多聚磷酸改性沥青性能研究

2018-08-28刘邦胜

西部交通科技 2018年6期

黄刚，王鹏，刘邦胜

(1.广西交通科学研究院有限公司，广西南宁 530007；2.广西新恒通高速公路有限公司，广西南宁 530000)

0 引言

国外对于多聚磷酸改性沥青的研究开始于20世纪80年代，被美国公路战略研究计划用来提高沥青流变性能和软化点指标，Superpave TM在没有氧化和粘合剂情况下，采用多聚磷酸改性沥青提升沥青的PG分级，之后当PG-PLUS证实多聚磷酸对沥青粘弹性和延展性有较强的改善效果，多聚磷酸开始被广泛作为改性剂应用于沥青改性中，以提高沥青性能。在20世纪90年代后期，SBS和多聚磷酸开始成为应用最多的沥青改性剂[1]。Zhang Feng等对多聚磷酸改性沥青的老化性能进行了研究，并建立以软化点为参数的老化动力学模型，分析基质沥青以及多聚磷酸改性沥青老化的动力学过程，发现与基质沥青相比，多聚磷酸改性沥青可以显著提高沥青的抗老化性和高温性能[2]。2004年Michael Falkiewicz-Astaris在Cheyenne，WY举行的FHA研讨会上指出，多聚磷酸可以改善沥青的水敏感性，同时对沥青粘附性基本没有不利影响，另外其对比不同类型的沥青性能后发现PPA可以提高沥青的粘附性、储存稳定性以及高温性能[3]。SerjiAmirkhanian等人经过研究认为，采用10%～40%橡胶粉掺量的沥青，可以和多聚磷酸反应得到最高黏度值的沥青，同时在集料中减少1%的添加剂所产生的不利影响，可以通过增加0.5%的PPA掺量抵消[4]。

纵观国内外学者基于多聚磷酸改性沥青性能的研究情况，大致认为多聚磷酸能显著改善沥青结合料的高温性能、抗老化性能、存储稳定性、抗车辙能力等，但对其低温性能和相关性能评价指标之间的相关性研究相对较少。故本文对不同掺量、不同种类的多聚磷酸与高温性能、感温性能、低温性能以及抗老化性进行研究，并且与基质沥青进行对比分析，揭示不同掺量、不同种类多聚磷酸对沥青高温性能、感温性、低温性能以及抗老化性能的改性效果，同时确定其最佳掺配比。

1 试验材料及制备工艺

1.1 沥青

本文试验过程采用阿尔法(江阴)沥青有限公司提供70#A级基质沥青(阿尔法70#)和山东东明石化集团生产的路畅70#A级沥青(路畅70#)，其技术指标如表1所示。

1.2 多聚磷酸

本文试验选用广西越洋化工实业集团生产的105%多聚磷酸(YY-105)，其具体指标如表2所示。

1.3 制备工艺

将基质沥青加热到150 ℃左右，然后逐渐加入预称量好的多聚磷酸，使用高速剪切乳化机以3 500 r/min转速进行高速剪切，剪切时间为6 min，即制得多聚磷酸改性沥青。

2 多聚磷酸改性沥青高温性能

2.1 高温性能评价指标

选择路畅70#A级和阿尔法70#A级沥青，YY-105多聚磷酸的掺量有三种(0.5%、1.0%、1.5%)，基于上文的多聚磷酸改性沥青制备工艺，制备沥青后马上浇注试模，进行软化点和25 ℃针入度试验。沥青路面在夏季高温下，路面表面温度达到60 ℃以上，因而本文采用60 ℃为扫描温度，通过DSR进行测试，试验基于AASHTO标准TP5-93，采用应变式控制模式，试样应变值γ为12%，试验频率w为10 rad/s，基质沥青选用路畅70#A级沥青，多聚磷酸选用YY-105，多聚磷酸掺加剂量为0%、0.5%、1.0%和1.5%。常规试验和DSR试验得到的高温性能指标结果分别如图1～4所示。

图1 不同掺量多聚磷酸下的沥青软化点曲线图

图2 不同掺量多聚磷酸下的沥青针入度曲线图

图3 不同掺量多聚磷酸下的沥青车辙因子曲线图

图4 不同掺量多聚磷酸下的沥青相位角曲线图

由图1～4可知：

(1)加入多聚磷酸后，沥青的高温性能得到改善，且随着多聚磷酸掺量增加，高温性能改善得更加显著。此外从四张图中均可以看出，多聚磷酸在0～1.0%掺量范围内，曲线呈现递增或者递减；在1.0%处，曲线均有拐点；>1.0%后曲线的变化趋势趋于平缓，说明多聚磷酸的最佳掺量在1.0%左右。

(2)当多聚磷酸种类相同时，同一多聚磷酸掺量时，多聚磷酸对阿尔法基质沥青的高温性能改善效果略好于路畅基质沥青。

(3)随着多聚磷酸掺量的增加，改性沥青的抗车辙因子逐渐增大，这说明多聚磷酸能够显著提高沥青的高温稳定性。出现这种结果的原因是加入多聚磷酸后，沥青的重均分子量、数均分子量和分散系数均有不同程度的明显提高[5]。在微观上抵抗剪切变形能力越强，被多聚磷酸改性后的沥青其抗车辙因子就增大，高温性能得到明显改善，且随着多聚磷酸掺量增加车辙因子越大，高温性能得到进一步提高[6]。

(4)随着多聚磷酸掺量的增加，改性沥青的相位角逐渐减小，这说明多聚磷酸的增加改善了沥青胶浆的弹性性能。

2.2 高温性能指标之间的相关性

(1)60 ℃抗车辙因子与25 ℃针入度的关系见图5。

图5 60 ℃抗车辙因子与针入度关系示意图

从图5可以得出，60 ℃抗车辙因子与25 ℃针入度相关性R2=0.800 5>0.8，说明相关性良好。

(2)60 ℃抗车辙因子与软化点的关系见图6。

从图6可以得出，60℃抗车辙因子与软化点相关性R2=0.938 6>0.8，说明相关性良好。

3 多聚磷酸改性沥青低温性能

目前，关于沥青结合料低温性能主要通过脆点试验、延度试验和弯曲流变试验来评价。本文采用延度试验来评价沥青混合料的低温性能，试验结果如图7所示。

图7 不同掺量多聚磷酸下的沥青低温延度曲线图

由图7可知：

(1)加入多聚磷酸后，两种基质沥青的10 ℃延度都明显下降，且随着掺量的增加，延度越低。多聚磷酸掺量从0到0.5%时曲线下降显著；掺量从0.5%到1.0%时曲线下降幅度变缓。此外，掺量从1.0%到1.5%时，延度明显偏低，有时候延度试验会出现脆断现象，说明多聚磷酸掺量不宜超过1.0%。

(2)当多聚磷酸种类相同，同一掺量时，多聚磷酸对阿尔法基质沥青低温性能的负面作用比路畅基质沥青相对更小。

4 多聚磷酸改性沥青感温性能

有研究表明[5]，在针入度评价体系中表述沥青性能适用温度的范围较窄，用PI评价改性沥青感温性能时，PI值仍有较大的差异，变异系数较高，因此对于多聚磷酸改性沥青及其复配改性沥青并不适用。SHRP提出了一套基于DSR性能测试，用来表征沥青使用性能的试验方法——复数模量指数法(GTS)，它是利用DSR来测定沥青在中、高温区的感温性能。

复数模量指数是由G*回归得到的，纵坐标用G*的双对数，横坐标为绝对温度T的对数，做出关系图，从而回归求出GTS。而lglgG*和lgT有很好的线性关系，如式1所示：

lglgG*=GTS·lgT+C

(1)

式中：G*——复数剪切模量，Pa；

T——试验温度，以绝对温度表示，K；

C——常数；

GTS——复数模量指数，表示沥青在高、中温区的感温性。

根据式1可知用双对数G*回归计算才得到GTS，所以在试验进行中，基于DSR对每个温度处G*的测试误差相对整个GTS指标值影响相对较小。综上所述，通过G*回归计算得到的复数模量指数GTS比针入度指数PI去评价沥青混合料的感温性能更加科学、可靠。

因为常温下沥青粘稠度相对较大，而夏季时，路面温度可达60 ℃以上，因此本文研究60 ℃～72 ℃时沥青混合料的感温性能。试样配制、制样过程同60 ℃温度扫描，基质沥青为路畅70#A级沥青，多聚磷酸采用YY-105，DSR扫描结果如表3所示。

根据扫描结果，基于公式1求出GTS，具体数据如表4和图8所示。

图8 多聚磷酸改性沥青lgT-lglgG*关系示意图

由表4和图8可知：

(1)随着多聚磷酸掺量的增加，复数模量指数GTS的绝对值逐渐变小，直线趋于平稳，沥青感温性能得到改善。这表明随着多聚磷酸增加，GTS受温度影响的变化趋势减小。从表4可知，|-6.331 4|>|-5.565 7|>|-4.667 5|>|-4.470 4|，随着多聚磷酸增加，曲线斜率绝对值越小。沥青感温性能得到改善的原因是由于加入多聚磷酸后，沥青变粘稠，打破了沥青质团簇，这样沥青质在沥青软组分中的分散度得到增强，这些分散的沥青质之间能够形成稳定的空间网络，使沥青高温性能得到改善，进而使沥青的感温性能也得到改善[5]。

(2)多聚磷酸掺量从0到1.0%时，GTS降幅相对较大；多聚磷酸掺量>1.0%后，GTS降幅相对较小。多聚磷酸掺量从0～1.5%，GTS的绝对值减小值依次分别为12.1%、26.3%、29.4%。另外，多聚磷酸掺量从0～1.0%，GTS降幅逐渐增大，而多聚磷酸掺量>1.0%后，GTS降幅变化趋势相对平缓，这说明多聚磷酸的最佳掺量为1.0%左右。

5 多聚磷酸改性沥青老化性能

5.1 老化性能评价指标

本研究分别基于旋转薄膜加热试验(RTFOT)和DSR来评价多聚磷酸改性沥青的短期老化性能。试验选取YY-105多聚磷酸对沥青进行改性，多聚磷酸掺量为0%、0.5%、1.0%和1.5%，基质沥青为路畅70#A级沥青，研究其老化后性能指标，探讨多聚磷酸对沥青老化性能的影响。具体的试验结果如图9～13所示。