周 宇，王 燕，程 健*

(1.武漢工程大學(xué) 綠色化工過程省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢 430073； 2. 武漢工程大學(xué) 湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點實驗室，湖北 武漢 430073)

多聚磷酸/SBS復(fù)合改性瀝青研究

周 宇1,2，王 燕1,2，程 健1,2*

(1.武漢工程大學(xué) 綠色化工過程省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢 430073； 2. 武漢工程大學(xué) 湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點實驗室，湖北 武漢 430073)

公路交通發(fā)展對主流筑路材料SBS改性瀝青的性能提出了更高的要求，尤其是反映路面高溫性能的軟化點，雖然通過提高SBS含量可以滿足要求，但提高SBS含量不僅增加SBS改性瀝青成本，而且增加SBS分散的難度，需要更高的分散溫度，提高分散溫度導(dǎo)致SBS改性瀝青老化等。通過復(fù)合改性是解決問題的合理途徑之一，本研究對多聚磷酸/SBS復(fù)合改善SBS改性瀝青軟化點進行了研究，利用正交試驗方案，研究了發(fā)育溫度，發(fā)育時間以及多聚磷酸摻量對復(fù)合改性瀝青各項性能的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：通過多聚磷酸/SBS復(fù)合改性，在保證其他指標滿足要求的前提下，復(fù)合改性瀝青的軟化點有明顯提高，可以滿足目前業(yè)界的要求。

多聚磷酸；SBS；瀝青；復(fù)合改性

SBS改性瀝青是目前國內(nèi)主流的改性瀝青品種。由于其優(yōu)異的高低溫性能，在道路建設(shè)中獲得廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了極大效益。隨著交通事業(yè)的發(fā)展，對作為道路建設(shè)主流材料的SBS改性瀝青的性能提出了更高要求，尤其是氣候炎熱地區(qū)，為了更好保證瀝青路面的性能，對改性瀝青的高溫指標提出了更高要求，比如盡管國內(nèi)行業(yè)標準《JTG F40-2004 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定I-D級SBS改性瀝青軟化點高于60℃即可，但在實際工程中用戶多要求在保證其他指標滿足的前提下SBS改性瀝青的軟化點在80℃以上甚至更高，如何滿足使用部門的要求成為SBS改性瀝青制備生產(chǎn)中必須解決的問題[1-2]。盡管通過提高SBS含量可以有效解決SBS改性瀝青軟化點提高的問題，但是提高SBS含量會增加SBS在瀝青中的分散難度，并且SBS改性瀝青的成本上升[3]。此外從SBS改性瀝青的其他性能看，為了保證SBS改性瀝青的軟化點滿足用戶要求而過度提高SBS含量也沒有太大必要，通過復(fù)合技術(shù)改善SBS改性瀝青的軟化點已成為業(yè)內(nèi)共識，因為這樣不僅可以滿足用戶對SBS改性瀝青的要求，而且可以有效控制成本和簡化制備過程[4]。

多聚磷酸作為一種瀝青的化學(xué)改性劑在國內(nèi)外都有一些研究，與其他改性劑相比，多聚磷酸對瀝青的耐高溫性能、抗老化性等具有優(yōu)良的改善效果，多聚磷酸與SBS復(fù)合改性國內(nèi)也有一些相關(guān)的研究[5-6]，這些研究充分說明了通過多聚磷酸與SBS復(fù)合改性可以有效地改善SBS改性瀝青的高溫性能，降低SBS改性瀝青的成本，但是對復(fù)合改性瀝青制備過程中多聚磷酸的含量，制備的工藝參數(shù)(溫度，時間等)對復(fù)合改性瀝青軟化點提升的綜合考察還鮮有報道，本文利用正交實驗技術(shù)，考察了復(fù)合改性瀝青中多聚磷酸含量，混合溫度與時間對復(fù)合改性瀝青的軟化點的提升規(guī)律進行了實驗研究，這些研究對指導(dǎo)復(fù)合改性瀝青的制備具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及儀器

本研究所選擇的基質(zhì)瀝青為SK70#，基本性能見表1；多聚磷酸，含量(以P2O5計)≥80%，化學(xué)純；YH-791線型SBS，由湖北國創(chuàng)高新材料股份有限公司提供；糠醛抽出油。

表1 基質(zhì)瀝青性能

實驗涉及的主要儀器設(shè)備有：剪切機，電動攪拌器，針入度儀，軟化點儀，延度儀，改性瀝青瀝青性質(zhì)分析均采用對應(yīng)的國標或企標進行。

1.2 多聚磷酸/SBS改性瀝青制備

多聚磷酸/SBS復(fù)合改性瀝青的制備見圖1，制備過程主要分兩部分，一是SBS分散，第二部分是添加多聚磷酸后的發(fā)育過程，由于多聚磷酸的影響主要是第二部分，因此，本研究規(guī)劃了相應(yīng)的正交實驗研究發(fā)育過程，因為SBS得分散狀態(tài)對其改性效果有顯著影響，本研究利用熒光顯微鏡觀測了SBS的分散狀態(tài)，圖2為SBS改性瀝青的熒光顯微照片(放大倍數(shù)為：250倍)。由圖2可見：SBS在瀝青中分散較均勻。為了盡量消除樣品制備所帶來的實驗誤差，本研究首先制備4 kg SBS分散均勻的改性瀝青，在攪拌均勻的情況下分成10 份，將其中1～9#樣品按正交實驗方案對應(yīng)的條件完成實驗。10#樣品為空白樣。

圖1 多聚磷酸/SBS復(fù)合改性瀝青制備方法

Fig.1 The preparation of PPA/SBS composite modified asphalt

圖2 SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)

Fig.2 The microstructure of SBS modified asphalt

1.3 正交試驗設(shè)計

多聚磷酸/SBS復(fù)合改性瀝青制備工藝中，多聚磷酸在發(fā)育階段加入，影響瀝青發(fā)育階段的重要參數(shù)是發(fā)育時間、發(fā)育溫度及多聚磷酸摻量，因此選擇發(fā)育時間、發(fā)育溫度及多聚磷酸摻量作為多路磷酸/SBS復(fù)合改性瀝青制備的因子設(shè)計正交試驗。正交試驗表見表2、3。

表2 因子水平表

表3 三因素三水平正交試驗設(shè)計表

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 正交實驗結(jié)果

依據(jù)正交實驗方案規(guī)劃的實驗內(nèi)容進行了相關(guān)實驗，制備出了對應(yīng)的復(fù)合改性瀝青，測試了復(fù)合改性瀝青的性質(zhì)，依據(jù)數(shù)據(jù)處理方法進行了數(shù)據(jù)處理，表4是實驗數(shù)據(jù)及處理后的結(jié)果。

表4發(fā)育階段正交實驗結(jié)果

注：表中K為各因子的水平數(shù)相同的各次實驗指標的總和；R為極差；T為所有實驗結(jié)果的總和。

2.1.1 直觀分析

由表4對試驗結(jié)果進行直觀分析：比較9個試驗結(jié)果可知，對于多聚磷酸/SBS復(fù)合改性瀝青軟化點來說，最好的因子水平是第三組試驗(A1B3C3)；對于延度來說，最好的因子水平是第一組試驗(A1B1C1)；另外由于針入度技術(shù)指標是一個范圍，由實驗結(jié)果數(shù)據(jù)可見，9組試驗結(jié)果中軟化點都有大幅提高，而針入度越大延度衰減的較少，因此本研究中的針入度在規(guī)定范圍內(nèi)要求越大越好，因此在這組正交試驗中針入度最好因子水平是第六組試驗(A2B3C1)。

2.1.2 計算分析

極差R的大小可用來衡量試驗中相應(yīng)因子對指標影響的顯著性，比較R值，諸因子對各指標影響的顯著性順序為：

針入度：RC>RA>RB，對針入度影響最大的是多聚磷酸的摻量；

延度：RC>RA>RB，對延度影響最大的是多聚磷酸摻量，隨著多聚磷酸摻量的增高逐漸降低；

軟化點：RA>RB>RC，由此可見，對軟化點影響最大的是發(fā)育溫度，但是，通過多聚磷酸反應(yīng)機理，對軟化點影響最大的應(yīng)該是多聚磷酸摻量。隨著發(fā)育溫度升高，瀝青出現(xiàn)老化現(xiàn)象，不利于評價性能，因此顯著性分析具有一定不合理性。

K值反應(yīng)各因子水平對實驗考核指標的好壞，綜合顯著性分析，比較K值分析比較好的因子水平為：

針入度：A2B3C1，

軟化點：A1B3C3，

延度：A1B3C1。

由以上分析可知，因子A對軟化點影響最大，對針入度延度影響次之，根據(jù)以上較好的條件，再綜合四個指標情況，因子A應(yīng)取水平1，即發(fā)育溫度取170℃。

因子B對軟化點影響較大，對其它的影響很小，因此因子B應(yīng)取水平3，即發(fā)育時間取3 h。

因子C對延度針入度影響最大，因此因子C取水平1，即多聚磷酸摻量取0.5%。

由于軟化點受發(fā)育溫度影響，隨著發(fā)育溫度的升高，瀝青會出現(xiàn)老化，導(dǎo)致軟化點逐漸降低；針入度與延度受PPA摻量影響最大，隨著PPA摻量的增加，針入度和延度都減小，當(dāng)P獨具磷酸摻量為0.5%，多聚磷酸/SBS復(fù)合改性瀝青也遠遠超過I-D級，在針入度和延度都滿足要求的條件下，軟化點達到80℃以上，滿足需求。

經(jīng)上述綜合平衡后，可選定該多聚磷酸/SBS復(fù)合改性瀝青制備的最優(yōu)試驗條件為A1B3C1。

2.2 多聚磷酸摻量對SBS改性瀝青性能的影響

隨著多聚磷酸添加量的增加，SBS改性瀝青性能提高，但當(dāng)多聚磷酸摻量達到某一臨界值時，隨著多聚磷酸摻量的增加，雖然軟化點得到提高，但是SBS改性瀝青延度已經(jīng)不能滿足標準。下面列出數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 多聚磷酸摻量對SBS改性瀝青的影響

由表5數(shù)據(jù)可見多聚磷酸摻量越大針入度越小，在相同摻量下，針入度較接近；在保證延度滿足標準要求的前提下，對SBS摻量為4%的復(fù)合改性瀝青，對比沒有添加多聚磷酸的SBS改性瀝青，當(dāng)多聚磷酸摻量為0.5%時，復(fù)合改性瀝青的軟化點提高了近20℃，且延度也大大提高，能滿足I-D級標準。但當(dāng)多聚磷酸摻量達到1.5%時，復(fù)合改性瀝青的延度降低過多，不滿足對應(yīng)SBS改性瀝青標準要求。

3 結(jié)論

在盡可能消除樣品制備所帶來的實驗誤差的前提條件下，多聚磷酸發(fā)育時間、發(fā)育溫度及多聚磷酸摻量，對多聚磷酸/SBS復(fù)合改性瀝青性能的影響，本研究得出如下結(jié)論：

(1)由綜合平衡法分析多指標正交實驗數(shù)據(jù)可得：對于針入度最優(yōu)的發(fā)育條件為發(fā)育溫度：175℃，發(fā)育時間：3 h；多聚磷酸摻量0.5%。對于延度最優(yōu)的發(fā)育條件為發(fā)育溫度：170℃，發(fā)育時間：3 h；多聚磷酸摻量0.5%。對于軟化點最優(yōu)的發(fā)育條件為發(fā)育溫度：170℃，發(fā)育時間：3 h；PPA摻量1.5%。綜合分析后得多聚磷酸/SBS復(fù)合改性瀝青制備的最優(yōu)發(fā)育條件為發(fā)育溫度：170℃，發(fā)育時間：3 h；多聚磷酸摻量0.5%。

(2)由正交試驗結(jié)果分析可得到，當(dāng)多聚磷酸摻量小于1%時，改性瀝青各項性能指標達到I-D級，并且軟化點高出標準20℃，且少量的多聚磷酸摻量就能使各項性能得到很大改善；但當(dāng)多聚磷酸摻量達到1.5%，雖然軟化點有較大提升，但延度衰減較大。

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(本文文獻格式：周 宇，王 燕，程 健.多聚磷酸/SBS復(fù)合改性瀝青研究[J].山東化工,2017,46(7):33-36.)

Study on Polyphosphoric Acid/SBS Composite Modified Asphalt

ZhouYu1,2,WangYan1,2,ChengJian1,2*

(1.Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education, Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430073,China;2.Hubei Key Laboratory of Novel Chemical Reactor & Green Chemical Technology,Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073,China)

Because the booming development of road construction, the SBS modified asphalt need to meet higher standards，especially the softening point which to reflect high temperature performance of modified asphalt. Though raising the content of SBS can meet the requirement,but the expense of the asphalt will increase at the same time,and high content of SBS is difficult to scattered in asphalt,the higher scatter temperature will also lead asphalt to aging. Compound modification is one of the reasonable way to solve the problem. This paper has researched the softening point of SBS modified asphalt which was improved by SBS and Polyphosphoric Acid. Through the orthogonal experiment,the time and the temperature of action ,the content of Polyphosphoric Acid which could affect the performance of the composite modified asphalt. The results showed that after the Polyphosphoric Acid and SBS has been modified,the softening point of composite modified asphalt has improved,and the other indicators can be guaranteed,it can meet the standard of the industry.

polyphosphoric acid;SBS;composite modified asphalt

2017-02-22

周 宇(1991—)，女，安徽蕪湖人，碩士研究生，研究方向：道路瀝青材料；通訊作者：程 健，工學(xué)博士，教授。

U414

A

1008-021X(2017)07-0033-04