李德高，馬 航，周 艷

(云南云天化以化磷業(yè)研究技術(shù)有限公司，云南 昆明 650228)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國的交通量也迅速增長，對道路路面的要求越來越高，也對道路瀝青的性能提出了更高的要求，基質(zhì)瀝青原有的性能已不能完全適應(yīng)高等級公路的要求，因此高性能路面材料的研發(fā)迫在眉睫[1]。目前改性瀝青路面材料應(yīng)用較廣的是SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)和橡膠粉這兩類。其中SBS改性瀝青占絕對優(yōu)勢，在所有改性瀝青中占80%以上。但是由于SBS改性瀝青工藝復(fù)雜，高溫儲存穩(wěn)定性較差，成本較高，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍較小，目前中國改性瀝青在道路瀝青中的占比低于30%。多聚磷酸(PPA)作為酸性瀝青改性劑，具有價格低廉、加工簡單、瀝青性能改善明顯等優(yōu)點，已受到很多研究學(xué)者的重視，并開展了大量研究。余文科[2]采用自制多聚磷酸改性瀝青，發(fā)現(xiàn)多聚磷酸可提高瀝青的高溫性能，對低溫性能無顯著影響。丁海波等[3]研究表明多聚磷酸對瀝青的改性效果與基質(zhì)瀝青的組成有關(guān)，對膠體指數(shù)高的瀝青影響顯著，可降低膠質(zhì)含量并提高瀝青質(zhì)含量。付力強(qiáng)等[4]研究認(rèn)為，多聚磷酸改性瀝青膠結(jié)料的高溫性能和低溫性能得到了提高，混合料的高溫性能和低溫性能都得到提高，但是水穩(wěn)定性下降，需要添加抗剝落劑。張恒龍等[5]研究了多聚磷酸對TZ70和SK-90瀝青物理性能和流變性能的影響，認(rèn)為多聚磷酸的加入促進(jìn)了瀝青膠質(zhì)向瀝青質(zhì)的轉(zhuǎn)化，使得瀝青中的分散相出現(xiàn)明顯的締合。曹曉娟等[6]研究了多聚磷酸及與聚合物復(fù)配改性瀝青的混合料性能，發(fā)現(xiàn)多聚磷酸能夠明顯改善瀝青混合料的高溫性能，在合適的摻量時，能夠達(dá)到與聚合物改性瀝青相同的高溫改善效果；多聚磷酸對低溫性能有明顯的負(fù)面影響，但可以通過與聚合物復(fù)配的方法來解決。郝培文等[7]對多聚磷酸改性瀝青的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，認(rèn)為多聚磷酸作為一種化學(xué)改性劑可顯著改善某一性能，是一種性價比較高且應(yīng)用前景較好的改性劑。

本文采用不同PPA摻量改性西太90#基質(zhì)瀝青，通過一系列常規(guī)性能分析手段，考察PPA對西太90#基質(zhì)瀝青性能的影響。詳見表1。

表1 主要檢測項目及檢測方法

1 試驗部分

1.1 主要儀器與原材料

主要儀器：試驗所用基質(zhì)瀝青為大連西太平洋石油化工有限公司90#瀝青，其常規(guī)性能指標(biāo)如表2所示。

根據(jù)表2的檢測數(shù)據(jù)，西太90#瀝青滿足《公路瀝青道路施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004的技術(shù)要求。

表2 西太90#瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 多聚磷酸改性瀝青的制備

制備步驟：將西太90#基質(zhì)瀝青加熱到 150 ℃ 左右，在 250 r/min 下分別加入PPA，摻量分別為0%、0.5%、0.75%、1%，攪拌 40 min 使其均勻分散。

1.3 改性瀝青性能檢測

多聚磷酸改性瀝青的制備完成后，對改性后試樣進(jìn)行原樣及老化后性能分析。

本試驗參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》( JTGE-20-2011)標(biāo)準(zhǔn)對瀝青軟化點、針入度、延度、旋轉(zhuǎn)黏度、動力黏度等性能檢測指標(biāo)進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 PPA摻量對西太90#瀝青高溫性能的影響

2.1.1 針入度

瀝青針入度是瀝青的主要質(zhì)量指標(biāo)之一。是表示瀝青軟硬程度和稠度、抵抗剪切破壞的能力，反映在一定條件下瀝青的相對黏度的指標(biāo)。瀝青針入度比是不可缺少的質(zhì)量指標(biāo)之一，用以預(yù)測瀝青的加熱穩(wěn)定性。

通過圖1可知，25℃條件下，老化前的西太90#瀝青隨著PPA比例的增加，針入度呈下降趨勢，隨著PPA用量的增加，針入度下降趨勢減緩；而15℃和4℃條件下，改性瀝青的針入度基本與基質(zhì)瀝青一致。老化后瀝青各溫度的針入度隨PPA摻量的變化趨勢與老化前一致。說明多聚磷酸的加入可以使改性瀝青在高溫條件下變硬，增加改性瀝青高溫下的使用性能，但是對低溫柔性沒有影響。

圖1 不同PPA摻量對改性瀝青老化前后不同溫度條件下的針入度的影響

由圖2可知，PPA的加入可以大幅提高西太90#瀝青的針入度比，說明PPA有利于提高瀝青高溫穩(wěn)定性，抗老化性能增強(qiáng)。

圖2 不同PPA摻量改性瀝青針入度比的影響

2.1.2 針入度指數(shù)PI

針入度指數(shù)是在道路石油瀝青技術(shù)指標(biāo)體系中表征瀝青溫度敏感度的一個技術(shù)指標(biāo)，用來描述瀝青的性能隨溫度變化幅度及和膠體結(jié)構(gòu)類型的一個經(jīng)驗性參數(shù)，針入度的大小可以表征瀝青的軟硬程度與稠度，因此針入度指數(shù)也可表征該瀝青稠度對溫度變化的敏感性。針入度指數(shù)越大，瀝青的溫度敏感性越低，即感溫性能越好。

PI也可用于表征瀝青的膠體結(jié)構(gòu)類型，判別值如下：

PI<-2溶膠型，這種瀝青為純黏稠流體(牛頓流體)，如煤焦油瀝青；+2≥PI≥ -2溶凝膠型，這種瀝青有一定彈性效應(yīng)，顯示觸變性，如道路石油瀝青；PI>+2凝膠型，這種瀝青彈性效應(yīng)更大，顯示出典型觸變性，如氧化瀝青。

PPA摻量下改性瀝青的PI值變化如圖3所示。

圖3 不同PPA摻量下改性瀝青的PI值

由圖3可知，西太90#基質(zhì)瀝青的PI值為-0.31，加入不同比例的PPA后，改性瀝青的針入度指數(shù)增加到0.2～0.4，說明多聚磷酸的加入可以使瀝青的溫度敏感性降低，感溫性能變好。同時，西太90#基質(zhì)瀝青及多聚磷酸改性瀝青都屬于溶凝膠型瀝青。

2.1.3 軟化點

軟化點表示在一定外力下，瀝青受熱從固態(tài)轉(zhuǎn)變成具有一定流動能力時的溫度，表征道路瀝青在一定溫度和車輛行駛條件下抵抗路面變形的能力。軟化點的高低常用于評價瀝青的高溫穩(wěn)定性。軟化點越高，瀝青混合料抗高溫軟化的能力越強(qiáng)。

圖4是多聚磷酸改性西太90#瀝青老化前后的軟化點變化曲線。PPA的加入對西太90#瀝青軟化點提升比較明顯，說明多聚磷酸改性西太90#瀝青的抗高溫變形能力更強(qiáng)。

圖4 不同PPA摻量對改性瀝青老化前后軟化點的影響

2.2 PPA對西太90#瀝青低溫性能的影響

瀝青延度就是指瀝青的延展度，表示瀝青在一定溫度下，按照一定的速度拉升至瀝青斷裂的長度。延度是評定瀝青塑性的重要指標(biāo)，延度越大，表明瀝青的塑性越好。

由圖5可知，多聚磷酸的加入對西太90#瀝青15 ℃延度沒有影響，添加量達(dá)到1%時，改性瀝青15 ℃延度仍然大于150 cm。但在10℃條件下，多聚磷酸的加入會使改性瀝青的延度大幅下降，從基質(zhì)瀝青的大于150 cm降到了添加1%多聚磷酸時的24.7 cm，說明多聚磷酸對改性瀝青低溫延度影響較大，需要根據(jù)道路要求適當(dāng)控制多聚磷酸的用量。

圖5 不同PPA摻量對改性瀝青不同溫度下延度的影響

圖6為多聚磷酸老化后的延度，改性瀝青老化后15 ℃延度隨著PPA的增加逐漸下降，降低的幅度隨PPA的增加而減緩，最后趨于穩(wěn)定。而多聚磷酸對改性瀝青老化后10 ℃延度影響不大，僅從11.9 cm下降到9.4 cm。因此，單從延度這個指標(biāo)看，多聚磷酸的加入會降低瀝青的低溫性能。

圖6 不同PPA摻量對改性瀝青老化后不同溫度下延度的影響

饒梟宇等[8]的研究表明延度與SHRP低溫性能指標(biāo)之間沒有明確的線性相關(guān)關(guān)系，即使有，相關(guān)度也不高，而當(dāng)量脆點T1,2與SHRP低溫性能指標(biāo)之間顯著線性相關(guān)。因此，采用延度所反映的“宏觀”變形來表征瀝青的低溫抗裂性不太合適，這也是很多國外規(guī)范中沒有利用延度作為瀝青低溫性能指標(biāo)的原因。要初步預(yù)估瀝青的低溫等級，可以使用當(dāng)量脆點T1,2來進(jìn)行推算。

當(dāng)量脆點是相當(dāng)于瀝青針入度為0.121 mm時的溫度，用于評價瀝青的低溫抗裂性能。研究表明，當(dāng)多聚磷酸的摻量為0.75%時，使改性瀝青的當(dāng)量脆點從-19.4 ℃下降到-21.5 ℃，下降了2 ℃，但是當(dāng)多聚磷酸用量提高到1.0%時，當(dāng)量脆點有增加的趨勢。說明適量的加入多聚磷酸不僅不會降低瀝青的低溫性能，反而會在一定程度上提高瀝青的低溫抗裂性。

表3 不同PPA摻量對改性瀝青T1,2脆點的影響

2.3 PPA對西太90#瀝青流變性能的影響

2.3.1 60 ℃動力黏度

黏度試驗可以用來判定瀝青在一定溫度下抵抗流動的能力，黏度大的瀝青不易流動。在我國，夏季瀝青路面的溫度可達(dá)到50～70 ℃，因此測定60 ℃動力黏度可以真實感應(yīng)路面的實際使用情況，黏度大的瀝青在荷載作用下產(chǎn)生較小的剪切變形，彈性恢復(fù)性能好，殘留永久變形小。因此，60 ℃動力黏度指標(biāo)常作為反映瀝青在夏季耐熱性的指標(biāo)。

圖7 不同PPA摻量對改性瀝青老化前后動力粘度的影響

試驗表明，在60 ℃條件下，老化前后的改性瀝青的動力黏度都隨著PPA的增加而增加，說明多聚磷酸可以提高西太90#瀝青的耐高溫性能。瀝青的動力黏度與瀝青混合料的動穩(wěn)定度有密切關(guān)系，瀝青黏度越大，混合料的動穩(wěn)定度相對越高，瀝青路面抗車轍能力就越強(qiáng)，而且在夏季高溫下路面不易出現(xiàn)泛油情況。

2.3.2 旋轉(zhuǎn)黏度

135 ℃下的旋轉(zhuǎn)黏度表征瀝青混合料施工安全性的一個重要指標(biāo)，黏度太低，瀝青混合料在運輸和施工過程中容易發(fā)生流淌現(xiàn)象，導(dǎo)致瀝青混合料性能不均勻；黏度太高，瀝青太稠，不利于瀝青混合料的攤鋪。

圖8 不同PPA摻量對改性瀝青旋轉(zhuǎn)粘度的影響

研究表明，加入多聚磷酸后，西太90#瀝青的 135 ℃ 旋轉(zhuǎn)黏度由0.38 Pa·s上升到0.60 Pa·s，說明多聚磷酸的加入改善了瀝青的施工性能。

4 結(jié)論

通過對不同PPA摻量的西太90#瀝青老化前后各種性能的研究，得出以下結(jié)論：

A)PPA可以提高瀝青的高溫性能，但不損壞瀝青的低溫柔性，也可以提高瀝青的感溫性、抗老化能力和高溫抗變形能力。

B)PPA的加入會使瀝青的延度降低，但同時也使瀝青的當(dāng)量脆點降低。結(jié)合國內(nèi)外研究，適量的PPA摻量可以提高瀝青的低溫抗裂性。

C)PPA的加入可以提高瀝青的60 ℃動力黏度和135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度，進(jìn)而提高瀝青混合料的施工性能和路面抗車轍性能。