多聚磷酸改性沥青低温性能研究

王慧峰

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030012）

研究表明，PPA 能够有效地改善沥青的高温性能，并且PPA 改性沥青的制备工艺简单，存储稳定性良好，价格低廉，因此该改性沥青受到了研究者们越来越多的重视[1]。然而，目前关于PPA 对沥青低温性能的影响众说纷纭，难以得出统一的结论[2]。本文通过BBR 试验，采用低温临界温度、蠕变劲度S 及蠕变速率M 来评价PPA 掺量对PPA 改性沥青低温性能的影响，并同基质沥青、SBS 改性沥青进行性能对比。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

该研究所采用的PPA 为上海某化工有限公司生产的分析纯AR 级别PPA，其技术指标见表1 所示。PPA 为无机质子酸，有腐蚀性，常温时无色透明，呈糖浆状，50 ℃～60 ℃时具备流动性，低温时则凝固成玻璃状。PPA 能溶解多种有机物，在有机合成中常被用作失水剂、环化剂、酸化剂等，是缩合、环化、重排、取代等反应的催化剂或溶剂[3]。其分子式为Hn+2PnO3n+1。

表1 PPA 技术指标

该试验所选用的沥青为市场广泛使用的SK70号沥青，技术指标见表2 所示。所采用的SBS 改性沥青为市售成品改性沥青，技术指标见表3 所示。

表2 SK70 号沥青技术指标

表3 SBS 改性沥青技术指标

1.2 PPA 改性沥青的制备

PPA 能与沥青组分发生化学反应，PPA 改性沥青制备不需要复杂的工艺，且该改性沥青的储存稳定性好。PPA 改性沥青的具体制备工艺为：首先将基质沥青加热到165 ℃～170 ℃，然后将一定质量的PPA 加入到基质沥青中进行搅拌，大约搅拌30 min。

1.3 试验方法与指标

本文采用沥青蠕变劲度试验评价PPA 改性沥青的低温性能。该试验由美国SHRP 计划提出并推荐，与延度等经验试验不同，该试验从力学角度评价沥青的低温性能。目前该试验已成为评价沥青低温性能的主要方法。

BBR 试验以蠕变劲度S 和蠕变劲度变化率M作为主要参数。AASHTO 规范规定，为了控制沥青路面的低温开裂，沥青的S 应该不大于300 MPa，而M应该不小于0.3。由于AASHTO 对于沥青的低温分级跨度较大，不能有效地区分沥青的低温性能，因此本文采用S 和M 共同确定的临界温度作为PPA 改性沥青低温性能的评价指标。其中S 和M 的临界温度由线性回归确定，分别表示为TL,S和TL,M；而S 和M 共同确定的低温临界温度（TLC）由TL,S和TL,M的最大值决定，该指标综合考虑了蠕变劲度S 和蠕变速率M 对沥青低温性能的控制影响。

研究表明，PPA 的掺量通常在0.5%～1.5%之间（以基质沥青质量为基准）[2]。本文分别研究0.5%、0.75%、1%、1.25%、1.5%五种PPA 掺量的改性沥青的低温性能。其中，SBS 改性沥青中SBS 的掺量为4%。为更好地评价改性沥青的低温性能，试验所采用的沥青均通过旋转薄膜加热试验（RTFOT）进行短期老化。

2 试验结果与分析

PPA 改性沥青的BBR 试验结果如图1 所示。从图1 可以发现，在所有的试验温度下，随着PPA 掺量的提高，PPA 改性沥青的蠕变劲度S呈现逐渐减少的趋势，蠕变速率M 呈现逐渐增加的趋势，这表明PPA 显著提高了基质沥青的低温性能。同时可以发现，PPA 掺量较低时，改性沥青蠕变劲度S 和蠕变速率M 变化的速度较快，而当PPA 掺量较高时，蠕变劲度S 和蠕变速率M 的变化趋势趋于平稳，这表明PPA 对基质沥青低温性能的改善效果只有在掺量较低时才比较明显。此外，从蠕变劲度S 和蠕变速率M 随PPA 掺量变化的曲线可以发现，随着温度越高，曲线间的距离均逐渐扩大，表明改性沥青的低温性能降低的越多，这进一步表明温度能显著影响改性沥青的低温性能。

AASHTO 中规定，为减少沥青路面出现裂缝的几率，沥青的蠕变劲度S 应不大于300 MPa，同时蠕变速率M 应不小于0.3。从图1 中可以发现，在-12 ℃的试验温度下，PPA 改性沥青均能满足这一要求；而当试验温度降低到-18 ℃时，只有1.5%PPA 掺量的PPA 改性沥青能满足AASHTO 规范的要求；在-24 ℃时，所有掺量的PPA 改性沥青均不能满足规范要求。这表明只有1.5%PPA 掺量的改性沥青适用于最低环境温度为-28 ℃（试验温度-18 ℃对应的最低路面设计温度为-28 ℃）。然而从试验结果可以发现，在-12 ℃和-18 ℃的试验温度下，SBS 改性沥青均满足AASHTO 规范的要求，只在-24 ℃时不满足要求。这表明SBS 改性沥青适用于最低环境温度为-28 ℃。从AASHTO 分级角度来看，SBS 改性沥青和1.5%PPA 改性沥青具备相同的低温性能。

图1 PPA 改性沥青BBR 试验结果

为进一步研究PPA 改性沥青的低温性能，本文对不同掺量下PPA 改性沥青的BBR 试验结果进行了线性回归，线性回归公式及相关性系数如表4 所示。

表4 BBR 试验结果线性回归公式及相关性系数

分别将S=300 MPa 及M=0.3 的临界条件带入不同掺量下的蠕变劲度S 和蠕变速率M 的线性回归公式，得出临界条件下的温度TL,S和TL,M。为更好地控制沥青的低温性能，综合考虑蠕变劲度S 和蠕变速率M，PPA 改性沥青的最终临界温度TLC取TL,S和TL,M中的较大值。试验结果如图2 所示。

图2 PPA 低温临界温度

从图2 可以发现，随着PPA 掺量的增加，改性沥青的低温临界温度逐渐降低，表明PPA 改善了基质沥青的低温性能，和蠕变劲度S 及蠕变速率M 的变化趋势相同，PPA 掺量较小时，改性沥青的低温临界温度变化较为明显，而PPA 掺量达到1.25%时，改性沥青的临界温度变化不大。因此从临界温度来看，低PPA 掺量能带来较为显著的低温改善效果。

此外，从临界温度结果可以发现，只有1.5%PPA 掺量改性沥青的临界温度超过了-18 ℃，这和蠕变劲度S 及蠕变速率M 反映的PG 分级结果相同。然而SBS 改性沥青的低温临界温度低于1.5%PPA 改性沥青，表明SBS 改性沥青低温性能优于1.5%PPA 改性沥青。这表明低温临界温度能较好地反应沥青的低温性能。

3 结论

多聚磷酸（PPA）改性沥青的低温临界温度、蠕变劲度S 和蠕变速率M 的结果均表明PPA 能改善基质沥青的低温性能，并且PPA 掺量越多，其对基质沥青低温性能的改善效果越加显著。但是PPA 改性沥青的低温性能不及SBS 改性沥青，只有1.5%PPA 改性沥青适用于-28 ℃的最低环境温度。

PPA 改性沥青的临界温度在PPA 掺量较少时变化较为显著，在PPA 掺量超过1.25%时变化不明显。PPA 改性沥青的蠕变劲度S 和蠕变速率M 的变化趋势和临界温度相同。

AASHTO 分级温度范围较宽，基于BBR 试验的低温临界温度可以细化温度范围，能很好地反应改性沥青的低温性能。