多聚磷酸与SBS复合改性沥青性能研究*

黄晓炎 叶群山

(长沙理工大学交通运输工程学院 长沙 410114 )

目前，应用较多的沥青改性剂主要为SBS(苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物)和橡胶粉这两类。SBS改性沥青具有优异的高、低温性能，在公路建设上应用最多，但由于其购买成本较大，一般用于高等级公路建设中，其应用范围较狭窄。相对于成本较高、改性工艺较为复杂的聚合物改性沥青，酸改性沥青具有价格低廉、加工简单、沥青性能改善明显等优点，有着良好的应用前景[1-3]；以多聚磷酸(polyphosphoric acid，PPA)作为沥青改性剂，能够有效地改善沥青的高温性能，同时具备其他酸改性沥青的生产工艺、成本等方面的优势，在国外已得到了一定的研究和应用[4]。

本文主要对PPA改性剂和SBS改性剂复合改性而成的沥青性能进行试验研究，分析SBS改性剂和PPA改性剂复掺后对沥青性能的影响和2种改性剂之间的互相影响。

1 试验材料和试验方法

1.1 原材料

本研究中采用的基质沥青为湖南宝利沥青有限公司生产的70号重交沥青，表1为其相关技术指标。采用长沙晶康新材料科技有限公司生产的PPA改性剂，其P2O5含量≥80%，氯化物含量≤0.001%，硫酸盐含量≤0.02%，重金属含量≤0.01%，铁含量≤0.01%。SBS改性剂为线形结构类型，嵌段比为30/70，灰分为0.2%，拉伸强度为15 MPa，扯断伸长率为750%，扯断永久变形为30%。

表1 沥青技术指标

1.2 PPA&SBS复合改性沥青的制备和试验方案

本研究中将PPA的掺量定为1%，SBS的掺量分别为3%，4%，5%；制备PPA&SBS复合改性沥青时，先将SBS改性剂拌入150 ℃基质沥青中，并保持溶胀30 min，然后在180 ℃时加入PPA改性剂并以4 000 r/min的转速对掺配的沥青高速剪切90 min，最后在150 ℃的温度下保温发育30 min。

流变性能试验采用的仪器为奥地利Anton Paar公司生产的Physica MCR 301型动态剪切流变仪，进行温度扫描试验，试验温度区间为30～78 ℃，荷载频率为10 rad/s，采用25 mm底盘。对PPA&SBS复合改性沥青的性能试验包括流变性能试验、老化性能试验和存储稳定性试验。

2 结果与分析

2.1 流变性能

PPA&SBS复合改性沥青流变性能试验结果见图1。

a) 车辙因子

b) 复数剪切模量

c) 相位角

由图1a)和图1b)可见，PPA&SBS复合改性沥青的车辙因子和复数剪切模量均随SBS改性剂掺量的增加而增加，SBS改性剂的添加能显著提升沥青的高温稳定性，同时也说明PPA改性剂与SBS改性剂的复掺效果良好，两者对于沥青高温性能的提升可互相叠加而不受对方影响[5]。由图1c)可见，随着SBS改性剂掺量的增加，相位角在试验温度范围内变化的幅度也越小，曲线变化越平缓，这是由于SBS在沥青中吸附轻质组分溶胀后形成稳定的立体网状结构，提高了沥青在高温状态时的弹性性质，并进一步说明了SBS改性剂在PPA&SBS复合改性沥青中的改性作用是独立且不受PPA改性剂影响的[6-7]。

2.2 老化后流变性能

对不同掺量的PPA&SBS复合改性沥青进行旋转薄膜加热试验(RTFOT)来评价其老化性能，与常规不同的是，在做完老化试验后，本研究中将老化后的沥青做DSR温度扫描试验，与未被老化的沥青的DSR温度扫描试验结果进行对比，试验结果见图2～图4。

图2 PPA&SBS复合改性沥青老化前后车辙因子对比图

图3 PPA&SBS复合改性沥青老化前后复数剪切模量对比图

图4 PPA&SBS复合改性沥青老化前后相位角对比图

由图2可见，不同SBS掺量的PPA&SBS复合改性沥青在被老化后，车辙因子值均变大，与未被老化的PPA&SBS复合改性沥青相比，4%SBS掺量的PPA&SBS复合改性沥青其变化间隔最大，其次是3%SBS掺量的PPA&SBS复合改性沥青，5%SBS掺量的PPA&SBS复合改性沥青最小。3%与5%SBS掺量的PPA&SBS复合改性沥青老化前后车辙因子变化间隔相差不多。由于复数剪切模量与车辙因子成正比关系，所以其与车辙因子的结果大体相同，详见图3。

PPA&SBS复合改性沥青在被老化后，相位角的值均变小，由图4可以得到，随着温度的升高，相位角从以前的S形变成了先下降后上升的凹形曲线，这可能是由于老化过程中沥青的部分SBS改性剂老化分解造成的；因此，使用PPA和SBS改性剂对沥青进行复合改性，能够提高沥青的抗老化性能，通过添加PPA改性剂减少SBS的掺量能在一定程度上避免SBS改性剂老化分解后对沥青性能的影响。

2.3 储存性能

在存储性试验中，将制备好的PPA&SBS复合改性沥青装于试管中在163 ℃的烘箱里放置2 d，然后取出冷却至常温，放入冰箱冷冻室冻至脆硬，敲碎后取上1/3段和下1/3段的沥青，进行软化点试验，计算两者软化点差，评价离析程度。其具体结果见表2。

表2 不同掺量SBS复合改性沥青储存试验结果

由表2可见，随着SBS改性剂掺量的增加，上、下部软化点的差值也越大，符合一般聚合物改性沥青存储性的规律，因此3%SBS掺量的PPA&SBS复合改性沥青离析程度最小，储存性能较好。同时也证明了添加适量的PPA不会影响SBS改性沥青的储存稳定性能。

3 结语

1) PPA&SBS复合改性沥青中SBS和PPA改性剂均能提高沥青的高温性能，2种改性剂复掺后对沥青的高温性能有较好的改善作用。

2) PPA&SBS复合改性沥青的SBS改性剂掺量越多，沥青的抗老化性能越好，PPA改性剂对沥青的抗老化性能也有一定的改善作用，PPA的复掺可在一定程度上降低因SBS老化分解而造成的对沥青性能影响。

3) SBS改性剂的掺量越多，PPA &SBS复合改性沥青的存储性越差，PPA改性剂对改性沥青的存储性能影响较少。

[1] MENAPACE A,HEMSLEY M. Asphalt modification via polyphosphoric acid and polymers formulations,binder properties and mixture performance[C]. WRI/FHA Symposium,“Additives us-ed in Asphalt Pavements”. Cheyenne,WY:2004．

[2] REINKE G．A review of the current situation regarding polyphosphoric acid modified binder[C].The Ass-ociation of Modified Asphalt Producer-s Meeting. Saint Louis，USA: AMAP,2005．

[3] FALKIEWICZ M, GRZYBOWSKI K. Polyphosphoric acid in asphalt Modi-fication[C].Petersen Asphalt Conference. Cheyenne,WY:2004.

[4] 毛三鹏,熊良铨.多聚磷酸在SBS改性沥青中的应用研究[J].石油沥青,2010,24(5):28-32.

[5] 王云普,张峰.多聚磷酸与SBR复配改性国产90号沥青的研究[J].石油炼制与化工,2007,38(9):52-56.

[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):252-255.

[7] 袁玉卿,高丹盈,王选仓，等.SBS改性沥青应力吸收层防裂机理及其效果分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2010,34(5):969-972,977.