PPA/SBS及PPA/橡胶粉复合改性沥青性能

2021-04-09马峰郭兴隆傅珍冯乔袁康博温雅噜

应用化工 2021年3期

马峰，郭兴隆，傅珍，冯乔，袁康博，温雅噜

(1.长安大学公路学院，陕西西安 710064；2.长安大学材料科学与工程学院，陕西西安 710064)

SBS和橡胶粉能够显著提高沥青的路用性能[1-2]，但SBS和橡胶粉价格高昂，大量使用会增加建设成本[3-4]。多聚磷酸(PPA)是一种沥青化学改性剂，在SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青中复掺PPA，能够在保证两种改性沥青原有性能的同时，大幅减少SBS和橡胶粉的掺量，一定程度上弥补了原改性沥青造价高的缺陷[5-8]。目前关于PPA复合改性沥青的研究，主要为单独研究PPA与SBS或橡胶粉复掺对沥青性能的影响[9-11]，很少将PPA/SBS复合改性沥青与PPA/橡胶粉改性沥青在高低温及老化性能等方面的差异性进行对比研究。本文对比研究了PPA对SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青高低温性能以及抗老化性能影响规律以及两者的差异性。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

SK90#沥青(基质沥青)，其技术指标见表1；多聚磷酸(PPA，纯度为115%)，工业级，其技术指标见表2；线形SBS改性剂，其基本性能指标见表3；60目脱硫橡胶粉，其技术指标见表4。

表1 沥青主要技术指标Table 1 Main technical indexes of asphalt

表2 PPA基本技术指标Table 2 Technical properties of polyphosphoric acid

表3 SBS改性剂基本性能指标Table 3 Technical properties of SBS modifier

表4 橡胶粉基本性能指标Table 4 Technical properties of rubber powder

WSY-026数显式沥青针入度测定仪；WSY-025E数显沥青软化点测定仪；LYY-8低温沥青延伸度测定仪；NDJ-1C布氏旋转粘度仪。

1.2 改性沥青制备

1.2.1 PPA/SBS复合改性沥青制备将基质沥青加热至160 ℃，掺加SBS(掺量占沥青质量的2.8%)，搅拌5 min。继续将沥青加热至165～170 ℃，剪切45 min，剪切速率为5 000 r/min。添加PPA(占基质沥青质量0.4%，0.8%，1.2%，1.6%)，剪切20 min。在170 ℃的环境中溶胀发育60 min。

1.2.2 PPA/橡胶粉复合改性沥青制备将基质沥青加热至175 ℃，掺加18%掺量的橡胶粉，搅拌5 min。将沥青加热至175～180 ℃，剪切45 min，剪切速率为5 000 r/min。添加PPA(占基质沥青质量0.4%，0.8%，1.2%，1.6%)，剪切20 min。在170 ℃的环境中溶胀发育60 min。

1.3 性能测试

采用薄膜加热试验(TFOT)对基质沥青、PPA复合改性沥青进行老化，在163 ℃的环境下对沥青加热5 h，模拟沥青受外界环境影响而产生的老化。

测试PPA/SBS及PPA/橡胶粉复合改性沥青 25 ℃ 针入度、软化点、5 ℃延度以及135 ℃和 175 ℃ 下的布氏粘度。然后对样品进行短期老化处理，研究样品的质量变化、残留针入度比和软化点增量。

2 结果与讨论

2.1 高温性能

2.1.1 软化点对基质沥青、5%SBS改性沥青、不同掺量PPA/SBS及PPA/橡胶粉复合改性沥青分别进行软化点测试，结果见表5。

表5 不同掺量PPA复合改性沥青软化点Table 5 Softening point of PPA composite modified asphalt with different content

由表5可知，当PPA掺量为0.4%时，PPA/SBS复合改性沥青的软化点与PPA/橡胶粉复合改性沥青仅相差0.8 ℃，说明在该掺量下，PPA对两种沥青软化点的影响差距不大，且软化点较基质沥青均有明显提升。当PPA掺量为1.6%时，PPA/SBS复合改性沥青软化点和PPA/橡胶粉复合改性沥青的软化点均远大于基质沥青的软化点，说明PPA的加入使得PPA/SBS复合改性沥青及PPA/橡胶粉复合改性的高温稳定性都有一定的提升，且二者的软化点随着PPA掺量的增加而逐渐提高。在PPA掺量为 0.8%，1.2%和1.6%的情况下，两种改性沥青软化点相差11.5 ℃，12.9 ℃和13.5 ℃，差距有扩大趋势，说明PPA/SBS复合改性沥青高温性能改善效果优于PPA/橡胶粉复合改性沥青。

2.1.2 针入度对不同掺量PPA/SBS及PPA/橡胶粉复合改性沥青测试25 ℃针入度，结果见表6。

表6 不同掺量PPA复合改性沥青 25 ℃针入度Table 6 The penetration of PPA composite modified asphalt with different content

由表6可知，随着PPA掺量的增加，PPA/SBS复合改性沥青针入度逐渐减小，当PPA掺量为1.6%时，针入度达到几组样品的最小值50.6。当PPA掺量为0.4%时，PPA/SBS复合改性沥青比5%SBS改性沥青针入度高3.1，当掺量为0.8%时与5%SBS针入度基本相等。掺量继续增加，PPA/SBS复合改性沥青逐渐低于5%SBS改性沥青，且差距有增大趋势，说明加入PPA可以提高SBS改性沥青粘稠度，从而增强其高温稳定性。

当PPA掺量增加时，PPA/橡胶粉复合改性沥青针入度逐渐降低，当掺量为1.6%时，针入度达到最小值61.4，但仍然高于5%SBS改性沥青针入度，且各掺量下PPA/橡胶粉复合改性沥青针入度均比5%SBS改性沥青高。此外，横向对比两组数据可知，PPA/橡胶粉复合改性沥青针入度均高于PPA/SBS复合改性沥青，同一PPA掺量下，PPA/SBS复合改性沥青针入度均低于PPA/橡胶粉复合改性沥青，说明PPA/SBS复合改性沥青比PPA/橡胶粉复合改性沥青拥有更大的粘度，其高温性能更佳。

2.2 布氏粘度

表7为各掺量PPA/SBS及PPA/橡胶粉复合改性沥青的布氏粘度。

表7 PPA/SBS及PPA/橡胶粉复合改性沥青布氏粘度Table 7 The Brookfield viscosity of PPA/SBS and PPA/rubber powder composite modified asphalt

由表7可知，PPA/SBS及PPA/橡胶粉复合改性沥青的135 ℃和175 ℃布氏粘度均远高于基质沥青。1.6%掺量PPA/SBS复合改性沥青135 ℃和175 ℃布氏粘度分别为3.12，0.75 Pa·s，其 135 ℃ 布氏粘度是基质沥青的10倍，175 ℃布氏粘度是基质沥青的3倍。1.6%掺量PPA/橡胶粉复合改性沥青135 ℃和175 ℃布氏粘度分别为6.03，1.31 Pa·s，其135 ℃布氏粘度是基质沥青的16倍，175 ℃布氏粘度是基质沥青的6倍。随着PPA掺量的增加，两种复合改性沥青的135 ℃和175 ℃布氏粘度均随之提高。同一温度下，PPA/橡胶粉复合改性沥青粘度值明显高于PPA/SBS复合改性沥青，说明在SBS及橡胶粉改性沥青中掺入PPA可以显著提升沥青的粘度，且PPA/SBS复合改性沥青粘度提升效果更明显。

2.3 低温性能

各掺量PPA/SBS及PPA/橡胶粉改性沥青的5 ℃ 延度见表8。

表8 不同掺量PPA复合改性沥青的5 ℃延度Table 8 The ductility of PPA composite modified asphalt with different content

由表8可知，基质沥青延度为5.54 cm；当PPA掺量为0.4%时，PPA/SBS复合改性沥青延度为17.7 cm，PPA/橡胶粉复合改性沥青延度为13.2 cm，当PPA掺量增加至1.6%时，前者延度降至9.55 cm，后者则降至10.1 cm。说明PPA的加入对SBS及橡胶粉改性沥青低温延展性有一定的削弱。PPA/SBS复合改性沥青延度比PPA/橡胶粉复合改性沥青下降更快，表明PPA对橡胶粉改性沥青低温性能的削弱程度低于SBS改性沥青。

2.4 抗老化性能

2.4.1 残留针入度基质沥青、各掺量PPA/SBS及PPA/橡胶粉复合改性沥青的残留针入度比见表9。

表9 不同掺量PPA复合改性沥青的残留针入度比Table 9 Residual penetration ratio of PPA modified asphalt with different content

由表9可知，基质沥青老化后残留针入度比为0.69，当掺入PPA后，PPA/SBS及PPA/橡胶粉复合改性沥青的残留针入度比都有所提高，且两种改性沥青的残留针入度比与PPA成正比。横向对比两种改性沥青，在同一PPA掺量下，PPA/SBS复合改性沥青残留针入度比小于PPA/橡胶粉复合改性沥青。5%SBS改性沥青残留针入度比为0.72，低于PPA/SBS和PPA/橡胶粉复合改性沥青。综上所述，加入PPA能够提高沥青的抗老化性能，且PPA/橡胶粉复合改性沥青抗老化性能提升效果优于PPA/SBS复合改性沥青。

2.4.2 软化点增量 PPA/SBS及PPA/橡胶粉复合改性沥青的软化点增量见表10。

表10 不同掺量PPA复合改性沥青软化点增量Table 10 The softening point of PPA modified asphalt with different content

由表10可知，PPA/SBS和PPA/橡胶粉复合改性沥青软化点增量随着PPA掺量提高而逐渐降低，且均低于基质沥青和5%SBS改性沥青。各掺量PPA/橡胶粉复合改性沥青的软化点增量均低于同掺量下的PPA/SBS复合改性沥青，说明PPA/橡胶粉复合改性沥青比PPA/SBS复合改性沥青和5%SBS改性沥青拥有更好的抗老化性能。

2.4.3 质量变化基质沥青、各掺量PPA/SBS及PPA/橡胶粉复合改性沥青的质量变化见表11。