多聚磷酸復合SBS改性瀝青耐老化性能研究

陳釗，杜鑫*，李良

(1.廣西北投公路建設(shè)投資集團有限公司，廣西 南寧 530000；2.廣西交通設(shè)計集團有限公司)

1 前言

目前中國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了巨大的成就，截至2019年底，高速公路車道里程達到14.96萬km，為中國“交通強國”的建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)。中國已建成的高速公路中有90%以上為瀝青路面，其中瀝青作為膠結(jié)料是瀝青路面材料的重要組成之一，提高瀝青的路用性能一直是道路工程領(lǐng)域的研究熱點，一般通過添加改性劑來提升瀝青的路用性能。目前，廣泛應用于瀝青中的改性劑有苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、橡膠粉、樹脂等。其中，具有代表性的改性劑為SBS，它可有效改善瀝青的高溫性能及低溫性能，且具有較為均衡的綜合性能。但是SBS改性劑與基質(zhì)瀝青之間的改性為物理共混，并無發(fā)生明顯的化學反應，導致SBS改性瀝青存在熱儲存穩(wěn)定性不足、改性劑與基質(zhì)瀝青相容性差的缺陷。由于化學改性劑能夠與基質(zhì)瀝青發(fā)生化學反應生成穩(wěn)定的化學鍵或基團，因此，可以采用化學改性劑復配SBS改性瀝青的方式解決SBS改性瀝青熱儲存穩(wěn)定性與相容性差的問題。多聚磷酸(PPA)是一種價格低廉、工藝簡單的酸性化學改性劑，其化學式為H6P4O13，將其作為改性劑制備的改性瀝青具有優(yōu)良的路用性能。王利強等研究了不同摻量PPA和SBS復合改性瀝青的路用性能，結(jié)果表明2.0%SBS+0.5%PPA復合改性瀝青可以代替4.0%SBS單獨改性瀝青;王永寧等通過紅外光譜試驗研究了PPA復配SBS改性瀝青的微觀性能，結(jié)果表明隨著PPA摻量的增加，復合改性瀝青966 cm-1處的C=C特征吸收峰及1 030 cm-1處的S=O特征吸收峰呈先增加后減小的趨勢，且當PPA摻量為0.75%時最大；宋小金等研究了PPA復合SBS改性瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明，相比SBS改性瀝青混合料，加入PPA可以有效提高改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，兩者的水穩(wěn)定性相差不大，但是PPA的加入使改性瀝青混合料的低溫性能略有下降。

綜上，研究者針對PPA復配SBS改性瀝青的流變性能、微觀性能及其混合料性能開展了較多的研究工作，但是研究老化對多聚磷酸復配SBS改性瀝青相關(guān)性能的影響較少。在改性瀝青的拌和、運輸、攤鋪、碾壓以及開放使用中均伴隨有瀝青的老化，且老化對瀝青路面路用性能具有重要影響。因此，該文選擇PPA復配SBS改性瀝青進行室內(nèi)試驗模擬瀝青的實際老化作用，研究老化對多聚磷酸復配SBS改性瀝青流變性能的影響，并以單一PPA改性瀝青和SBS改性瀝青作為參照組進行研究。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

選擇SK-90#作為基質(zhì)瀝青，其基本性能指標見表1。PPA單一改性瀝青中改性劑摻量為1.5%，SBS單一改性瀝青中改性劑摻量為4.0%，PPA復配SBS改性瀝青中PPA摻量為1.2%，SBS摻量為3.0%，上述各改性劑的摻量均為改性劑占基質(zhì)瀝青質(zhì)量的百分比。PPA純度為110%；SBS為線形改性劑。

表1 SK-90#基本性能指標

2.2 改性瀝青制備方法

(1)單一PPA或SBS改性瀝青的制備：將基質(zhì)瀝青加熱至165 ℃，分別稱取一定質(zhì)量的改性劑(1.5%的PPA或4.0%的SBS)，將改性劑加入基質(zhì)瀝青中攪拌溶脹30 min，待溶脹完全后，采用高速剪切乳化機以5 000 r/min的轉(zhuǎn)速，170 ℃的溫度剪切65 min，剪切完成后置于175 ℃烘箱中發(fā)育35 min。

(2)多聚磷酸復配SBS改性瀝青的制備：首先將基質(zhì)瀝青加熱至165 ℃，稱取3.0%基質(zhì)瀝青質(zhì)量的SBS改性劑，加入基質(zhì)瀝青中攪拌溶脹30 min，將溫度升至170 ℃，采用高速剪切乳化機以5 000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切65 min，然后加入基質(zhì)瀝青質(zhì)量1.2%的PPA，繼續(xù)在170 ℃、5 000 r/min的轉(zhuǎn)速下剪切65 min，剪切完成后置于175 ℃烘箱中發(fā)育35 min。

制備得到的不同改性瀝青的基本性能見表2。

表2 改性瀝青的基本性能指標

2.3 老化試驗

(1)短期老化試驗：采用旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(RTFOT)模擬不同改性瀝青的短期老化現(xiàn)象，根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，稱取35 g改性瀝青試樣于盛樣瓶中，老化溫度為163 ℃，轉(zhuǎn)速為15 r/min，空氣流速為4 000 mL/min，總持續(xù)時間為85 min。

(2)長期老化試驗：采用壓力老化容器加速瀝青老化試驗(PAV)模擬不同改性瀝青的長期老化現(xiàn)象，根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，稱取50 g旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗后的殘留物于盛樣盤中，老化溫度為100 ℃，施加空氣壓力2.1 MPa，整個老化過程持續(xù)20 h。

2.4 性能試驗

(1)溫度掃描試驗：使用動態(tài)剪切流變儀(DSR)進行溫度掃描試驗，采用應變控制模式，設(shè)置頻率為10 rad/s，溫度為40～70 ℃，溫度間隔5 ℃。對于原樣瀝青和RTFOT后的試樣，直徑為25 mm，間隙為1 mm；對于PAV后的試樣，直徑為8 mm，間隙為2 mm。

(2)彎曲蠕變勁度試驗：使用彎曲梁流變儀(BBR)進行彎曲蠕變勁度試驗，選擇試驗溫度為-12、-18、-24 ℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 老化對改性瀝青高溫流變性能的影響

3.1.1 車轍因子

美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)提出采用車轍因子(G*/sinδ)來表征瀝青的高溫抗變形能力，G*/sinδ越大，說明瀝青抵抗高溫變形的能力越強。圖1為1.5%PPA、4.0%SBS和1.2%PPA+3.0%SBS改性瀝青在原樣、RTFOT和PAV 3種狀態(tài)下車轍因子隨著溫度的變化過程。由圖1可以看出：在相同溫度條件下，改性瀝青的車轍因子由大到小的排序為：1.2%PPA+3.0%SBS>4.0%SBS>1.5%PPA，即多聚磷酸復配SBS改性瀝青的高溫抗變形能力要優(yōu)于單一PPA或SBS改性瀝青。隨著溫度的增加，不同改性瀝青的車轍因子逐漸減小，這是因為隨著溫度升高，使改性瀝青自身內(nèi)部分子間的相互作用力減弱，從而導致各瀝青中的彈性成分向黏性成分轉(zhuǎn)換，即溫度越高，改性瀝青越易呈現(xiàn)黏流態(tài)，因此其高溫抗變形能力減弱。老化后，不同改性瀝青的車轍因子都出現(xiàn)明顯的增長趨勢，說明老化后改性瀝青的高溫抗變形能力增強，這是因為老化導致改性瀝青的內(nèi)部組分出現(xiàn)變化，表現(xiàn)為輕質(zhì)組分揮發(fā)，重質(zhì)組分增加，瀝青的稠度增加，導致瀝青變硬，從而使改性瀝青在高溫下的變形量變小。且PAV后改性瀝青的車轍因子高于RTFOT后的，說明老化程度越深，對改性瀝青的高溫抗變形能力影響越大。

圖1 改性瀝青的車轍因子

3.1.2 高溫抗老化性指標分析

采用車轍因子老化指數(shù)(RFAI)來表征不同改性瀝青的高溫抗老化性指標，其計算公式如式(1)所示:

RFAI=

(1)

車轍因子老化指數(shù)越大，說明瀝青老化程度越嚴重。根據(jù)式(1)計算不同改性瀝青在不同溫度下的老化指數(shù)如圖2所示。

圖2 不同老化狀態(tài)下的RFAI

由圖2可以看出：PAV和RTFOT后改性瀝青的老化指數(shù)隨溫度變化的趨勢相同，對于單一PPA或SBS改性瀝青在溫度變化時老化指數(shù)的變化不穩(wěn)定，而對于多聚磷酸復配SBS改性瀝青，溫度升高，老化指數(shù)變大，說明溫度升高，多聚磷酸復配SBS改性瀝青的抗老化能力變?nèi)酢Ｇ以跍囟茸兓^程中，多聚磷酸復配SBS改性瀝青的老化指數(shù)低于單一PPA或SBS改性瀝青的老化指數(shù)，說明相比單一PPA或SBS改性瀝青，多聚磷酸復配SBS改性瀝青具有更強的抗老化能力，這是因為在SBS瀝青加入PPA改性劑后，PPA與SBS改性瀝青中的基質(zhì)瀝青發(fā)生了接枝、磷酸酯化等反應，使瀝青中的膠質(zhì)向瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化，瀝青中的重質(zhì)組分增加，同時，PPA與SBS發(fā)生反應生成新的官能團，所以老化過程中多聚磷酸復配SBS改性瀝青的高溫抗老化能力變強。

3.2 老化對改性瀝青低溫流變性能的影響

3.2.1 蠕變勁度和蠕變速率

SHRP計劃采用BBR試驗來評價瀝青低溫流變性能，并提出使用蠕變勁度(S)和蠕變速率(m)作為低溫評價指標。蠕變勁度越小，瀝青的低溫變形能力越好；蠕變速率越大，瀝青的低溫抗裂性越好。圖3、4為1.5%PPA、4.0%SBS和1.2%PPA+3.0%SBS改性瀝青在原樣、RTFOT和PAV 3種狀態(tài)下蠕變勁度和蠕變速率隨著溫度的變化情況。

圖3 改性瀝青的蠕變勁度

圖4 改性瀝青的蠕變速率

由圖3、4可以看出：溫度降低，3種改性瀝青的蠕變勁度增大，蠕變速率降低，說明溫度降低會使改性瀝青的低溫延展性和應力松弛能力降低。相比單一PPA改性瀝青，多聚磷酸復配SBS改性瀝青的蠕變勁度更小，蠕變速率更大，但復配改性瀝青與SBS改性瀝青的蠕變勁度和蠕變速率相差不大，說明采用多聚磷酸復配SBS改性瀝青可以顯著改性單一PPA改性瀝青的低溫性能，且對單一SBS改性瀝青低溫性能的影響不大。老化后，3種改性瀝青的蠕變勁度上升，蠕變速率下降，說明老化使改性瀝青的低溫性能變差，瀝青變脆，耐久性變差。

3.2.2 低溫抗老化性指標分析

采用蠕變勁度老化指數(shù)(SAI)和蠕變速率老化指數(shù)(MAI)來表征不同改性瀝青的低溫抗老化性指標，計算公式如式(2)、(3)所示：

SAI=

(2)

MAI=

(3)

蠕變勁度老化指數(shù)和蠕變速率老化指數(shù)越大，說明瀝青的老化程度越嚴重。根據(jù)式(2)、(3)計算不同改性瀝青在不同溫度下的SAI和MAI，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 不同老化狀態(tài)下的SAI

圖6 不同老化狀態(tài)下的MAI

由圖5、6可以看出：短期老化后，單一PPA或SBS改性瀝青的老化程度相差不大，多聚磷酸復配SBS改性瀝青的老化程度嚴重；長期老化后，MAI表征的3種改性瀝青老化程度相當，而SAI表征的老化嚴重程度強弱排序為：1.2%PPA+3.0%SBS>4.0%SBS>1.5%PPA，說明用MAI表征瀝青的抗老化程度區(qū)別不大，因此該文建議采用SAI表征瀝青低溫的抗老化程度。

4 結(jié)論

(1)老化作用使多聚磷酸復配SBS改性瀝青變硬、變脆，使多聚磷酸復配SBS改性瀝青的高溫抗變形能力提高，但是對其低溫性能具有不利影響。

(2)多聚磷酸復配SBS改性瀝青的高溫抗老化能力高于單一PPA或SBS改性瀝青的高溫抗老化能力，且溫度升高，瀝青的高溫抗老化能力變?nèi)酢?/p>

(3)多聚磷酸復配SBS改性瀝青的低溫抗老化能力低于單一PPA或SBS改性瀝青的低溫抗老化能力。

(4)推薦在高溫地區(qū)采用多聚磷酸復配SBS改性瀝青，但是在寒區(qū)盡量避免采用復配改性瀝青，可以采用單一多聚磷酸或SBS改性瀝青。