多聚磷酸復(fù)配SBS改性瀝青老化特性及微觀結(jié)構(gòu)演變

王永寧，李 波，高宏剛，顏魯春，宋尚霖

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070，2.甘肅恒路交通勘察設(shè)計院有限公司，蘭州 730070，3.甘肅省公路交通建設(shè)集團有限公司 西北寒旱區(qū)公路基礎(chǔ)設(shè)施長期性能交通運輸行業(yè)野外科學(xué)觀測研究基地，蘭州 730030)

SBS改性瀝青憑借良好的路用性能被廣泛應(yīng)用于瀝青路面建設(shè)中，但由于制備工藝復(fù)雜、儲存穩(wěn)定性較差、價格較高而制約了其發(fā)展[1-2].多聚磷酸(poly phosphoric acid，PPA)作為一種廉價的改性材料，近年來憑借其良好的性能在瀝青材料改性過程中逐漸推廣使用[3-4].

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者針對PPA與SBS改性劑的性能優(yōu)勢，采用PPA與SBS復(fù)配的方式對基質(zhì)瀝青性能進行改善提升.李麗平等[5]研究結(jié)果表明，PPA可以使得SBS改性劑在瀝青中更加均勻分布，增強其在瀝青中的交聯(lián)作用；Xiao等[6]發(fā)現(xiàn)PPA的加入可提升SBS改性瀝青的高溫性能；周璐等[7]研究發(fā)現(xiàn)PPA會降低瀝青的水敏感性，但可改善其黏附性能；Zhang等[8]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)PPA加入SBS改性瀝青中雖對其低溫性能改善不理想，但對其高溫性能卻有顯著提升，文獻[9-11]也得出了類似的結(jié)論.然而，瀝青材料在拌和、運輸、攤鋪、長期使用過程中極易受到紫外線、溫度、水等因素的影響，進而使得瀝青材料老化而導(dǎo)致其路用性能變差，為此，學(xué)者們對PPA復(fù)配SBS改性瀝青的抗老化性能進行了深入研究.Feng等[12]證明PPA的加入可以顯著提升SBS改性瀝青的抗老化性能.

綜上所述，PPA可改善SBS改性瀝青的高溫、水穩(wěn)定和抗老化等性能，但對于PPA復(fù)配SBS改性瀝青老化后的微觀機理研究報道較少.為此，本文探討了PPA復(fù)配SBS改性瀝青老化后性能變化規(guī)律和微觀結(jié)構(gòu)演化過程，以期為其推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 實驗材料及方案

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青主要選用甘肅省常用的SK90#基質(zhì)瀝青，鎮(zhèn)海(ZH)90#基質(zhì)瀝青和西太(XT)90#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標如表1所列.

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標

1.1.2 PPA

多聚磷酸作為廉價材料，可顯著改善瀝青的高溫性能，本文選用云南天耀化工有限公司提供的工業(yè)級115%的多聚磷酸，其主要物理性能如表2所列.

表2 PPA技術(shù)指標

1.1.3 鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)

DBP作為軟化劑，主要用來改善瀝青的低溫性能，本文選用無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司提供的DBP試劑，主要技術(shù)指標如表3所列.

表3 鄰苯二甲酸二丁酯技術(shù)指標

1.2 實驗安排

1.2.1 試樣制備

PPA復(fù)配SBS(PPA/SBS)改性瀝青制備按照文獻[13]進行制樣，選擇SBS摻量為3.5%，PPA摻量為0.5%，DBP摻量為1.0%.制備流程如下：1)將基質(zhì)瀝青保持135 ℃的恒溫加熱至牛頓流體狀態(tài)，加入設(shè)定摻量的糠醛抽出油并攪拌均勻，2)快速升溫至160 ℃，加入設(shè)定摻量的DBP持續(xù)攪拌均勻，然后快速升溫至175 ℃，加入設(shè)定摻量的SBS改性劑溶脹10 min后，加入設(shè)定摻量的PPA采用高速剪切機持續(xù)30 min；3)最后加入設(shè)定摻量的穩(wěn)定劑攪拌10 min；4)在175 ℃烘箱發(fā)育2.5 h，得到PPA/SBS改性瀝青成品.

1.2.2 宏觀性能技術(shù)指標

按照規(guī)范[14]中規(guī)定的實驗方法進行測試.

1.2.3 紅外光譜測試

采用Thermo Nicolet紅外光譜儀獲取PPA/SBS改性瀝青老化前后的紅外光譜圖譜，掃描范圍為400～4 000 cm-1，掃描32次，最小分辨率為0.019 cm-1.

2 結(jié)果分析

2.1 PPA/SBS改性瀝青老化后宏觀性能變化規(guī)律

PPA/SBS改性瀝青經(jīng)過短期老化(RTFOT)和長期老化(PAV)后宏觀性能(針入度、軟化點、延度和粘度)的變化規(guī)律如圖1所示.

圖1 PPA/SBS改性瀝青宏觀性能

由圖1可知，PPA/SBS改性瀝青較SBS改性瀝青高溫性能明顯提升，且低溫性能幾乎保持穩(wěn)定，說明PPA加入可以提升SBS改性瀝青的高溫性能且不會對低溫性能產(chǎn)生較大負面影響.此外，PPA/SBS改性瀝青經(jīng)過老化后，針入度和延度降低，軟化點和粘度增大，這與普通基質(zhì)瀝青變化規(guī)律基本保持一致[15]，但其改變程度較SBS改性瀝青更小，說明PPA加入可以提升SBS改性瀝青的抗老化性能.

2.2 老化方式對PPA/SBS改性瀝青官能團的影響

PPA/SBS改性瀝青官能團老化結(jié)果如圖2所示.

通過對圖2進行分析發(fā)現(xiàn)，SBS改性瀝青RTFOT和PAV老化后，1 030 cm-1，1 700 cm-1處的特征峰均出現(xiàn)不同程度的增大；PPA/SBS改性瀝青RTFOT老化后1 030 cm-1，1 700 cm-1處的特征峰未出現(xiàn)明顯變化，而經(jīng)PAV老化后該處的特征峰卻明顯增大，且增加幅度明顯小于SBS改性瀝青，說明PPA可以顯著改善SBS改性瀝青的抗老化性能，這與2.1得到的結(jié)論一致，進一步證實了PPA的加入可均勻分散SBS改性劑[13,16]，進而提升其高溫和抗老化性能,與王嵐，王子豪等人研究結(jié)論一致.對比1 030 cm-1處亞砜基特征峰的變化發(fā)現(xiàn)，PPA/SBS改性瀝青經(jīng)過PAV老化較RTFOT老化該處的特征官能團明顯增加，這主要是由于在經(jīng)過長期老化后PPA/SBS改性瀝青的輕質(zhì)組分轉(zhuǎn)化為重質(zhì)組分，使得瀝青質(zhì)含量增加，加劇了PPA/SBS改性瀝青老化.

圖2 PPA/SBS改性瀝青官能團

2.3 PPA/SBS改性瀝青老化后微觀結(jié)構(gòu)演變過程

為進一步驗證PPA/SBS改性瀝青老化后微觀結(jié)構(gòu)演變過程，采用AFM對其進行二維形貌獲取，結(jié)果如圖3所示.

圖3 PPA/SBS改性瀝青二維形貌

PPA/SBS改性瀝青經(jīng)過短期老化后，“蜂狀”結(jié)構(gòu)增多，而長期老化之后，PPA/SBS改性瀝青“蜂狀”基本結(jié)構(gòu)消失，且出現(xiàn)大量的明亮斑點.說明PPA/SBS改性瀝青短期老化后瀝青質(zhì)增加，宏觀表現(xiàn)為高溫性能改善，粘度增加，這與圖1分析結(jié)果相同.從形貌圖上看，相比未老化PPA/SBS改性瀝青，RTFOT和PAV老化后其“蜂狀”結(jié)構(gòu)變長變細，這與Allen[17]和Wu[18]的試驗結(jié)果類似，可能是由于老化后瀝青中輕質(zhì)組分減少所致[19].

3 結(jié)論

1)PPA/SBS改性瀝青的低溫性能略低于SBS改性瀝青，但其高溫卻顯著提升.

2)老化對SBS改性瀝青性能的影響較PPA/SBS改性瀝青更顯著.

3)PPA的加入可使得SBS改性劑在瀝青中更加細小均勻分散，RTFOT老化對PPA/SBS改性瀝青性能幾乎無影響，但PAV老化使得其“C=C”和“S=S”被氧化導(dǎo)致發(fā)生老化.

4)PPA/SBS改性瀝青短期老化后“蜂狀”結(jié)構(gòu)增多，長期老化后消失且出現(xiàn)團聚.