化工材料方向評(píng)職范文多聚磷酸改性瀝青研究

　　摘要：將實(shí)驗(yàn)室自制的多聚磷酸加入基質(zhì)瀝青中制備多聚磷酸改性瀝青，研究其路用性能。最終確定多聚磷酸摻量為2.5%時(shí)，PPA能有效降低瀝青的溫度敏感性，提高瀝青的高溫穩(wěn)定性，并且由此得到的改性瀝青具有較好的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性。少摻量(低于2.0 %)的多聚磷酸對(duì)瀝青低溫性能基本不產(chǎn)生影響，但摻量達(dá)2.5%時(shí)，PPA使瀝青在低溫下變脆。

　　關(guān)鍵詞：多聚磷酸,瀝青,性能,摻量

　　0 引言

　　在道路路面的發(fā)展歷程中，聚合物類改性瀝青一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，如熱塑性橡膠類SBS、熱塑性樹(shù)脂類PE、熱塑性樹(shù)脂類PE和EVA等改性瀝青，而這些常用的改性瀝青的改性劑多屬于石油化工產(chǎn)品。隨著石油資源的緊缺，聚合物類改性瀝青的價(jià)格也在上漲，使得道路路面的造價(jià)不斷增加。因此，尋找一種價(jià)格相對(duì)低廉、改性效果較好、符合可持續(xù)發(fā)展觀的新型改性劑是目前改性瀝青的研究方向之一。在眾多研究中，酸性改性劑價(jià)格相對(duì)較低，加工工藝簡(jiǎn)單，加入瀝青后其改性性能比較明顯，有著較好的應(yīng)用前景，為此被研究者所看重。

　　多聚磷酸(簡(jiǎn)稱PPA)作為酸性改性劑的一種，在國(guó)外已經(jīng)有一定的研究歷史，但國(guó)內(nèi)對(duì)其研究還不夠。本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，分析研究多聚磷酸作為瀝青改性劑對(duì)路用性能的影響。同時(shí)，對(duì)多聚磷酸的實(shí)驗(yàn)室制作，多聚磷酸對(duì)比瀝青的摻量對(duì)瀝青改性性能的影響做一定介紹和研究，為今后多聚磷酸改性瀝青在工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

　　1 多聚磷酸改性瀝青的實(shí)驗(yàn)室制備

　　1.1 多聚磷酸簡(jiǎn)介

　　多聚磷酸是一種正磷酸(H3PO4)和聚磷酸(三聚磷酸H5P3O10 及四聚磷酸H6P4O13)的混合液，分子結(jié)構(gòu)以線型開(kāi)鏈配置作為基礎(chǔ)，因此也可稱其為線型縮合磷酸，化學(xué)通式可表示

　　為Hn+2PnO3n+1 。分子結(jié)構(gòu)式如圖1.1所示：

　　從物理狀態(tài)來(lái)看，多聚磷酸是一種無(wú)色透明的粘稠狀液體，有腐蝕性，受潮易解，不結(jié)晶，在水中能全部水解為正磷酸。熔點(diǎn)為48—50℃，沸點(diǎn)高達(dá)856℃，密度2100 kg/m3，相對(duì)分子質(zhì)量337.93，代表式H6P4O13 。工業(yè)中一般當(dāng)P2O5的含量達(dá)76%以上時(shí)，該磷酸即可稱為多聚磷酸。

　　1.2 多聚磷酸改性瀝青的制備

　　現(xiàn)階段的研究中，多聚磷酸的合成方法主要是在加熱的條件下將五氧化二磷加入到正磷酸中，通過(guò)聚合反應(yīng)得到多聚磷酸。其反應(yīng)式為：

　　2H3PO4+P2O5→H6P4O13

　　在制備過(guò)程中，選用的正磷酸與五氧化二磷的性能、反應(yīng)時(shí)的溫度、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短均將影響多聚磷酸的性能。本文經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，并結(jié)合前面研究者的研究成果，最終選用的較佳制備方式為：首先將磷酸置于容器中，將五氧化二磷分幾次均勻緩慢地加入，正磷酸與五氧化二磷的比例為2:1 。加入P2O5 的過(guò)程中，為防止溶液溫度過(guò)高以及避免P2O5呈絮狀出現(xiàn)，因此在邊加入P2O5 需邊搖動(dòng)容器。第二步，將容器放入微波設(shè)備箱中加熱反應(yīng)20min，微波溫度控制在110℃左右，同時(shí)運(yùn)用磁力攪拌子對(duì)溶液進(jìn)行攪拌，攪拌速率設(shè)置為300rpm。第三步，待反應(yīng)完成，加入少量的過(guò)氧化氫(與五氧化二磷的比例約為1%)，即可得到多聚磷酸溶液。

　　將國(guó)產(chǎn)70#重交通瀝青加熱融化，待瀝青溫度達(dá)160℃左右時(shí)，開(kāi)動(dòng)剪切機(jī)進(jìn)行剪切，同時(shí)將制備好的多聚磷酸改性劑均勻緩慢地加到基質(zhì)瀝青中，剪切速率為3000rpm，剪切時(shí)間為20min，以此制得的即為多聚磷酸改性瀝青。

　　2 多聚磷酸改性瀝青路用性能

　　2.1 感溫性分析

　　將制得的多聚磷酸按不同摻量(相對(duì)基質(zhì)瀝青的量)加入到基

　　質(zhì)瀝青中配制多聚磷酸改性瀝青，即得到多聚磷酸摻量為0%、1.0% 、1.5%、2.0%、2.5%五個(gè)試驗(yàn)樣品。再測(cè)得各樣品15℃、25℃、30℃下的針入度值，并根據(jù)回歸系數(shù)A和K計(jì)算出感溫性能指標(biāo)PI值，如表1所示。

　　據(jù)表1數(shù)據(jù)可見(jiàn)，加入多聚磷酸后，改性瀝青針入度值變小，針入度指數(shù)變大，說(shuō)明加有多聚磷酸的改性瀝青感溫性能較基質(zhì)瀝青有所改善。隨著多聚磷酸摻量的增加，針入度值呈下降趨勢(shì)，針入度指數(shù)呈上升趨勢(shì)，當(dāng)多聚磷酸摻量達(dá)2.5%時(shí)，針入度指數(shù)相對(duì)基質(zhì)瀝青增大了0.44。這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，隨多聚磷酸摻量的增加，改性瀝青溫度敏感性越低，性能越穩(wěn)定。

　　2.2 低溫性能分析

　　(1)5℃延度

　　在現(xiàn)階段的研究中，一般認(rèn)為瀝青的開(kāi)裂與其低溫延度有關(guān)系。而我國(guó)所產(chǎn)瀝青的含蠟量偏高，延度指標(biāo)容易受所含蠟組分的影響，所以采用較低的試驗(yàn)溫度才能減小蠟對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。本文采用5℃延度(cm,5cm/min)測(cè)試多聚磷酸改性瀝青的低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，隨多聚磷酸摻量的增加，5℃延度指標(biāo)并未發(fā)生多大變化。當(dāng)試件在5℃的低溫下，延度較低，伸長(zhǎng)值均在6.5左右即斷裂，相對(duì)如此短的伸長(zhǎng)值，此時(shí)試驗(yàn)誤差的影響就變大了。由此可認(rèn)為，在 5℃低溫延度指標(biāo)下，多聚磷酸改性瀝青與基質(zhì)瀝青的低溫抗裂性能基本保持一致。

　　(2)彎曲蠕變?cè)囼?yàn)

　　低溫延度指標(biāo)僅能相對(duì)反映瀝青在試驗(yàn)中某一溫度下的柔性，而難以反映現(xiàn)實(shí)中路面在低溫下的低溫性能。為此，本文對(duì)多聚磷酸改性瀝青進(jìn)行低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)，以真實(shí)有效的反映其低溫性能。試驗(yàn)采用美國(guó)CANNON公司生產(chǎn)的低溫彎曲梁流變儀進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

　　由表3數(shù)據(jù)可知，當(dāng)加入多聚磷酸改性劑時(shí)，改性瀝青勁度模量呈上升趨勢(shì);當(dāng)摻量小于2.0%時(shí)，勁度模量雖變大，但增幅并不大，說(shuō)明該摻量?jī)?nèi)多聚磷酸對(duì)瀝青的低溫性能并無(wú)顯著影響。而當(dāng)摻量達(dá)2.5%及以上時(shí)，勁度模量值增加幅度較大，說(shuō)明此時(shí)多聚磷酸對(duì)瀝青的低溫性能有較為顯著的影響。表中m值一直呈下降趨勢(shì)，表面隨多聚磷酸的加入，改性瀝青的松弛能力有所下降。當(dāng)摻量達(dá)2.5%時(shí)，m值為0.324，大于SHRP瀝青結(jié)合料性能規(guī)范要求的0.3，滿足規(guī)范要求。

　　2.3 高溫性能分析

　　(1)軟化點(diǎn)TR&B與當(dāng)量軟化點(diǎn)T800

　　由于軟化點(diǎn)反映瀝青的溫度敏感度，一般認(rèn)為軟化點(diǎn)越高，其溫度穩(wěn)定性越好，即高溫穩(wěn)定性越好。但是我國(guó)長(zhǎng)期的實(shí)踐證明，以軟化點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的高溫穩(wěn)定性是不夠全面的，并非所有瀝青都是軟化點(diǎn)高，其高溫穩(wěn)定性就好。主要原因是由于我國(guó)大部分瀝青含蠟量高，屬于多蠟瀝青，瀝青中的蠟含量影響了軟化點(diǎn)的測(cè)定。為了更全面的研究多聚磷酸改性瀝青的高溫性能，本文測(cè)試軟化點(diǎn)的同時(shí)，也采用當(dāng)量軟化點(diǎn)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

　　根據(jù)表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，加入磷酸之后，改性瀝青的軟化點(diǎn)與當(dāng)量軟化點(diǎn)均較基質(zhì)瀝青高，同時(shí)隨著多聚磷酸摻量的增加，軟化點(diǎn)與當(dāng)量軟化點(diǎn)指標(biāo)也呈升高趨勢(shì)。這說(shuō)明，多聚磷酸與基質(zhì)瀝青混溶反應(yīng)后能提高瀝青的高溫性能。并且在一定程度摻量?jī)?nèi)(2.5%以內(nèi))，多聚磷酸改性瀝青高溫性能隨磷酸摻量的增加而上升。

　　(2)60℃與135℃粘度

　　我國(guó)夏季路面溫度高達(dá)50—70℃，60℃粘度可以較為真實(shí)地反映路面的實(shí)際使用狀況，粘度大的瀝青在荷載作用下產(chǎn)生的剪切變形較小，彈性恢復(fù)性能更好，殘留的永久變形也就更小。而為了控制改性瀝青的施工性能，SHRP瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中要求改性瀝青的135℃粘度不能超過(guò)3Pa·s。本文60℃與135℃粘度指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

　　試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)多聚磷酸摻量從0%增加到2.5%，60℃粘度由320Pa·s增加到915Pa·s，同時(shí)135℃粘度由466mPa·s增加到743mPa·s。可見(jiàn)，多聚磷酸能提高瀝青的高溫穩(wěn)定性能，并且也滿足SHRP瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中規(guī)定改性瀝青的135℃粘度不能超過(guò)3Pa•s的要求。

　　3.1 儲(chǔ)存穩(wěn)定性分析

　　聚合物類改性瀝青經(jīng)熱儲(chǔ)存一段時(shí)間后，改性劑與瀝青之間容易發(fā)生離析，影響瀝青的使用性能。本文采用與聚合物類改性瀝青離析實(shí)驗(yàn)相同的方式，將多聚磷酸摻量為1.5%和2.5%的改性瀝青分別裝入容器，將容器試樣放入溫度為163℃±5℃的烘箱中，不受任何擾動(dòng)的情況下靜放48 h±1h。熱存放結(jié)束后，將試樣取出放到冷柜中，保持試樣原有狀態(tài)，不少于4h，待瀝青試樣全部固化后取出。用剪刀將試樣剪成上中下相等的三截，將剪得的頂部與底部試樣融化，并測(cè)試其軟化點(diǎn)，如表6所示。

　　根據(jù)離析試驗(yàn)軟化點(diǎn)數(shù)據(jù)可知，多聚磷酸改性瀝青經(jīng)熱儲(chǔ)存之后，試樣上下層軟化點(diǎn)相差不大，可認(rèn)定為多聚磷酸改性瀝青具有較為良好的熱存儲(chǔ)穩(wěn)定性。

　　4 結(jié)論

　　1)當(dāng)多聚磷酸摻量在2.5%范圍內(nèi)時(shí)，多聚磷酸能有效地降低改性瀝青的溫度敏感性，能提高改性瀝青的高溫穩(wěn)定性能，同時(shí)由其制得的改性瀝青還有較好的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性;并且隨摻量的增加，改性瀝青的溫度敏感性和高溫穩(wěn)定性均有提升趨勢(shì)，在摻量為2.5%時(shí)達(dá)最佳點(diǎn)。

　　2)由多聚磷酸制得的改性瀝青，當(dāng)PPA摻量低于2.0%時(shí)，其低溫性能較普通瀝青并無(wú)顯著變化;當(dāng)PPA摻量達(dá)2.5%及以上時(shí)，多聚磷酸對(duì)瀝青的低溫性能有較為顯著的影響，有使瀝青在低溫下變脆的趨勢(shì)。

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