度及多聚磷酸掺量作为多路磷酸/SBS复合改性沥青制备的因子设计正交试验。正交试验表见表2、3。

表2 因子水平表

表3 三因素三水平正交试验设计表

2 试验结果与讨论

2.1 正交实验结果

依据正交实验方案规划的实验内容进行了相关实验，制备出了对应的复合改性沥青，测试了复合改性沥青的性质，依据数据处理方法进行了数据处理，表4是实验数据及处理后的结果。

表4发育阶段正交实验结果

注：表中K为各因子的水平数相同的各次实验指标的总和；R为极差；T为所有实验结果的总和。

2.1.1 直观分析

由表4对试验结果进行直观分析：比较9个试验结果可知，对于多聚磷酸/SBS复合改性沥青软化点来说，最好的因子水平是第三组试验(A1B3C3)；对于延度来说，最好的因子水平是第一组试验(A1B1C1)；另外由于针入度技术指标是一个范围，由实验结果数据可见，9组试验结果中软化点都有大幅提高，而针入度越大延度衰减的较少，因此本研究中的针入度在规定范围内要求越大越好，因此在这组正交试验中针入度最好因子水平是第六组试验(A2B3C1)。

2.1.2 计算分析

极差R的大小可用来衡量试验中相应因子对指标影响的显著性，比较R值，诸因子对各指标影响的显著性顺序为：

针入度：RC>RA>RB，对针入度影响最大的是多聚磷酸的掺量；

延度：RC>RA>RB，对延度影响最大的是多聚磷酸掺量，随着多聚磷酸掺量的增高逐渐降低；

软化点：RA>RB>RC，由此可见，对软化点影响最大的是发育温度，但是，通过多聚磷酸反应机理，对软化点影响最大的应该是多聚磷酸掺量。随着发育温度升高，沥青出现老化现象，不利于评价性能，因此显著性分析具有一定不合理性。

K值反应各因子水平对实验考核指标的好坏，综合显著性分析，比较K值分析比较好的因子水平为：

针入度：A2B3C1，

软化点：A1B3C3，

延度：A1B3C1。

由以上分析可知，因子A对软化点影响最大，对针入度延度影响次之，根据以上较好的条件，再综合四个指标情况，因子A应取水平1，即发育温度取170℃。

因子B对软化点影响较大，对其它的影响很小，因此因子B应取水平3，即发育时间取3 h。

因子C对延度针入度影响最大，因此因子C取水平1，即多聚磷酸掺量取0.5%。

由于软化点受发育温度影响，随着发育温度的升高，沥青会出现老化，导致软化点逐渐降低；针入度与延度受PPA掺量影响最大，随着PPA掺量的增加，针入度和延度都减小，当P独具磷酸掺量为0.5%，多聚磷酸/SBS复合改性沥青也远远超过I-D级，在针入度和延度都满足要求的条件下，软化点达到80℃以上，满足需求。

经上述综合平衡后，可选定该多聚磷酸/SBS复合改性沥青制备的最优试验条件为A1B3C1。

2.2 多聚磷酸掺量对SBS改性沥青性能的影响

随着多聚磷酸添加量的增加，SBS改性沥青性能提高，但当多聚磷酸掺量达到某一临界值时，随着多聚磷酸掺量的增加，虽然软化点得到提高，但是SBS改性沥青延度已经不能满足标准。下面列出数据如表5所示。

表5 多聚磷酸掺量对SBS改性沥青的影响

由表5数据可见多聚磷酸掺量越大针入度越小，在相同掺量下，针入度较接近；在保证延度满足标准要求的前提下，对SBS掺量为4%的复合改性沥青，对比没有添加多聚磷酸的SBS改性沥青，当多聚磷酸掺量为0.5%时，复合改性沥青的软化点提高了近20℃，且延度也大大提高，能满足I-D级标准。但当多聚磷酸掺量达到1.5%时，复合改性沥青的延度降低过多，不满足对应SBS改性沥青标准要求。

3 结论

在尽可能消除样品制备所带来的实验误差的前提条件下，多聚磷酸发育时间、发育温度及多聚磷酸掺量，对多聚磷酸/SBS复合改性沥青性能的影响，本研究得出如下结论：

(1)由综合平衡法分析多指标正交实验数据可得：对于针入度最优的发育条件为发育温度：175℃，发育时间：3 h；多聚磷酸掺量0.5%。对于延度最优的发育条件为发育温度：170℃，发育时间：3 h；多聚磷酸掺量0.5%。对于软化点最优的发育条件为发育温度：170℃，发育时间：3 h；PPA掺量1.5%。综合分析后得多聚磷酸/SBS复合改性沥青制备的最优发育条件为发育温度：170℃，发育时间：3 h；多聚磷酸掺量0.5%。

(2)由正交试验结果分析可得到，当多聚磷酸掺量小于1%时，改性沥青各项性能指标达到I-D级，并且软化点高出标准20℃，且少量的多聚磷酸掺量就能使各项性能得到很大改善；但当多聚磷酸掺量达到1.5%，虽然软化点有较大提升，但延度衰减较大。

[1] Darrell Fee,Rene Madonado,Gerald Reinke,et al. Polyphosphoric acid modification of asphalt[J]. Materials Science and Engineering,2010,2179:49-57.

[2] Xiao Feipeng,Amirkhanian Serji,Wang Hainian,et al. Rheological property investigations for polymer and polyphosphoric acid modified asphalt binders at high temperatures[J]. Construction and Buiding Materials,2014,64:316-323.

[3] 高利宁,张怀强,陈华鑫,等.多聚磷酸与SBS的混合试验研究[J].中外公路,2013,33(4):315-320.

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

[5] Jerry R.Modified Asphalt Cement Usage in Arkansas[C]//Presented at the Workshop on Polyphosphoric Acid Modification of Asphalt Binder.Minnesota:[s.n.],2009.

[6] 梁 皓.多聚磷酸与SBS复合改性沥青的工艺研究[J].公路交通科技,2014(12):35-36.

[7] 康爱红,陈 娟,孙立军. SBS改性沥青性能及显微形态结构分析[J]. 解放军理工大学自然学报(自然科学版),2012,13(6):702-706.

(本文文献格式：周 宇，王 燕，程 健.多聚磷酸/SBS复合改性沥青研究[J].山东化工,2017,46(7):33-36.)

Study on Polyphosphoric Acid/SBS Composite Modified Asphalt

ZhouYu1,2,WangYan1,2,ChengJian1,2*

(1.Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education, Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430073,China;2.Hubei Key Laboratory of Novel Chemical Reactor & Green Chemical Technology,Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073,China)

Because the booming development of road construction, the SBS modified asphalt need to meet higher standards，especially the softening point which to reflect high temperature performance of modified asphalt. Though raising the content of SBS can meet the requirement,but the expense of the asphalt will increase at the same time,and high content of SBS is difficult to scattered in asphalt,the higher scatter temperature will also lead asphalt to aging. Compound modification is one of the reasonable way to solve the problem. This paper has researched the softening point of SBS modified asphalt which was improved by SBS and Polyphosphoric Acid. Through the orthogonal experiment,the time and the temperature of action ,the content of Polyphosphoric Acid which could affect the performance of the composite modified asphalt. The results showed that after the Polyphosphoric Acid and SBS has been modified,the softening point of composite modified asphalt has improved,and the other indicators can be guaranteed,it can meet the standard of the industry.

polyphosphoric acid;SBS;composite modified asphalt

2017-02-22

周 宇(1991—)，女，安徽芜湖人，硕士研究生，研究方向：道路沥青材料；通讯作者：程 健，工学博士，教授。

U414

A

1008-021X(2017)07-0033-04