多聚磷酸改性沥青研究现状与展望

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建设与发展

建筑工程技术与设计2016年3月下　多聚磷酸改性沥青研究现状与展望

马腾飞

（重庆交通大学 土木建筑学院 重庆 400074）

【摘要】本文通过大量的文献检索及综述，阐述了国内外关于多聚磷酸改性沥青及其混合料的相关研究进展，包括多聚磷酸的改性机理、高温性能、中温性能、低温性能、水稳定性能等等。多聚磷酸作为一种低成本的改性剂，采用其单一改性或与其他聚合物进行复合改性具有良好的应用前景。本文可供业内对多聚磷酸改性沥青相关施工规范制定及相关技术指南制定提供参考。

【关键词】多聚磷酸，沥青，改性、道路工程

１ 研究意义

用于沥青路面中的胶结料应当提供最佳的抗力学破坏和永久变形的能力，并且在较大温度范围内和交通荷载条件下有良好的耐久性。直接蒸馏所得到的沥青常常并不能直接用于路面中，因此，人们常采用各种方法对沥青做改性处理。典型的改性剂有聚合物、化学添加剂，或者两者的组合。化学添加剂中，多聚磷酸是最为广泛使用的。基质沥青添加PPA 后的沥青具有较佳的抗老化能力、抗永久变形能力，其粘温特性及抗离析能力也十分突出，可有效解决常规聚合物改性沥青离析的问题。此外，采用PPA 改性不需要使用专门的设备就可以很容易地与沥青共混共融，均匀地分散在沥青中与其发生化学反应，因为PPA 改性沥青所需的设备简单从而大幅度降低了工程造价。就材料成本而言，当前基质沥青单价在4500元/吨左右，SBS 聚合物单价在22000元/吨左右，PPA 的单价在6000元/吨左右，5%的SBS 改性沥青单价在5800元/吨左右，3%SBS+1%PPA 改性沥青单价在5400元/吨左右，每吨沥青胶结料费用降低400元/吨左右。因此，若将常用的高分子聚合物改性剂以多聚磷酸作为替代物进行改性，则可大幅度减少沥青的改性成本。

２ 国内研究现状

赵可等人采用沥青的流变及常规试验方法，阐述了多聚磷酸（PPA ）能够改变沥青胶结料胶体的结构。对PPA 在基质沥青中的添加量进行了优化，优化后得到的沥青结合料高温抗永久变形能力得到了明显的提高，多聚磷酸对沥青的低温及疲劳特性无不良影响。刘自斌等人采用流变学的方法研究了添加不同比例的PPA 对所采用的基质沥青流变行为的影响，并提出了PPA 对基质沥青的可能的改性机理。试验结果表明，在低温下，PPA 的添加能够降低改性后的沥青的复数剪切模量及相位角，在高温下能够增大改性后的沥青的复数剪切模量及相位角。付力强等人对PPA 改性沥青的物理特性进行了研究，测试的结果表明，与未采用PPA 改性的沥青相比，改性后沥青的高温抗车辙性能和低温抗裂性能都有一定程度上的提高。曹卫东等人采用4种掺量的多聚磷酸改性70号沥青，采用多尺度的测试手段研究了多聚磷酸改性沥青胶结料的性能及提出了可能的改性机理。试验结果表明，沥青添加多聚磷酸后，其高温抗车辙性能得到了显著的提高，对温度的敏感性下降，改性后沥青的粘度得到提高，而低温抗裂性能略有降低的趋势。魏建明等人采用自由能理论研究了PPA 对沥青的影响，结果表明，PPA 改性沥青表面自由能的变化与基质沥青中的沥青质所占胶体的比例有关，如果基质沥青中的沥青质比例较低，则其添加PPA 后，其改性沥青的表面自由能随着PPA 的添加有上升的趋势。沥青质比例较高的基质沥青，添加PPA 后，表面自由能有降低的趋势。张恒龙等人研究了多聚磷酸对不同沥青的改性及其改性机理，研究表明，随着PPA 掺量的增加，沥青的软化点和粘度提高，复数剪切模量及相位角降低。

在多聚磷酸与其他改性剂复配方面，毛三鹏等人研究了多聚磷酸对SBS 改性沥青性能的影响，考察了PPA 添加量、基质沥青的种类对克炼原油沥青改性后沥青性能的影响。结果表明，使用PPA 可以达到改性沥青相同的性能而降低SBS 的添加量。王云普和张峰研究了PPA 复配SBR 改性沥青的复配生产条件及改性工艺，结果表明，在沥青中添加增塑剂可以提高胶结料的抗老化特性，

但对胶结料的韧性产生不良的影响；此外研究还表明，添加PPA 能够提高沥青结合料的粘度，提高胶结料抗永久变形的能力，同时PPA 与SBR 复配可以提高胶结料的低温性能。

３ 国外研究现状

1972年，Oil Shale Company 公司（TOSCO ）首先声称PPA 可以作为沥青改性剂，而不是用作吹制法的催化剂。在SHRP 计划前，PPA 已经被用来改善沥青胶结料的等级（改善软化点和减少针入度）并且在SuperpaveTM 后，用来改善沥青PG 分级。20世纪90年代末，PG 分级体系实施后，PPA 在沥青中的使用急剧上升，且目前被广泛用来改善沥青的性能。

多聚磷酸改性机理方面，Orange 等人认为当PPA 添加到沥青中时发生了化学反应，PPA 的主要酸性部分被反应消耗，在极性介质-沥青质间形成了不溶性化合物。两种主要类型的反应最有可能发生：酸碱中和反应和酯化反应。在这两种情况下，PPA 充当抗凝聚剂（与沥青质反应起作用），使得原来堆积在一起的沥青质分散在沥青的轻组分中。从力学角度来看，沥青质得到很好地分散会导致沥青质网络间相互作用的的数量大幅度增加。Distin T 研究发现[20]PPA 与沥青中多种官能团发生反应。其打破了沥青质团簇且创造了沥青质更好地分布于软沥青质相中的可能性。PPA 使沥青质分散为单个的微粒，这有助于弹性行为的发挥。

Baumgardner 等人研究表明，在沥青中添加PPA 使沥青中沥青质的含量增加35~55%，沥青原油来源不同增加的量也有所差别，其认为这是PPA 对沥青组分中沥青质亲和性的直接作用结果。Masson J F 等人提出，基质沥青与PPA 发生化学反应的过程中，PPA 与基质沥青可能发生了盐化作用，从而使沥青组分中的饱和分减少，而芳香分组分提高、胶质发生离子化反应及芳香分发生环化反应，从而生成大量新的束状胶体沥青质。在PPA 的化学作用下，基质沥青中的部分双键发生活化反应，而使分子之间形成网络交联，沥青分子中的氮-氢键被转化从而造成H 键的破坏，这样沥青内部的交联程度得到提高和强化，使沥青中的各个组分的比例处于较优状态。Marcant B 认为PPA 与沥青分子中的某些官能团之间可能发生化学作用，从而使沥青质团簇得以分离，提高了沥青质在沥青胶结料软组分中的分散程度，此外，沥青组分之间的相互分散提高了沥青的交联程度，从而使得沥青的劲度提高。

PPA 改性沥青及其混合料性能方面，2004年在美国东北部沥青生产集团的研讨会上，Martin 陈述了关于PPA 使沥青高温和低温性能得到改善的发现。Edwards 采用动态剪切流变试验、弯曲梁流变试验和测力延度试验和差示扫描试验等方法研究了PPA 对基质沥青流变特性及混合料特性的影响，研究结果表明，PPA 对美国SHRP 推出的四种沥青具有不同的改性效果，且当采用PPA 改性时，其对沥青混合料的高温及中温下的流变性能具有较大的影响；基于高温状态下的重复剪切蠕变方法，得出PPA 对沥青混合料的抗永久变形能力有较大的改善效果。

参考文献：

［１］刘自斌，叶群山．多聚磷酸改性沥青流变性能研究［Ｊ］．公路，２０１２，１１（１１）：１９８－２０１．

［２］付力强，王子灵，黄晓明等．多聚磷酸改性沥青的性能研究［Ｊ］．２００８，２５（２）：１６－２１．

［３］曹卫东，刘乐民等．多聚磷酸改性沥青的试验研究［Ｊ］．２０１０，３０　（３）：２５２－２５６．

［４］魏建明，张玉贞等．多聚磷酸对沥青表面自由能的影响［Ｊ］．　２０１１，２７（２）：２８１－２８７．

［５］张恒龙，史才军等．多聚磷酸对不同沥青的改性及改性机理研究［Ｊ］．２０１３，１６（２）：２５５－２６１．