摘" 要：多聚磷酸（PPA）作為一種常見的瀝青改性劑，其具有顯著的改性效果，尤其是對(duì)高溫性能的改善，但對(duì)瀝青低溫性能的影響仍存在爭(zhēng)議。為了探究PPA對(duì)瀝青低溫流變性能的影響，該文基于4 mmDSR試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能模量轉(zhuǎn)化為靜態(tài)松弛模量，以分析評(píng)價(jià)PPA對(duì)瀝青低溫流變性能的影響。研究結(jié)果表明，PPA改性劑的摻入提高瀝青的松弛模量，降低瀝青的低溫松弛速率，使瀝青應(yīng)力的釋放速率減緩，導(dǎo)致瀝青內(nèi)部應(yīng)力的積累，降低瀝青的低溫抗裂性能，其中1.5% PPA改性瀝青的影響程度最為顯著。

關(guān)鍵詞：瀝青；多聚磷酸；低溫；流變；4 mmDSR

中圖分類號(hào)：U414" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）03-0074-04

Abstract： Polyphosphoric acid （PPA）， as a common asphalt modifier， has significant modification effects， especially in improving high-temperature performance， but its impact on low-temperature performance of asphalt is still controversial. In order to explore the effect of PPA on low-temperature rheological properties of asphalt， based on the 4 mmDSR test， this paper converts the dynamic storage modulus into static relaxation modulus based on the test results to analyze and evaluate the effect of PPA on low-temperature rheological properties of asphalt. The research results show that the addition of PPA modifier improves the relaxation modulus of asphalt to varying degrees， reduces the low-temperature relaxation rate of asphalt， slows down the stress release rate of asphalt， leads to the accumulation of internal stress in asphalt， and reduces the low-temperature crack resistance of asphalt. Among them， the influence of 1.5% PPA modified asphalt is the most significant.

Keywords： asphalt; polyphosphoric acid; low temperature; rheology; 4 mmDSR

多聚磷酸（Polyphosphoric acid， 簡(jiǎn)稱PPA）改性劑是一種常見的酸性化學(xué)改性劑，廣泛應(yīng)用于改善瀝青的性能，因其具有顯著的性價(jià)比而備受關(guān)注。相較于傳統(tǒng)的SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）和SBR（聚苯乙烯丁二烯共聚物）改性劑，PPA改性劑在多方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具體包括性能改善效率高、成本低、改性工藝簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)穩(wěn)定性良好、與其他聚合物改性劑相容性好等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，PPA改性劑能夠顯著改善瀝青的高溫抗形變能力，提升瀝青路面的抗車轍性和抗疲勞性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

對(duì)于PPA改性瀝青的高溫性能，國(guó)內(nèi)外研究者普遍認(rèn)為PPA能夠有效提高瀝青的高溫性能。馬慶豐、張恒龍等[1-2]的研究結(jié)果表明，在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，PPA的摻量越大，復(fù)數(shù)模量越大，相位角越小，車轍因子明顯增加，說(shuō)明PPA能夠有效改善瀝青的模量和高溫抗車轍性能，Gama等[3]的研究也有類似結(jié)果。然而，盡管PPA改性瀝青在高溫性能上表現(xiàn)優(yōu)異，但在低溫性能方面卻存在爭(zhēng)議。Ye、Rossi、付力強(qiáng)等[4-6]研究了PPA改性瀝青改性前后瀝青的低溫性能變化，其結(jié)果表明PPA能夠提高瀝青的低溫抗裂性能。曹衛(wèi)東等[7]通過(guò)方差分析PPA摻量對(duì)改性瀝青低溫性能的影響，其結(jié)果表明PPA對(duì)瀝青低溫性能的影響不顯著。趙可等[8]采用瀝青彎曲梁流變?cè)囼?yàn)對(duì)PPA改性瀝青低溫性能進(jìn)行研究，其結(jié)果表明當(dāng)PPA摻量不足1.2%時(shí)，PPA對(duì)瀝青低溫性能的影響不顯著，當(dāng)摻量超過(guò)1.2%時(shí)，PPA會(huì)降低瀝青的低溫抗裂性能。Wei等[9]研究了PPA改性瀝青改性前后瀝青的低溫性能變化，其結(jié)果表明PPA會(huì)降低瀝青的低溫抗裂性能。然而，良好的性能是保證瀝青材料服役性能的重要條件，瀝青路面往往會(huì)因?yàn)榈蜏厥湛s、開裂等問題而嚴(yán)重影響其使用性能和安全性能。因此，提高瀝青的低溫性能，防止其在低溫環(huán)境下出現(xiàn)開裂、變形等病害，對(duì)于保障道路暢通和行車安全具有重要意義。

此外，本研究引入一種更全面和高效的瀝青低溫流變性能測(cè)試方法[10]，即在動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）上使用4 mm平行板，進(jìn)行機(jī)器合規(guī)性的校準(zhǔn)后，可直接測(cè)量瀝青的低溫流變性能。相較于常用的BBR試驗(yàn)，4 mmDSR試驗(yàn)所需瀝青試樣較少，約25 mg，且能夠快速獲取多種溫度和頻率下的流變性能數(shù)據(jù)，顯著提高測(cè)試效率。通過(guò)4 mmDSR試驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┰敿?xì)的流變性能數(shù)據(jù)，幫助研究人員深入理解改性劑對(duì)瀝青性能的影響機(jī)制，進(jìn)而優(yōu)化改性配方，進(jìn)一步提高結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

基于此，本研究專注于4 mmDSR試驗(yàn)，對(duì)不同摻量下的PPA改性瀝青進(jìn)行頻率掃描，以探究其低溫流變性能。同時(shí)促進(jìn)4 mmDSR試驗(yàn)在瀝青中的推廣應(yīng)用，為瀝青的低溫流變性能的研究提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1" 原材料與試驗(yàn)方法

1.1" 原材料

本研究瀝青選用殼牌70#瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.2" PPA改性瀝青的制備

本研究試驗(yàn)所用多聚磷酸改性瀝青的制備方法如下。

1）確定瀝青用量與多聚磷酸改性劑的摻量（0.5%、1.0%、1.5%）；

2）將盛有瀝青試樣的燒杯放入烘箱中加熱至163 ℃，之后放入163 ℃的恒溫磁力油浴鍋中；

3）啟動(dòng)高速攪拌機(jī)，使瀝青在800 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌均勻，并同時(shí)緩慢加入多聚磷酸改性劑，其中攪拌機(jī)為四葉恒速攪拌機(jī)；

4）待多聚磷酸改性劑完全加入，保持油浴溫度與攪拌轉(zhuǎn)速不變，繼續(xù)攪拌30 min；

5）制備完成后，將瀝青放在室溫下靜置冷卻。

1.3" DSR試驗(yàn)

由于瀝青具有黏彈的特性，荷載的輸入與響應(yīng)存在一個(gè)介于0～90°的相位差。因此，為了保證荷載輸入端剪切應(yīng)變振幅處于瀝青的線性黏彈區(qū)間內(nèi)，在進(jìn)行DSR試驗(yàn)之前，需通過(guò)相同加載溫度與頻率下的振幅掃描試驗(yàn)，確定不同條件下瀝青的線性黏彈區(qū)間，使其復(fù)數(shù)模量、相位角、儲(chǔ)存模量、損耗模量和復(fù)合黏度等性能參數(shù)的研究在瀝青變形處于線性黏彈區(qū)內(nèi)進(jìn)行。這是因?yàn)橹挥性诰€性黏彈區(qū)間內(nèi)，動(dòng)態(tài)剪切模量?jī)H受加載溫度和頻率的影響，而不受應(yīng)力或者應(yīng)變值的影響。SHRP研究結(jié)果表明，復(fù)數(shù)模量降低為初始值的95%時(shí)的應(yīng)變或應(yīng)力為極限值。對(duì)此，本研究在進(jìn)行瀝青結(jié)合料、瀝青膠漿流變?cè)囼?yàn)之前，將確定其不同條件下的線性黏彈區(qū)間，且控制發(fā)生應(yīng)變?cè)诖朔秶畠?nèi)。

因此，本研究通過(guò)連續(xù)改變單一溫度且恒定振幅下的加載頻率進(jìn)行掃描，試驗(yàn)采用4 mm平行板，試驗(yàn)間隙為2 mm，根據(jù)試樣的線性黏彈范圍，瀝青采用0.1%應(yīng)變控制，試驗(yàn)溫度選取-5、-15 ℃，試驗(yàn)頻率為0.1～100 rad/s。

1.4" 時(shí)溫等效原理

瀝青作為一種黏彈性材料，其力學(xué)行為具有典型時(shí)間、溫度依賴性。其時(shí)間和溫度的力學(xué)響應(yīng)具有等效性，即同一模量值可由高溫高頻測(cè)試得到，也可由低溫低頻測(cè)試得到。根據(jù)時(shí)溫等效原理，基于WLF方程可將某一試驗(yàn)溫度對(duì)應(yīng)的模量-頻率曲線平移至參考溫度，可以獲取瀝青試樣在更寬頻率范圍內(nèi)的模量主曲線。WLF方程為

lgαT= ， （1）

式中：αT為移位因子；C1、C2為材料常數(shù)；T為試驗(yàn)溫度；T0為參考溫度。

1.5" 線性黏彈力學(xué)指標(biāo)的轉(zhuǎn)化

對(duì)于黏彈性材料，在其線性黏彈范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)力學(xué)指標(biāo)與靜態(tài)力學(xué)指標(biāo)可通過(guò)一定關(guān)系轉(zhuǎn)化。Riande等[11]提出基于G′（ω）的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化公式，如式（2）。然后Christensen等[12]對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)公式進(jìn)行了驗(yàn)證，如式（3）。

G（t）≈G'（ω）|ω=1/t ， （2）

G（t）≈G'（ω）|ω=2/πt 。 （3）

對(duì)此，本研究基于4 mmDSR試驗(yàn)，根據(jù)低溫頻率掃描得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為靜態(tài)松弛模量，從而探究不同摻量下PPA對(duì)瀝青低溫流變性能的影響。

2" 結(jié)果與討論

2.1" PPA改性瀝青儲(chǔ)能模量分析

本研究基于4 mmDSR試驗(yàn)，對(duì)基質(zhì)瀝青與不同摻量的PPA改性瀝青的低溫性能進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)最終得出的評(píng)價(jià)指標(biāo)松弛模量G（60 s）、松弛速率mr（60 s），以分析評(píng)價(jià)PPA對(duì)瀝青低溫流變性能的影響。根據(jù)低溫頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)WLF非線性方程進(jìn)行擬合，計(jì)算出移位因子，其結(jié)果見表2。同時(shí)以-15 ℃為參考溫度建立儲(chǔ)能模量的主曲線，并基于二次方程lgG（t）=a×lgt+b×lgt+c對(duì)松弛模量主曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，瀝青的儲(chǔ)能模量水平隨PPA摻量不斷上升，其中0.5%、1.0%PPA改性瀝青的儲(chǔ)能模量較為接近，1.5%PPA改性瀝青的儲(chǔ)能模量提升幅度更為明顯。此外，在不同試驗(yàn)頻率下，3種PPA改性瀝青的儲(chǔ)能模量提升較為均勻?？梢钥闯?，PPA改性劑的摻入提高了瀝青在低溫下的彈性，尤其是在高摻量下。

2.2" PPA改性瀝青低溫流變性能分析

瀝青作為黏彈性材料，在其線黏彈區(qū)范圍內(nèi)，基于頻率域和時(shí)間域試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的黏彈性指標(biāo)可通過(guò)力學(xué)松弛譜進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。因此，本文基于Christensen改進(jìn)的頻率域模量向時(shí)間域模量轉(zhuǎn)化的公式（3），將儲(chǔ)能模量主曲線G′（ω）轉(zhuǎn)化為松弛模量G（t）主曲線，并基于二次方程lgG（t）=a×lgt+b×lgt+c對(duì)松弛模量主曲線進(jìn)行擬合，得到的擬合結(jié)果如圖2、表3所示。

松弛模量越大、松弛速率絕對(duì)值越小，表明材料在面對(duì)荷載時(shí)，無(wú)法快速有效地將應(yīng)力釋放，其應(yīng)力松弛的過(guò)程減緩，從而導(dǎo)致瀝青低溫抗裂性能下降。由圖2可知，基質(zhì)瀝青的松弛模量水平最小，PPA改性劑的摻入提高了瀝青的松弛模量水平，當(dāng)摻量為1.5%時(shí)，瀝青的松弛模量水平明顯提高，容易導(dǎo)致瀝青在低溫條件下出現(xiàn)裂縫。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)PPA對(duì)瀝青低溫流變性能的影響，基于上述擬合結(jié)果，可計(jì)算不同瀝青在60 s時(shí)的松弛模量指標(biāo)G（60 s）和松弛速率指標(biāo)mr（60 s），計(jì)算結(jié)果見表4。

隨著PPA改性劑摻量的提高，瀝青的松弛模量指標(biāo)不斷增加，其中摻量為1.5%時(shí)，提升幅度顯著增加。相較于基質(zhì)瀝青，0.5%、1.0%、1.5%PPA改性瀝青的松弛模量分別提高了27.2%、36.5%、94.5%，0.5%、1.0%PPA改性瀝青的松弛模量指標(biāo)較為接近，松弛模量指標(biāo)變化幅度較低。然而，隨著PPA改性劑的摻量增加至1.5%時(shí)，瀝青的松弛模量指標(biāo)明顯增加。此外，從松弛速率指標(biāo)上看，不同摻量的PPA改性瀝青的松弛速率指標(biāo)之間的差值相對(duì)較小，而相較于基質(zhì)瀝青，PPA的摻入明顯降低了瀝青的低溫松弛能力。PPA的摻量越高，松弛模量越大，松弛速率的絕對(duì)值越小，說(shuō)明了PPA的摻入降低了瀝青的低溫松弛速率，應(yīng)力的釋放速率減緩，導(dǎo)致瀝青內(nèi)部應(yīng)力的積累，降低了瀝青的低溫抗裂性能。

3" 結(jié)論

本研究通過(guò)4 mmDSR試驗(yàn)分析了PPA改性瀝青的低溫流變性能，主要結(jié)論如下。

1）通過(guò)對(duì)比不同瀝青試樣的儲(chǔ)能模量，PPA的摻入提高了瀝青的儲(chǔ)能模量，PPA改性瀝青黏性減弱，表現(xiàn)出更多的彈性，其摻量越大越明顯。

2）通過(guò)對(duì)比不同瀝青試樣的松弛模量，PPA的摻入提高了瀝青的松弛模量，即PPA改性瀝青更容易積累內(nèi)部應(yīng)力。

3）通過(guò)對(duì)比不同瀝青試樣的松弛速率，PPA的摻入降低了瀝青的松弛速率，使得PPA改性瀝青應(yīng)力的釋放速率減緩，導(dǎo)致瀝青內(nèi)部應(yīng)力的積累，降低了瀝青的低溫抗裂性能。

4）綜上所述，PPA的摻入降低了瀝青的低溫抗裂性能。其中0.5%、1.0%PPA改性瀝青的低溫抗裂性能差異較小，1.5%PPA改性瀝青的低溫抗裂性能則出現(xiàn)明顯下降。

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