SBS/多聚磷酸复合改性沥青低温蠕变特性分析

杨晓林

（甘肃省公路管理局，甘肃 兰州 730030）

0 引言

多聚磷酸（Poly Phosphoric Acid）也称四聚磷酸，是正磷酸（H3PO4）、焦磷酸（H4P2O7）、三聚磷酸（H5P3O10）和四聚磷酸（H6P4O13）的混合液。其分子结构以线型开链配置为基础，形成线型的缩合磷酸。常温下呈无色透明粘稠状液体，易潮解，不结晶，具有一定的腐蚀性。早在20世纪70年代，为改善沥青的路用性能，美国的道路工作者尝试将多聚磷酸作为沥青的一种化学改性剂，应用于道路石油沥青的改性中。一方面，多聚磷酸呈粘稠液体状态，改性沥青的生产过程无需特殊的加工设备，对生产温度也无特殊要求；另一方面，多聚磷酸在沥青中的掺量较少，与SBS改性沥青相比可节约其材料与加工成本约30%，多聚磷酸改性沥青的价格优势明显。因此，近年来多聚磷酸改性沥青的研究受到了越来越多的关注。

多聚磷酸可以显著改善沥青的高温性能，这一点已在国内外相关研究中达成共识。根据郝培文、张铭铭、毛三鹏等人的研究结果，多聚磷酸对沥青低温性能有一定的负面影响[1～3]。丁海波采用动态力学分析法考察了多聚磷酸改性沥青的低温流变特性，并与菲拉斯脆点进行比较，认为多聚磷酸改性沥青的低温性能很大程度上取决于基质沥青的组分、多聚磷酸的加入使沥青的低温劲度增大[4]；曹卫东等认为当多聚磷酸掺量2%时，多聚磷酸的添加对沥青低温蠕变模量的影响不显著[5]；尉燕斌等采用延度指标评价沥青多聚磷酸改性沥青的低温性能，发现多聚磷酸的添加使沥青的低温延度显著下降[6]。为减少多聚磷酸对沥青低温性能的损伤，刘红瑛等采用多聚磷酸与SBS或SBR复配改性沥青技术，认为多聚磷酸与聚合物复配改性法可以在改善沥青高温稳定性的同时，减少多聚磷酸对沥青低温性能的损伤，并有效解决SBS改性沥青在储存和运输过程中的离析现象[7]。本文采用低温蠕变试验，深入分析多聚磷酸掺量对多聚磷酸/SBS改性剂复合改性沥青低温特性的影响，并与SBS改性沥青相比较，为SBS/多聚磷酸复合改性沥青的应用和研究提供理论依据。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

本文选用SK90号基质沥青。基质沥青四组分及基本性能如表1所示。

表1 SK90基质沥青技术指标

1.1.2 多聚磷酸

本研究选用工业级的H2PO3含量为105%的多聚磷酸作为改性剂，其主要技术性能如表2所示。

表2 多聚磷酸技术指标

1.1.3 SBS 改性剂

SBS改性剂采用岳阳石化1301（YH791），其技术指标如表3所示。

表3 岳阳石化1301技术指标

1.2 SBS/多聚磷酸复合改性沥青制备方法

1.2.1 SBS 改性沥青制备

采用剪切研磨法制备SBS改性沥青。其加工工艺为：基质沥青加热至180℃，加入增溶剂1%、SBS改性剂4.5%（外掺），以4000转/分钟的速率剪切40分钟，再加入0.1%稳定剂剪切5分钟，置于160℃恒温烘箱发育2小时。

1.2.2 SBS/多聚磷酸复合改性沥青制备

多聚磷酸/SBS复合改性沥青的生产过程要兼顾两种材料的特性，一方面要保证SBS改性剂的充分剪切和溶胀而不能使SBS改性剂颗粒过分细小导致降解，另一方面又要保证多聚磷酸能发挥其最佳性能。其制备工艺为：基质沥青加热至180℃加入增溶剂1%、SBS改性剂3.5%（外掺），以4000转/分钟的速率剪切40分钟，再加入0.1%稳定剂剪切5分钟，置于160℃烘箱发育1.5 小时，分别添加 0.4%、0.8%、1.2%、1.6% 多聚磷酸（相对基质沥青质量、外掺），剪切约10分钟。

1.3 弯曲梁流变试验测试方法

弯曲梁流变试验测试对象为经过短期老化（RTFOT）和长期老化（PAV）的沥青小梁试样。一般采用-6℃、-12℃、-18℃、-24℃的测试温度。试验过程为对小梁试件进行约300Mp应力蠕变加载，通过不断增大的应变模拟路面在降温过程中的温度应力造成的应变累积。根据粘弹性材料的时温换算关系，选取蠕变60秒时记录的蠕变劲度S以及应变变形速率m值代表沥青在相应测试温度降低10℃条件下7200秒加载的低温性能参数，蠕变劲度的计算公式如式（1）。

其中：P—恒定荷载（N）；

l—沥青试件梁的跨距（mm）；

b—沥青试件梁的宽度（mm）；

h—沥青试件梁的高度（mm）；

vt()—沥青试件梁中点处的变形（mm）。

当沥青结合料的低温劲度模量超过相应温度下的极限劲度模量或应变速率小于规定值，沥青路面便产生温缩裂缝。SHRP针对对沥青结合料低温性能，规定其蠕变60s的极限劲度模量小于300MPa，应变变形速率大于0.3。

2 试验结果与分析

2.1 SBS/多聚磷酸复合改性沥青劲度模量

SBS改性沥青、SBS/多聚磷酸复合改性沥青不同温度下弯曲梁流变试验蠕变劲度模量测试结果如图1所示。分析图1可得到以下结论：

图1 不同温度SBS改性沥青及SBS/多聚磷酸复合改性沥青低温蠕变劲度试验结果

1）基质沥青、SBS改性沥青以及SBS/多聚磷酸复合改性沥青的蠕变劲度模量均随着试验温度的降低而迅速增大；使用曲线斜率表示温度对蠕变劲度模量的影响程度，温度越低，曲线斜率越大，说明随着温度的降低，沥青蠕变劲度模量的增长速率变大；基质沥青、SBS改性沥青以及SBS/多聚磷酸复合改性沥青的温度—蠕变速率曲线接近平行，说明温度降低对蠕变劲度模量的影响程度相似。

2）在相同的测试温度下，基质沥青的蠕变劲度最小、其次为SBS改性沥青、各多聚磷酸掺量下的SBS/多聚磷酸复合改性沥青的蠕变劲度均较大，且多聚磷酸掺量越多，SBS/多聚磷酸复合改性沥青的蠕变劲度模量越大。-6℃时，0.4%、0.8%、1.2% 和 1.6% 多聚磷酸掺量的复合改性沥青劲度模量分别是4.5%SBS改性沥青的1.42倍、1.60 倍、2.12 倍 和 2.60 倍；-12℃ 时，0.4%、0.8%、1.2%和1.6%多聚磷酸掺量的复合改性沥青劲度模量分别是 4.5%SBS 改性沥青的 1.10 倍、1.21 倍、1.41 倍和1.60 倍；-18 ℃ 时，0.4%、0.8%、1.2% 和 1.6% 多 聚磷酸掺量的复合改性沥青劲度模量分别是4.5%SBS改性沥青的 1.11 倍、1.17 倍、1.30 倍和 1.50 倍，这一增长规律说明，尽管复合改性沥青的蠕变劲度模量随着多聚磷酸掺量的增加而增大，但其在各温度条件下的增长幅度不同，测试温度越高时，劲度模量的增长对多聚磷酸掺量的变化较敏感，而温度越低，多聚磷酸掺量对复合改性沥青劲度模量的影响越小；同温度条件下，掺量对劲度模量增长的影响规律也说明，在多聚磷酸掺量小于0.8%时，SBS/多聚磷酸复合改性沥青的劲度模量相对于4.5%改性剂掺量的SBS改性沥青差别不大。

2.2 SBS/多聚磷酸复合改性沥青应变变形速率

SBS改性沥青、SBS/多聚磷酸复合改性沥青不同温度下弯曲梁流变试验应变变形速率测试结果如图1所示。分析图1可得到以下结论：

图2 不同温度SBS改性沥青及SBS/多聚磷酸复合改性沥青应变变形速率试验结果

SBS改性沥青、SBS/多聚磷酸复合改性沥青不同温度下弯曲梁流变试验应变变形速率测试结果如图1所示。分析图1可得到以下结论：

1）基质沥青、SBS改性沥青以及SBS/多聚磷酸复合改性沥青的应变变形速率均随着试验温度的降低而减小，温度越低，沥青材料的应力松弛能力越差；本文所研究的各沥青温度—应变变形速率曲线接近平行，说明温度降低对应变变形速率的影响程度相似。

2）在同一测试温度下，对比基质沥青、SBS改性沥青、SBS/多聚磷酸复合改性沥青的应变变形速率m值发现；SK90号基质沥青的应变变形速率最大，其次为改性剂掺量为4.5%的SBS改性沥青、SBS/多聚磷酸复合改性沥青的蠕变速率随着多聚磷酸掺量的增加逐渐减小，可见多聚磷酸的添加使复合改性沥青的松弛性能变差。多聚磷酸掺量为0.4%时，SBS/多聚磷酸复合改性沥青的应变速率与4.5%SBS改性沥青相近，而多聚磷酸掺量大于1.2%后，复合改性沥青的应变变形速率下降幅度增大，说明多聚磷酸掺量越大，复合改性沥青低温下的应力松弛性能越差。

3 结语

1）SBS/多聚磷酸复合改性沥青的蠕变劲度模量随温度的降低而显著增大，复合改性沥青的劲度模量大于基质沥青和SBS改性沥青，且多聚磷酸掺量越多复合改性沥青的蠕变劲度模量越大；但随着测试温度的进一步降低，多聚磷酸掺量对改性沥青劲度的影响程度减小。

2）多聚磷酸改性沥青的应变变形速率值随着测试温度降低而逐渐减小，多聚磷酸掺量越大、改性沥青的应力松弛性能越差。与4.5%SBS掺量的SBS改性沥青相比，SBS/多聚磷酸复合改性沥青的应变变形速率减小；在多聚磷酸掺量小于1，2%时，复合改性沥青的低温抗裂性能降低较小，超过这一掺量则应变变形速率迅速减小。因此，从低温性能考虑，复合改性沥青中多聚磷酸的掺量应小于 1.2%。