陈钊，杜鑫*，李良

(1.广西北投公路建设投资集团有限公司，广西 南宁 530000；2.广西交通设计集团有限公司)

1 前言

目前中国交通基础设施建设取得了巨大的成就，截至2019年底，高速公路车道里程达到14.96万km，为中国“交通强国”的建设奠定了坚实的基础。中国已建成的高速公路中有90%以上为沥青路面，其中沥青作为胶结料是沥青路面材料的重要组成之一，提高沥青的路用性能一直是道路工程领域的研究热点，一般通过添加改性剂来提升沥青的路用性能。目前，广泛应用于沥青中的改性剂有苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、橡胶粉、树脂等。其中，具有代表性的改性剂为SBS，它可有效改善沥青的高温性能及低温性能，且具有较为均衡的综合性能。但是SBS改性剂与基质沥青之间的改性为物理共混，并无发生明显的化学反应，导致SBS改性沥青存在热储存稳定性不足、改性剂与基质沥青相容性差的缺陷。由于化学改性剂能够与基质沥青发生化学反应生成稳定的化学键或基团，因此，可以采用化学改性剂复配SBS改性沥青的方式解决SBS改性沥青热储存稳定性与相容性差的问题。多聚磷酸(PPA)是一种价格低廉、工艺简单的酸性化学改性剂，其化学式为H6P4O13，将其作为改性剂制备的改性沥青具有优良的路用性能。王利强等研究了不同掺量PPA和SBS复合改性沥青的路用性能，结果表明2.0%SBS+0.5%PPA复合改性沥青可以代替4.0%SBS单独改性沥青;王永宁等通过红外光谱试验研究了PPA复配SBS改性沥青的微观性能，结果表明随着PPA掺量的增加，复合改性沥青966 cm-1处的C=C特征吸收峰及1 030 cm-1处的S=O特征吸收峰呈先增加后减小的趋势，且当PPA掺量为0.75%时最大；宋小金等研究了PPA复合SBS改性沥青混合料的路用性能，结果表明，相比SBS改性沥青混合料，加入PPA可以有效提高改性沥青混合料的高温稳定性，两者的水稳定性相差不大，但是PPA的加入使改性沥青混合料的低温性能略有下降。

综上，研究者针对PPA复配SBS改性沥青的流变性能、微观性能及其混合料性能开展了较多的研究工作，但是研究老化对多聚磷酸复配SBS改性沥青相关性能的影响较少。在改性沥青的拌和、运输、摊铺、碾压以及开放使用中均伴随有沥青的老化，且老化对沥青路面路用性能具有重要影响。因此，该文选择PPA复配SBS改性沥青进行室内试验模拟沥青的实际老化作用，研究老化对多聚磷酸复配SBS改性沥青流变性能的影响，并以单一PPA改性沥青和SBS改性沥青作为参照组进行研究。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

选择SK-90#作为基质沥青，其基本性能指标见表1。PPA单一改性沥青中改性剂掺量为1.5%，SBS单一改性沥青中改性剂掺量为4.0%，PPA复配SBS改性沥青中PPA掺量为1.2%，SBS掺量为3.0%，上述各改性剂的掺量均为改性剂占基质沥青质量的百分比。PPA纯度为110%；SBS为线形改性剂。

表1 SK-90#基本性能指标

2.2 改性沥青制备方法

(1)单一PPA或SBS改性沥青的制备：将基质沥青加热至165 ℃，分别称取一定质量的改性剂(1.5%的PPA或4.0%的SBS)，将改性剂加入基质沥青中搅拌溶胀30 min，待溶胀完全后，采用高速剪切乳化机以5 000 r/min的转速，170 ℃的温度剪切65 min，剪切完成后置于175 ℃烘箱中发育35 min。

(2)多聚磷酸复配SBS改性沥青的制备：首先将基质沥青加热至165 ℃，称取3.0%基质沥青质量的SBS改性剂，加入基质沥青中搅拌溶胀30 min，将温度升至170 ℃，采用高速剪切乳化机以5 000 r/min的转速剪切65 min，然后加入基质沥青质量1.2%的PPA，继续在170 ℃、5 000 r/min的转速下剪切65 min，剪切完成后置于175 ℃烘箱中发育35 min。

制备得到的不同改性沥青的基本性能见表2。

表2 改性沥青的基本性能指标

2.3 老化试验

(1)短期老化试验：采用旋转薄膜加热试验(RTFOT)模拟不同改性沥青的短期老化现象，根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，称取35 g改性沥青试样于盛样瓶中，老化温度为163 ℃，转速为15 r/min，空气流速为4 000 mL/min，总持续时间为85 min。

(2)长期老化试验：采用压力老化容器加速沥青老化试验(PAV)模拟不同改性沥青的长期老化现象，根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，称取50 g旋转薄膜加热试验后的残留物于盛样盘中，老化温度为100 ℃，施加空气压力2.1 MPa，整个老化过程持续20 h。

2.4 性能试验

(1)温度扫描试验：使用动态剪切流变仪(DSR)进行温度扫描试验，采用应变控制模式，设置频率为10 rad/s，温度为40～70 ℃，温度间隔5 ℃。对于原样沥青和RTFOT后的试样，直径为25 mm，间隙为1 mm；对于PAV后的试样，直径为8 mm，间隙为2 mm。

(2)弯曲蠕变劲度试验：使用弯曲梁流变仪(BBR)进行弯曲蠕变劲度试验，选择试验温度为-12、-18、-24 ℃。

3 结果与讨论

3.1 老化对改性沥青高温流变性能的影响

3.1.1 车辙因子

美国战略公路研究计划(SHRP)提出采用车辙因子(G*/sinδ)来表征沥青的高温抗变形能力，G*/sinδ越大，说明沥青抵抗高温变形的能力越强。图1为1.5%PPA、4.0%SBS和1.2%PPA+3.0%SBS改性沥青在原样、RTFOT和PAV 3种状态下车辙因子随着温度的变化过程。由图1可以看出：在相同温度条件下，改性沥青的车辙因子由大到小的排序为：1.2%PPA+3.0%SBS>4.0%SBS>1.5%PPA，即多聚磷酸复配SBS改性沥青的高温抗变形能力要优于单一PPA或SBS改性沥青。随着温度的增加，不同改性沥青的车辙因子逐渐减小，这是因为随着温度升高，使改性沥青自身内部分子间的相互作用力减弱，从而导致各沥青中的弹性成分向黏性成分转换，即温度越高，改性沥青越易呈现黏流态，因此其高温抗变形能力减弱。老化后，不同改性沥青的车辙因子都出现明显的增长趋势，说明老化后改性沥青的高温抗变形能力增强，这是因为老化导致改性沥青的内部组分出现变化，表现为轻质组分挥发，重质组分增加，沥青的稠度增加，导致沥青变硬，从而使改性沥青在高温下的变形量变小。且PAV后改性沥青的车辙因子高于RTFOT后的，说明老化程度越深，对改性沥青的高温抗变形能力影响越大。

图1 改性沥青的车辙因子

3.1.2 高温抗老化性指标分析

采用车辙因子老化指数(RFAI)来表征不同改性沥青的高温抗老化性指标，其计算公式如式(1)所示:

RFAI=

(1)

车辙因子老化指数越大，说明沥青老化程度越严重。根据式(1)计算不同改性沥青在不同温度下的老化指数如图2所示。

图2 不同老化状态下的RFAI

由图2可以看出：PAV和RTFOT后改性沥青的老化指数随温度变化的趋势相同，对于单一PPA或SBS改性沥青在温度变化时老化指数的变化不稳定，而对于多聚磷酸复配SBS改性沥青，温度升高，老化指数变大，说明温度升高，多聚磷酸复配SBS改性沥青的抗老化能力变弱。且在温度变化过程中，多聚磷酸复配SBS改性沥青的老化指数低于单一PPA或SBS改性沥青的老化指数，说明相比单一PPA或SBS改性沥青，多聚磷酸复配SBS改性沥青具有更强的抗老化能力，这是因为在SBS沥青加入PPA改性剂后，PPA与SBS改性沥青中的基质沥青发生了接枝、磷酸酯化等反应，使沥青中的胶质向沥青质转化，沥青中的重质组分增加，同时，PPA与SBS发生反应生成新的官能团，所以老化过程中多聚磷酸复配SBS改性沥青的高温抗老化能力变强。

3.2 老化对改性沥青低温流变性能的影响

3.2.1 蠕变劲度和蠕变速率

SHRP计划采用BBR试验来评价沥青低温流变性能，并提出使用蠕变劲度(S)和蠕变速率(m)作为低温评价指标。蠕变劲度越小，沥青的低温变形能力越好；蠕变速率越大，沥青的低温抗裂性越好。图3、4为1.5%PPA、4.0%SBS和1.2%PPA+3.0%SBS改性沥青在原样、RTFOT和PAV 3种状态下蠕变劲度和蠕变速率随着温度的变化情况。

图3 改性沥青的蠕变劲度

图4 改性沥青的蠕变速率

由图3、4可以看出：温度降低，3种改性沥青的蠕变劲度增大，蠕变速率降低，说明温度降低会使改性沥青的低温延展性和应力松弛能力降低。相比单一PPA改性沥青，多聚磷酸复配SBS改性沥青的蠕变劲度更小，蠕变速率更大，但复配改性沥青与SBS改性沥青的蠕变劲度和蠕变速率相差不大，说明采用多聚磷酸复配SBS改性沥青可以显著改性单一PPA改性沥青的低温性能，且对单一SBS改性沥青低温性能的影响不大。老化后，3种改性沥青的蠕变劲度上升，蠕变速率下降，说明老化使改性沥青的低温性能变差，沥青变脆，耐久性变差。

3.2.2 低温抗老化性指标分析

采用蠕变劲度老化指数(SAI)和蠕变速率老化指数(MAI)来表征不同改性沥青的低温抗老化性指标，计算公式如式(2)、(3)所示：

SAI=

(2)

MAI=

(3)

蠕变劲度老化指数和蠕变速率老化指数越大，说明沥青的老化程度越严重。根据式(2)、(3)计算不同改性沥青在不同温度下的SAI和MAI，结果如图5、6所示。

图5 不同老化状态下的SAI

图6 不同老化状态下的MAI

由图5、6可以看出：短期老化后，单一PPA或SBS改性沥青的老化程度相差不大，多聚磷酸复配SBS改性沥青的老化程度严重；长期老化后，MAI表征的3种改性沥青老化程度相当，而SAI表征的老化严重程度强弱排序为：1.2%PPA+3.0%SBS>4.0%SBS>1.5%PPA，说明用MAI表征沥青的抗老化程度区别不大，因此该文建议采用SAI表征沥青低温的抗老化程度。

4 结论

(1)老化作用使多聚磷酸复配SBS改性沥青变硬、变脆，使多聚磷酸复配SBS改性沥青的高温抗变形能力提高，但是对其低温性能具有不利影响。

(2)多聚磷酸复配SBS改性沥青的高温抗老化能力高于单一PPA或SBS改性沥青的高温抗老化能力，且温度升高，沥青的高温抗老化能力变弱。

(3)多聚磷酸复配SBS改性沥青的低温抗老化能力低于单一PPA或SBS改性沥青的低温抗老化能力。

(4)推荐在高温地区采用多聚磷酸复配SBS改性沥青，但是在寒区尽量避免采用复配改性沥青，可以采用单一多聚磷酸或SBS改性沥青。