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多聚磷酸改性生物沥青及混合料性能研究

范文

周绍斌伍衡山刘鱼行

摘 ?????要：为分析多聚磷酸（PPA）对生物沥青性能的影响，选用2种不同的生物油（生物油Ⅰ、生物油Ⅱ），制备生物沥青Ⅰ与生物沥青Ⅱ，通过针入度、软化点和延度试验对生物油含量不同的生物沥青和多聚磷酸掺量不同的改性生物沥青进行性能分析。结果表明，不同来源的生物油对基质沥青性能的影响会产生巨大的差异。多聚磷酸的掺入可以提高生物沥青Ⅰ与生物沥青Ⅱ的针入度与软化点，但会降低生物沥青的延度。选取10%生物沥青Ⅱ+0.9%PPA制备改性生物沥青进行短期老化试验和沥青混合料试验。结果表明，改性生物沥青具有良好的抗短期老化性能、低温抗裂性能和水稳定性能，但高温性能存在一定的不足。

关 ?键 ?词：多聚磷酸; 生物油; 生物沥青; 道路工程; 路用性能

中图分类号：TE 624 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）06-1205-05

Abstract： In order to analyze the effect of polyphosphoric acid （PPA） on the performance of bioasphalt， two different bio-oils （bio-oil I and bio-oil II） were selected to prepare bio-asphalt I and bio-asphalt II.Through penetration， softening point and ductility tests， the performance of bio-asphalt with different bio-oil content and modified bio-asphalt with different polyphosphoric acid content was analyzed. The results showed that the influence of bio-oils from different sources on the performance of base asphalt was greatly different. The penetration and softening point of bio-asphalt I and bio-asphalt II were improved by adding polyphosphoric acid， but the ductility of bio-asphalt was reduced. The modified bio-asphalt was prepared by 10% bio-asphalt II + 0.9% PPA for short-term aging test and asphalt mixture test. The results showed that the modified bio-asphalt had good short-term aging resistance， low temperature cracking resistance and water stability， but there were some shortcomings in high temperature performance.

Key words： Polyphosphoric acid; Bio-oil; Biological asphalt; Road engineering; Road performance

中國正处于大规模建设时期，公路和城市道路建设与养护工程对沥青材料的需求日益增加。但是石油资源的日益短缺导致石油沥青的价格居高不下，从而增加了路面的成本。因此，寻找石油沥青的替代品已成为道路工程发展中一个亟待解决的问题。

将动物粪便、农作物秸秆、植物油废料等通过水解、酸化、分馏、氧化等加工后，在一定条件下与石油沥青混合便可得到生物沥青[1]。生物沥青具有一定的抗老化性能[2]，但由于生物油来源与生产工艺存在不同，导致不同的生物油制备的生物沥青，其性能存在差异[3，4]。

关于改性生物沥青，国内外主要进行聚合物改性研究，通过添加SBS、SBR、橡胶沥青等从而改善生物沥青的性能[5，6]，而对于多聚磷酸改性生物沥青的研究甚少。多聚磷酸改性沥青具有突出的性价比优势，可以显著改善沥青的一些相关性能，目前国内外关于多聚磷酸改性沥青的研究呈现上升的趋势[7，8]。多聚磷酸可以提高石油沥青高温性能，但对于沥青低温性能存在一定不利影响[9，10]，但国外有研究人员利用1.5%的多聚磷酸对生物沥青进行改性，发现沥青低温性能提高，高温黏度降低[11]。

由于目前国内关于多聚磷酸改性生物沥青的相关试验分析较少，因此，选取2种不同的生物油，研究分析掺量不同的多聚磷酸对于不同生物沥青的改性效果。通过国内的一些常规指标对改性沥青及混合料进行分析，研究其性能的变化规律，以期为多聚磷酸改性生物沥青的相关研究提供参考。

1 ?实验部分

1.1 ?原材料

基质沥青采用70#道路石油沥青，多聚磷酸（w（P2O5）≥85%）从罗恩试剂购买。生物油Ⅰ由山东某生物公司生产，其中生物油主要由秸秆中提取出来，经高温裂解而成，有刺激性气味，常温下为深棕色酸性黏稠状半流体，无杂质异物。生物油Ⅱ由维格生物公司生产，主要为棕榈油、玉米油、花生油加工生产过程中产生的高级脂肪酸，无刺激性气味，常温下可以流动（表1）。

1.2 ?改性生物沥青的制备

具体制备方法如下：首先分别将生物油（生物油Ⅱ常温下可流动无需加热）和70#基质沥青加热至120～130 ℃和140～150 ℃，选择一定的生物油的掺量（占石油沥青质量分数）与石油沥青共同倒入低速搅拌机，将温度控制在150～155 ℃，搅拌转速控制在（500+5）r/min，选择搅拌时间为25 min，混合搅拌得到生物沥青。

将生物沥青加热到140～150 ℃，控制低速搅拌机的温度为150～155 ℃，选择一定的多聚磷酸掺量（占生物沥青质量分数）与生物沥青一同倒入低速搅拌机中，控制搅拌速率为（500+5）r/min，选择搅拌时间为30 min，混合搅拌制备得到多聚磷酸改性生物沥青。

2 ?生物油和多聚磷酸对沥青性能的影响

按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[12]对改性沥青三大常规指标以及短期老化性能进行试验。

2.1 ?不同的生物油对基质沥青性能的影响

为研究多聚磷酸对生物沥青性能的影响，首先在基质沥青中掺入生物油Ⅰ与生物油Ⅱ制备生物沥青Ⅰ与生物沥青Ⅱ进行性能研究，分析不同种类、不同掺量的生物油对基质沥青性能的影响。通过25 ℃的针入度试验、软化点（环球法）试验和15 ℃与5 ℃下拉伸速率为5 cm·min-1/cm的延度试验，分析生物沥青的稠度、高温稳定性和低温抗裂性能，测试得到的沥青性能指标如表2与表3。

由表2可以发现，随着生物油Ⅰ掺量的增加基质沥青的针入度会逐渐减小，软化点会逐渐增大，但改变的幅度并不大，说明生物油Ⅰ可在一定程度上提高基质沥青的稠度和高温稳定性。稠度的增加可能会导致沥青变硬、变脆，对基质沥青的低温抗裂性能产生不利影响。通过15 ℃与5 ℃下的延度试验发现，基质沥青中生物油Ⅰ所占的比例增加，沥青的延度出现显著的下降，且15 ℃下沥青低温性能的下降较5 ℃下表现的更为明显。

由表3可以发现，基质沥青中生物油Ⅱ所占的比例增大，会导致沥青的针入度出现显著的提高，软化点出现一定的下降。当生物油Ⅱ的掺量为15%时，基质沥青的软化点降低了32.8%，只有32.1℃，表明较高的生物油Ⅱ掺量对基质沥青的高温稳定性能十分不利。但生物油Ⅱ可以显著提高基质沥青的延度，有利于增强沥青的低温柔性，改善基质沥青低温条件下硬脆的特性。随着生物油Ⅱ掺量的增加，基质沥青在5 ℃下延度增大的幅度高于15 ℃下，当生物油Ⅱ掺量为15%时，基质沥青在15 ℃与5 ℃下的延度提高了14.4%与178.3%，表明生物沥青Ⅱ在5 ℃下低温性能得到了显著的提升。

通过表2与表3的对比可以发现，不同的的生物油对基质沥青的影响呈现着十分大的差异。2种生物沥青的性能都存在一定的不足，且随着生物油掺量的增加，生物沥青性能的不足会表现的更为明显。因此，为提高生物沥青的性能，选择多聚磷酸对生物沥青进行改性。

2.2 ?多聚磷酸对生物沥青性能的影响

在生物沥青中掺入不同掺量的多聚磷酸，通过25 ℃的针入度试验、软化点（环球法）试验和15 ℃与5 ℃下拉伸速率为5 cm·min-1/cm的延度试验，对多聚磷酸改性生物沥青的稠度、高温稳定性和低温抗裂性能进行分析，试验结果如图1-图4。

由图1可以发现，随着多聚磷酸的掺量增加，2种生物沥青的针入度都降低，但生物沥青Ⅰ稠度增大的趋势相较于生物沥青Ⅱ更加的平缓。生物沥青Ⅱ中生物油掺量越高，会导致生物沥青自身的稠度明显的降低，因此，多聚磷酸对生物沥青Ⅱ稠度的影响更加明显。當生物油的掺量达到15%时，生物沥青Ⅱ的稠度仍然偏低，这是由于其需要更高的多聚磷酸的掺量，但考虑到高掺量的多聚磷酸对生物沥青低温性能的不利影响，因此建议生物油Ⅱ的掺量应小于15%。

由图2可以发现，多聚磷酸的掺入使得2种生物沥青的软化点都得到提高，增强了生物沥青Ⅰ的高温稳定性，改善了生物沥青Ⅱ高温稳定性不足的缺陷。从多聚磷酸改性生物沥青Ⅱ的软化点曲线可以发现，多聚磷酸的掺量在1.2%～1.5%时，生物沥青Ⅱ的高温稳定性能改善效果会减弱。当生物沥青Ⅱ中生物油掺量为15%时，多聚磷酸对生物沥青Ⅱ的高温稳定性能提升能力会降低。

由图3与图4可以发现，多聚磷酸对2种生物沥青的低温性能都不利。由于生物沥青Ⅰ自身低温性能存在不足，掺入多聚磷酸后，导致生物沥青Ⅰ延度减小，在15 ℃与5 ℃下的延度指标明显偏低，说明多聚磷酸改性生物沥青Ⅰ低温延性差。因此，认为生物沥青Ⅰ不适合用多聚磷酸进行改性。由于生物沥青Ⅱ自身的低温性能良好，因此，在多聚磷酸适当的掺量下，改性生物沥青Ⅱ可保持不错的低温抗裂性能。当多聚磷酸的掺量为0.9%～1.2%时，生物沥青Ⅱ在5 ℃下的延度下降的幅度最大，因此建议多聚磷酸的掺量不超过0.9%。参照相关规范，对于改性沥青主要依据5 ℃下的延度来判断其低温性能，因此认为9%生物沥青Ⅱ+0.9%PPA制备的改性沥青具有不错的低温抗裂能。

在多聚磷酸的掺入下，考虑生物沥青Ⅰ的低温性能存在显著的不足，综合分析改性生物沥青Ⅱ的稠度、高温稳定性和低温性能，最终选择9%生物沥青Ⅱ+0.9%PPA制备的改性沥青进行短期老化试验。

2.3 ?短期老化试验

选择9%生物沥青Ⅱ+0.9%PPA制备的改性沥青进行薄膜烘箱加热试验，通过25 ℃的针入度试验、软化点（环球法）试验和15 ℃与5 ℃下拉伸速率为5 cm·min-1/cm的延度试验，对老化前后的改性生物沥青的性能进行分析，试验结果如表4。

由表4可以发现，改性生物沥青经过短期老化后软化点增加，针入度与延度产生降低，老化前后针入度比为92.3%、软化点差为1.4、15与5 ℃下延度比为88.2%与95.9%，说明改性生物沥青具有良好的抗短期老化能力。

3 ?改性生物沥青的路用性能研究

试验的沥青胶结料为70#基质沥青和10%生物沥青Ⅱ+0.9%PPA制备得到的改性生物沥青，试验集料为石灰岩，矿粉为衡阳市鸿德建材有限公司生产的鸿德矿粉。选择AC-16型作为沥青混合料级配，根据JTF F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》[13]与JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，通过试验确定基质沥青与改性生物沥青最佳油石比分别为5%与5.2%。

3.1 ?沥青混合料路用性能试验

依据相关规范进行车辙试验、-10 ℃下低温弯曲试验和48h浸水马歇尔试验对沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性能进行分析，试验结果如表5-7。

3.2 ?沥青混合料路用性能结果与分析

由表5可以发现，改性生物沥青混合料60 min的车辙深度较基质沥青混合料有少量的增加，动稳定度较基质沥青有一定下降，并且不能满足相关规范对于改性沥青混合料动稳定度的要求，表明改性生物沥青在高温条件下的路用性能存在不足

由表6可以发现，在低温条件下，改性沥青混合料的抗弯拉强度比基质沥青混合料低，但最大的弯拉应变明显的高于基质沥青混合料。说明改性沥青混合料在低温条件下承受的荷载低于基质沥青混合料，但破坏时可承受的变形会显著高于基质沥青混合料，且满足规范对于改性沥青混合料在冬严寒區的技术要求，意味着改性沥青混合料有着出色

的低温抗裂性能。由表7可以发现，改性生物沥青48 h浸水马歇尔残留稳定度为91.3%，较石油沥青的水稳定性有一定的提高，说明其具有良好的水稳定性能。

4 ?结论

生物油的来源不同会对基质沥青的性能产生不同的影响，但目前缺乏用于沥青改性的生物油的相关技术指标，导致目前生产厂家缺少相关生物油的技术标准，不利于生物沥青的进一步发展。

生物油Ⅰ会增加基质沥青的稠度，提高沥青的高温稳定性能，但对于沥青的低温性能不利。生物油Ⅱ可以提高基质沥青的低温性能，在5 ℃下对沥青低温性能的促进作用更加明显，但会显著降低石油沥青的稠度和一定的高温性能。

多聚磷酸可以增加生物沥青Ⅰ与生物沥青Ⅱ的稠度，提高生物沥青的高温稳定性能，但对于生物沥青的低温性能会产生显著的不利影响。生物沥青Ⅰ经多聚磷酸改性后，延度指标偏低，因此不适合用多聚磷酸进行改性。10%生物沥青Ⅱ+0.9%PPA制备的改性生物沥青可保持不错的沥青性能，但沥青针入度偏大，因此更适合北方地区使用。

选取10%生物沥青Ⅱ+0.9%PPA制备改性生物沥青，研究发现，其具有良好的抗短期老化能力、水稳定性能和低温抗裂性能，但改性沥青混合料的高温性能仍存在一定的不足。

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