多聚磷酸复配SBS改性沥青老化特性及微观结构演变

王永宁，李 波，高宏刚，颜鲁春，宋尚霖

(1.兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070，2.甘肃恒路交通勘察设计院有限公司，兰州 730070，3.甘肃省公路交通建设集团有限公司 西北寒旱区公路基础设施长期性能交通运输行业野外科学观测研究基地，兰州 730030)

SBS改性沥青凭借良好的路用性能被广泛应用于沥青路面建设中，但由于制备工艺复杂、储存稳定性较差、价格较高而制约了其发展[1-2].多聚磷酸(poly phosphoric acid，PPA)作为一种廉价的改性材料，近年来凭借其良好的性能在沥青材料改性过程中逐渐推广使用[3-4].

近年来，国内外专家学者针对PPA与SBS改性剂的性能优势，采用PPA与SBS复配的方式对基质沥青性能进行改善提升.李丽平等[5]研究结果表明，PPA可以使得SBS改性剂在沥青中更加均匀分布，增强其在沥青中的交联作用；Xiao等[6]发现PPA的加入可提升SBS改性沥青的高温性能；周璐等[7]研究发现PPA会降低沥青的水敏感性，但可改善其黏附性能；Zhang等[8]研究结果发现PPA加入SBS改性沥青中虽对其低温性能改善不理想，但对其高温性能却有显著提升，文献[9-11]也得出了类似的结论.然而，沥青材料在拌和、运输、摊铺、长期使用过程中极易受到紫外线、温度、水等因素的影响，进而使得沥青材料老化而导致其路用性能变差，为此，学者们对PPA复配SBS改性沥青的抗老化性能进行了深入研究.Feng等[12]证明PPA的加入可以显著提升SBS改性沥青的抗老化性能.

综上所述，PPA可改善SBS改性沥青的高温、水稳定和抗老化等性能，但对于PPA复配SBS改性沥青老化后的微观机理研究报道较少.为此，本文探讨了PPA复配SBS改性沥青老化后性能变化规律和微观结构演化过程，以期为其推广应用提供理论基础.

1 实验材料及方案

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

基质沥青主要选用甘肃省常用的SK90#基质沥青，镇海(ZH)90#基质沥青和西太(XT)90#基质沥青，其主要技术指标如表1所列.

表1 基质沥青技术指标

1.1.2 PPA

多聚磷酸作为廉价材料，可显著改善沥青的高温性能，本文选用云南天耀化工有限公司提供的工业级115%的多聚磷酸，其主要物理性能如表2所列.

表2 PPA技术指标

1.1.3 邻苯二甲酸二丁酯(DBP)

DBP作为软化剂，主要用来改善沥青的低温性能，本文选用无锡市亚泰联合化工有限公司提供的DBP试剂，主要技术指标如表3所列.

表3 邻苯二甲酸二丁酯技术指标

1.2 实验安排

1.2.1 试样制备

PPA复配SBS(PPA/SBS)改性沥青制备按照文献[13]进行制样，选择SBS掺量为3.5%，PPA掺量为0.5%，DBP掺量为1.0%.制备流程如下：1)将基质沥青保持135 ℃的恒温加热至牛顿流体状态，加入设定掺量的糠醛抽出油并搅拌均匀，2)快速升温至160 ℃，加入设定掺量的DBP持续搅拌均匀，然后快速升温至175 ℃，加入设定掺量的SBS改性剂溶胀10 min后，加入设定掺量的PPA采用高速剪切机持续30 min；3)最后加入设定掺量的稳定剂搅拌10 min；4)在175 ℃烘箱发育2.5 h，得到PPA/SBS改性沥青成品.

1.2.2 宏观性能技术指标

按照规范[14]中规定的实验方法进行测试.

1.2.3 红外光谱测试

采用Thermo Nicolet红外光谱仪获取PPA/SBS改性沥青老化前后的红外光谱图谱，扫描范围为400～4 000 cm-1，扫描32次，最小分辨率为0.019 cm-1.

2 结果分析

2.1 PPA/SBS改性沥青老化后宏观性能变化规律

PPA/SBS改性沥青经过短期老化(RTFOT)和长期老化(PAV)后宏观性能(针入度、软化点、延度和粘度)的变化规律如图1所示.

图1 PPA/SBS改性沥青宏观性能

由图1可知，PPA/SBS改性沥青较SBS改性沥青高温性能明显提升，且低温性能几乎保持稳定，说明PPA加入可以提升SBS改性沥青的高温性能且不会对低温性能产生较大负面影响.此外，PPA/SBS改性沥青经过老化后，针入度和延度降低，软化点和粘度增大，这与普通基质沥青变化规律基本保持一致[15]，但其改变程度较SBS改性沥青更小，说明PPA加入可以提升SBS改性沥青的抗老化性能.

2.2 老化方式对PPA/SBS改性沥青官能团的影响

PPA/SBS改性沥青官能团老化结果如图2所示.

通过对图2进行分析发现，SBS改性沥青RTFOT和PAV老化后，1 030 cm-1，1 700 cm-1处的特征峰均出现不同程度的增大；PPA/SBS改性沥青RTFOT老化后1 030 cm-1，1 700 cm-1处的特征峰未出现明显变化，而经PAV老化后该处的特征峰却明显增大，且增加幅度明显小于SBS改性沥青，说明PPA可以显著改善SBS改性沥青的抗老化性能，这与2.1得到的结论一致，进一步证实了PPA的加入可均匀分散SBS改性剂[13,16]，进而提升其高温和抗老化性能,与王岚，王子豪等人研究结论一致.对比1 030 cm-1处亚砜基特征峰的变化发现，PPA/SBS改性沥青经过PAV老化较RTFOT老化该处的特征官能团明显增加，这主要是由于在经过长期老化后PPA/SBS改性沥青的轻质组分转化为重质组分，使得沥青质含量增加，加剧了PPA/SBS改性沥青老化.

图2 PPA/SBS改性沥青官能团

2.3 PPA/SBS改性沥青老化后微观结构演变过程

为进一步验证PPA/SBS改性沥青老化后微观结构演变过程，采用AFM对其进行二维形貌获取，结果如图3所示.

图3 PPA/SBS改性沥青二维形貌

PPA/SBS改性沥青经过短期老化后，“蜂状”结构增多，而长期老化之后，PPA/SBS改性沥青“蜂状”基本结构消失，且出现大量的明亮斑点.说明PPA/SBS改性沥青短期老化后沥青质增加，宏观表现为高温性能改善，粘度增加，这与图1分析结果相同.从形貌图上看，相比未老化PPA/SBS改性沥青，RTFOT和PAV老化后其“蜂状”结构变长变细，这与Allen[17]和Wu[18]的试验结果类似，可能是由于老化后沥青中轻质组分减少所致[19].

3 结论

1)PPA/SBS改性沥青的低温性能略低于SBS改性沥青，但其高温却显著提升.

2)老化对SBS改性沥青性能的影响较PPA/SBS改性沥青更显著.

3)PPA的加入可使得SBS改性剂在沥青中更加细小均匀分散，RTFOT老化对PPA/SBS改性沥青性能几乎无影响，但PAV老化使得其“C=C”和“S=S”被氧化导致发生老化.

4)PPA/SBS改性沥青短期老化后“蜂状”结构增多，长期老化后消失且出现团聚.