多聚磷酸改性沥青

曹 晓 娟

多聚磷酸改性沥青

曹 晓 娟

（西安外事学院， 陕西 西安 710077）

多聚磷酸是一种常用的沥青化学改性剂，通过对多聚磷酸改性机理的研究，发现改性过程中会发生两种化学反应：中和反应和酯化反应。添加多聚磷酸会在减少聚合物用量的情况下达到与聚合物改性沥青同样的效果。除此之外，多聚磷酸还会提高沥青混合料抗车辙、抗水损害的能力，并改善沥青的高温性能和温度敏感性。

多聚磷酸；改性沥青；改性机理；沥青混合料性能

沥青改性的方法主要包括物理共混改性（聚合物改性）和化学改性（酸改性）两种。酸改性在美国已经有近30年的应用历史。多聚磷酸（PPA）是一种无色透明粘稠状液体[1]，因其与沥青共混会形成稳定的化学键，提高界面的相容性和改性效果，近年来受到诸多研究人员的关注。本文旨在介绍多聚磷酸改性沥青的机理及多聚磷酸对沥青及沥青混合料性能的影响。

1 多聚磷酸的改性机理

1.1 对沥青化学组分的影响

当采用多聚磷酸改性沥青时，多聚磷酸会与沥青发生以中和反应和酯化反应为主的化学反应，导致多聚磷酸酸度降低，还会在沥青质的极性介质中生成不溶性化合物[1,2]。在以上两种反应过程中，多聚磷酸与沥青分子中的活性位（羟基、亚胺基、硫基）发生反应（图1），使得最初层叠在一起的沥青质团簇被打破。

沥青质含量是对沥青黏附性产生直接影响的主要因素，添加多聚磷酸能使沥青中沥青质含量增加，增加量为 35%～55%，并能够降低沥青质的凝集程度，增强沥青质在沥青软组分中的分散度[3]。Orange采用凝胶渗透色谱法，分析研究了沥青质的胶体结构和胶体间的相互作用。

图2 表示添加2%的多聚磷酸后，沥青质的分散过程。研究表明，分散的沥青质之间可以形成稳定的空间网络，从而使沥青的复合模量提高，弹性行为得到改善。另外，沥青质的粒径随分散度的提高显著减小，从而降低了沥青的裂纹敏感性和临界缺陷[3,4]。

1.2 对沥青结构的影响

Baumgardner采用原子力显微镜对多聚磷酸改性沥青的相位图像进行分析研究，但观察到的相位图像仅反映了改性沥青表面的结构变化，不能反映其结构的根本变化。

原子力显微镜的基本结构类似于电唱机或触针的外轮廓。它由一个微小的悬臂杆组成，悬臂杆的末端装有扫描用的针形触头。为了获取图像，悬臂杆的另一端与试样表面无限接近，根据胡克定理，在杆端与试样之间施加作用力，悬臂梁会产生变形。变形可以通过经悬臂梁顶部再反射到二极管中的激光束测得。图3给出了原子力显微镜的示意图。

原子力显微镜的工作原理在于通过相位图像分析沥青质团簇和分子基团的分布情况。通常，基质沥青的相位图像单一、平坦，没有任何凸起，而改性沥青的相位图像中分散相微微凸起，沥青质团簇较高且具有良好的可见度。

2 多聚磷酸改性沥青的性能研究

2.1 温度敏感性

多聚磷酸作为一种沥青的化学改性剂在国外得到了广泛应用，与其它改性剂相比，多聚磷酸对沥青具有优良的改性效果，如提高抗水损害和抗车辙能力、改善高温性能、降低温度敏感性等[4]。另外，Orange经研究表明，将多聚磷酸与某些聚合物掺配，不仅能够达到与单独使用聚合物改性沥青同样的效果，又能用廉价的多聚磷酸改性剂代替部分昂贵的聚合物改性剂，降低改性沥青的成本。

1997年，美国SHARP计划中提出了高等级路面沥青结合料的PG分级系统，该系统是根据交通荷载与气候条件来确定沥青结合料的性能等级。如PG 60-14的含义为，前面的数字60代表高温级数，意思是结合料具有适应至少 60 ℃的物理特性，才能适应结合料所期望服务气候的路面高温；后面的数字14为低温级，意思是结合料具有适应路面温度降至至少14 ℃的物理特性[4,5]。

多聚磷酸改性沥青受温度变化的敏感性较低。分别用1%和2%的多聚磷酸改性PG 58-24沥青，沥青结合料的PG分级提高了1～2级。Martin指出，每掺加 1%的多聚磷酸，沥青结合料的高温性能会提高9 ℃低温性能大约提高1 ℃结果详见表1。

Bishara 认为当在沥青中添加胺类抗剥落剂后，多聚磷酸掺量会与沥青结合料高温性能呈现出一定的相关关系(表2)。

2.2 多聚磷酸复配聚合物改性沥青

Orange认为添加多聚磷酸会在减少聚合物用量的情况下达到与聚合物改性沥青同样的效果，即延度、抗拉强度和弹性模量均得到提高。因此，生产实践中可以通过添加聚合物改性剂来获得某一 PG分级的沥青结合料，也可以通过多聚磷酸代替部分聚合物改性剂来获得等级相同的沥青结和料。这样既可以使沥青混合料的生产工艺多样化，又可以达到降低改性沥青成本的目的。Martin 进行了聚合物改性沥青（掺加2%的SBS）和多聚磷酸复配聚合物改性沥青（0.6%PPA+1.4%SBS）的汉堡车辙试验（图），结果表明掺加多聚磷酸使车辙深度减少了75%，从而说明多聚磷酸能够很好得提高沥青混合料的抗车辙性能。

2.3 抗水损害能力

水损害指沥青路面在水或冻融循环作用下，由于汽车车轮动态荷载的作用，进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用，水分逐渐渗入到沥青与集料的界面上，使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力[6]，沥青膜从石料表面脱落，沥青混合料出现掉粒、松散，继而形成沥青路面的坑槽、挤兑变形等的损坏现象。

Orange采用多聚磷酸掺量分别为 1%、1.5%、2.0%，抗剥落剂掺量为 2%的多聚磷酸改性沥青及AC-13级配制作沥青混合料，进行冻融劈裂试验，分别研究了多聚磷酸对玄武岩、石灰岩、花岗岩沥青混合料抗水损害能力的影响，试验结果如表3所示。

通过研究表明，在经过多聚磷酸改性后，沥青混合料的抗水损害能力都得到了显著提高。而且，多聚磷酸对沥青混合料抗水损害能力的提高幅度因集料的不同存在差异，玄武岩沥青混合料的抗水损害能力强于花岗岩沥青混合料和石灰岩沥青混合料。

2.4 高温性能

Baumgardner采用多聚磷酸掺量分别为 1%、1.5、2.0%的多聚磷酸改性沥青及 AC-13级配制作沥青混合料，进行车辙试验，试验结果如表4所示.通过研究表明，掺加少量的多聚磷酸可以显著提高沥青混合料的动稳定度，从而改善沥青混合料的高温性能[6,7]。将多聚磷酸改性沥青混合料用作上面层，可以提高路面在高温时的服务能力，并有效降低路面的车辙和拥包等病害。

3 结 论

鉴于多聚磷酸改性沥青具有突出的性价比优势，国外对多聚磷酸改性沥青的使用呈现出逐年上升的趋势，而多聚磷酸改性沥青在我国还未得到广泛应用。多聚磷酸能够明显改善沥青及沥青混合料的高温性能、温度敏感性、抗车辙能力和抗水损害能力，对多聚磷酸改性沥青的研究应进一步深化，使其更好地应用于交通运输事业。

［1］ Baumgardner, GL, Masson, JF, Hardee, JR, Menapace AM, Williams AG. Polyphosphoric Acid Modified Asphalt[J]. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists ,2005, 74: 283-305.

［2］Orange, G, Martin, JV, Menapace, A, Hemsley, M & Baumgardner, GL . Rutting and Moisture Resistance of Asphalt Mixtures Containing Polymer and Polyphosphoric Acid Modified Bitumen[J]. Road Materials and Pavement Design,2004,03: 323-354.

［3］魏建明,张玉贞. 多聚磷酸对沥青表面自由能的影响[J]. 石油学报,2011,02 :33-36.

［4］毛三鹏,熊良铨. 多聚磷酸在SBS改性沥青中的应用研究[J]. 石油沥青, 2010,05:77-81.

［5］张峰,王云普. 多聚磷酸与丁苯橡胶复配改性沥青的性能[J]. 合成橡胶工业,2009,01:11-17.

［6］曹卫东,刘乐民,刘兆平,赵军. 多聚磷酸改性沥青的试验研究[J]. 中外公路, 2010,03:7.

［7］王钦胜,杨树人. PPA改性沥青性能及机理分析[J]. 石油沥青, 2011,01 :101-106.

Modification of Asphalt by Using Polyphosphoric Acid

CAO Xiao-juan
（Xi'an International University,Shaanxi Xi'an 710000，China）

Adding polyphosphoric acid (PPA) to neat bitumen is a common chemical asphalt modification method. In this paper,the modification mechanism of polyphosphoric acid for asphalt was studied. It’s found that there are two kinds of chemical reactions in the modification process, including neutralization and esterification.The addition of PPA can obtain the same good modification effect as polymer. Moreover, adding PPA can improve high temperature properties as well as temperature sensitivity of the asphalt mixture and produce better properties of rutting and moisture resistance.

Polyphosphoric acid; Modified asphalt; Modification mechanism; Asphalt mixture properties

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）05-0948-03

2014-10-17

曹晓娟(1988-), 女，陕西西安人，2014年毕业于长安大学公路学院道路与铁道工程专业，研究方向路基路面方向。E-mail：327845749@qq.com。