SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青低溫蠕變特性分析

楊曉林

（甘肅省公路管理局，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

多聚磷酸（Poly Phosphoric Acid）也稱四聚磷酸，是正磷酸（H3PO4）、焦磷酸（H4P2O7）、三聚磷酸（H5P3O10）和四聚磷酸（H6P4O13）的混合液。其分子結(jié)構(gòu)以線型開鏈配置為基礎(chǔ)，形成線型的縮合磷酸。常溫下呈無色透明粘稠狀液體，易潮解，不結(jié)晶，具有一定的腐蝕性。早在20世紀70年代，為改善瀝青的路用性能，美國的道路工作者嘗試將多聚磷酸作為瀝青的一種化學(xué)改性劑，應(yīng)用于道路石油瀝青的改性中。一方面，多聚磷酸呈粘稠液體狀態(tài)，改性瀝青的生產(chǎn)過程無需特殊的加工設(shè)備，對生產(chǎn)溫度也無特殊要求；另一方面，多聚磷酸在瀝青中的摻量較少，與SBS改性瀝青相比可節(jié)約其材料與加工成本約30%，多聚磷酸改性瀝青的價格優(yōu)勢明顯。因此，近年來多聚磷酸改性瀝青的研究受到了越來越多的關(guān)注。

多聚磷酸可以顯著改善瀝青的高溫性能，這一點已在國內(nèi)外相關(guān)研究中達成共識。根據(jù)郝培文、張銘銘、毛三鵬等人的研究結(jié)果，多聚磷酸對瀝青低溫性能有一定的負面影響[1～3]。丁海波采用動態(tài)力學(xué)分析法考察了多聚磷酸改性瀝青的低溫流變特性，并與菲拉斯脆點進行比較，認為多聚磷酸改性瀝青的低溫性能很大程度上取決于基質(zhì)瀝青的組分、多聚磷酸的加入使瀝青的低溫勁度增大[4]；曹衛(wèi)東等認為當(dāng)多聚磷酸摻量2%時，多聚磷酸的添加對瀝青低溫蠕變模量的影響不顯著[5]；尉燕斌等采用延度指標(biāo)評價瀝青多聚磷酸改性瀝青的低溫性能，發(fā)現(xiàn)多聚磷酸的添加使瀝青的低溫延度顯著下降[6]。為減少多聚磷酸對瀝青低溫性能的損傷，劉紅瑛等采用多聚磷酸與SBS或SBR復(fù)配改性瀝青技術(shù)，認為多聚磷酸與聚合物復(fù)配改性法可以在改善瀝青高溫穩(wěn)定性的同時，減少多聚磷酸對瀝青低溫性能的損傷，并有效解決SBS改性瀝青在儲存和運輸過程中的離析現(xiàn)象[7]。本文采用低溫蠕變試驗，深入分析多聚磷酸摻量對多聚磷酸/SBS改性劑復(fù)合改性瀝青低溫特性的影響，并與SBS改性瀝青相比較，為SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的應(yīng)用和研究提供理論依據(jù)。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

本文選用SK90號基質(zhì)瀝青?；|(zhì)瀝青四組分及基本性能如表1所示。

表1 SK90基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 多聚磷酸

本研究選用工業(yè)級的H2PO3含量為105%的多聚磷酸作為改性劑，其主要技術(shù)性能如表2所示。

表2 多聚磷酸技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 SBS 改性劑

SBS改性劑采用岳陽石化1301（YH791），其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 岳陽石化1301技術(shù)指標(biāo)

1.2 SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青制備方法

1.2.1 SBS 改性瀝青制備

采用剪切研磨法制備SBS改性瀝青。其加工工藝為：基質(zhì)瀝青加熱至180℃，加入增溶劑1%、SBS改性劑4.5%（外摻），以4000轉(zhuǎn)/分鐘的速率剪切40分鐘，再加入0.1%穩(wěn)定劑剪切5分鐘，置于160℃恒溫烘箱發(fā)育2小時。

1.2.2 SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青制備

多聚磷酸/SBS復(fù)合改性瀝青的生產(chǎn)過程要兼顧兩種材料的特性，一方面要保證SBS改性劑的充分剪切和溶脹而不能使SBS改性劑顆粒過分細小導(dǎo)致降解，另一方面又要保證多聚磷酸能發(fā)揮其最佳性能。其制備工藝為：基質(zhì)瀝青加熱至180℃加入增溶劑1%、SBS改性劑3.5%（外摻），以4000轉(zhuǎn)/分鐘的速率剪切40分鐘，再加入0.1%穩(wěn)定劑剪切5分鐘，置于160℃烘箱發(fā)育1.5 小時，分別添加 0.4%、0.8%、1.2%、1.6% 多聚磷酸（相對基質(zhì)瀝青質(zhì)量、外摻），剪切約10分鐘。

1.3 彎曲梁流變試驗測試方法

彎曲梁流變試驗測試對象為經(jīng)過短期老化（RTFOT）和長期老化（PAV）的瀝青小梁試樣。一般采用-6℃、-12℃、-18℃、-24℃的測試溫度。試驗過程為對小梁試件進行約300Mp應(yīng)力蠕變加載，通過不斷增大的應(yīng)變模擬路面在降溫過程中的溫度應(yīng)力造成的應(yīng)變累積。根據(jù)粘彈性材料的時溫換算關(guān)系，選取蠕變60秒時記錄的蠕變勁度S以及應(yīng)變變形速率m值代表瀝青在相應(yīng)測試溫度降低10℃條件下7200秒加載的低溫性能參數(shù)，蠕變勁度的計算公式如式（1）。

其中：P—恒定荷載（N）；

l—瀝青試件梁的跨距（mm）；

b—瀝青試件梁的寬度（mm）；

h—瀝青試件梁的高度（mm）；

vt()—瀝青試件梁中點處的變形（mm）。

當(dāng)瀝青結(jié)合料的低溫勁度模量超過相應(yīng)溫度下的極限勁度模量或應(yīng)變速率小于規(guī)定值，瀝青路面便產(chǎn)生溫縮裂縫。SHRP針對對瀝青結(jié)合料低溫性能，規(guī)定其蠕變60s的極限勁度模量小于300MPa，應(yīng)變變形速率大于0.3。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青勁度模量

SBS改性瀝青、SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青不同溫度下彎曲梁流變試驗蠕變勁度模量測試結(jié)果如圖1所示。分析圖1可得到以下結(jié)論：

圖1 不同溫度SBS改性瀝青及SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青低溫蠕變勁度試驗結(jié)果

1）基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青以及SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度模量均隨著試驗溫度的降低而迅速增大；使用曲線斜率表示溫度對蠕變勁度模量的影響程度，溫度越低，曲線斜率越大，說明隨著溫度的降低，瀝青蠕變勁度模量的增長速率變大；基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青以及SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的溫度—蠕變速率曲線接近平行，說明溫度降低對蠕變勁度模量的影響程度相似。

2）在相同的測試溫度下，基質(zhì)瀝青的蠕變勁度最小、其次為SBS改性瀝青、各多聚磷酸摻量下的SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度均較大，且多聚磷酸摻量越多，SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度模量越大。-6℃時，0.4%、0.8%、1.2% 和 1.6% 多聚磷酸摻量的復(fù)合改性瀝青勁度模量分別是4.5%SBS改性瀝青的1.42倍、1.60 倍、2.12 倍 和 2.60 倍；-12℃ 時，0.4%、0.8%、1.2%和1.6%多聚磷酸摻量的復(fù)合改性瀝青勁度模量分別是 4.5%SBS 改性瀝青的 1.10 倍、1.21 倍、1.41 倍和1.60 倍；-18 ℃ 時，0.4%、0.8%、1.2% 和 1.6% 多 聚磷酸摻量的復(fù)合改性瀝青勁度模量分別是4.5%SBS改性瀝青的 1.11 倍、1.17 倍、1.30 倍和 1.50 倍，這一增長規(guī)律說明，盡管復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度模量隨著多聚磷酸摻量的增加而增大，但其在各溫度條件下的增長幅度不同，測試溫度越高時，勁度模量的增長對多聚磷酸摻量的變化較敏感，而溫度越低，多聚磷酸摻量對復(fù)合改性瀝青勁度模量的影響越??；同溫度條件下，摻量對勁度模量增長的影響規(guī)律也說明，在多聚磷酸摻量小于0.8%時，SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的勁度模量相對于4.5%改性劑摻量的SBS改性瀝青差別不大。

2.2 SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青應(yīng)變變形速率

SBS改性瀝青、SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青不同溫度下彎曲梁流變試驗應(yīng)變變形速率測試結(jié)果如圖1所示。分析圖1可得到以下結(jié)論：

圖2 不同溫度SBS改性瀝青及SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青應(yīng)變變形速率試驗結(jié)果

SBS改性瀝青、SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青不同溫度下彎曲梁流變試驗應(yīng)變變形速率測試結(jié)果如圖1所示。分析圖1可得到以下結(jié)論：

1）基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青以及SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的應(yīng)變變形速率均隨著試驗溫度的降低而減小，溫度越低，瀝青材料的應(yīng)力松弛能力越差；本文所研究的各瀝青溫度—應(yīng)變變形速率曲線接近平行，說明溫度降低對應(yīng)變變形速率的影響程度相似。

2）在同一測試溫度下，對比基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的應(yīng)變變形速率m值發(fā)現(xiàn)；SK90號基質(zhì)瀝青的應(yīng)變變形速率最大，其次為改性劑摻量為4.5%的SBS改性瀝青、SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的蠕變速率隨著多聚磷酸摻量的增加逐漸減小，可見多聚磷酸的添加使復(fù)合改性瀝青的松弛性能變差。多聚磷酸摻量為0.4%時，SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的應(yīng)變速率與4.5%SBS改性瀝青相近，而多聚磷酸摻量大于1.2%后，復(fù)合改性瀝青的應(yīng)變變形速率下降幅度增大，說明多聚磷酸摻量越大，復(fù)合改性瀝青低溫下的應(yīng)力松弛性能越差。

3 結(jié)語

1）SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度模量隨溫度的降低而顯著增大，復(fù)合改性瀝青的勁度模量大于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，且多聚磷酸摻量越多復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度模量越大；但隨著測試溫度的進一步降低，多聚磷酸摻量對改性瀝青勁度的影響程度減小。

2）多聚磷酸改性瀝青的應(yīng)變變形速率值隨著測試溫度降低而逐漸減小，多聚磷酸摻量越大、改性瀝青的應(yīng)力松弛性能越差。與4.5%SBS摻量的SBS改性瀝青相比，SBS/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的應(yīng)變變形速率減??；在多聚磷酸摻量小于1，2%時，復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性能降低較小，超過這一摻量則應(yīng)變變形速率迅速減小。因此，從低溫性能考慮，復(fù)合改性瀝青中多聚磷酸的摻量應(yīng)小于 1.2%。