聚磷酸和增塑剂改性沥青：流变特性及改性机制外文翻译资料

英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

聚磷酸和增塑剂改性沥青：流变特性及改性机制

摘 要

增塑剂已被证明可有效改善沥青的低温柔韧性; 然而，增塑剂改性沥青表现出高温稳定性下降。在这方面，聚磷酸(PPA)可能具有一些优势。本研究旨在研究增塑剂和PPA(增塑剂/PPA)改性沥青的常规性能、流变行为、蓄热稳定性和微观结构。实验设计包括两种增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯(DOP)和偏苯三酸三辛酯(TOTM))和四种PPA含量(0.5%，1，1.5和2wt%)。通过旋转粘度计，动态剪切流变仪，弯曲光束流变仪，蓄热和傅里叶变换红外(FTIR)光谱测试来检测制备的增塑剂/ PPA改性沥青。结果表明，添加PPA可有效提高增塑剂改性沥青的高温变形性和弹性恢复能力，改善程度与PPA含量呈正相关。PPA还对增塑剂改性沥青的低温性能有有益的影响，但随着PPA含量的增加效果而减弱。此外，方差分析-Tukey的HSD分析的结果表明，DOP/PPA和TOTM/PPA改性沥青在高温和低温性能方面存在显著差异。蓄热试验的结果表明，增塑剂/PPA改性沥青具有优异的贮存能力。FTIR结果表明，增塑剂与基质沥青物理混合，而PPA与增塑剂改性沥青之间存在化学反应。总的来说，增塑剂/PPA改性沥青的制备工艺简单，综合性能良好，说明增塑剂与PPA改性相结合是一种具有较强性能的技术。

关键词 增塑剂；邻苯二甲酸二辛酯(DOP)；偏苯三酸三辛酯(TOTM)；聚磷酸(PPA)；改性沥青

1. 引言

沥青路面因其低噪音、舒适的驾驶和短的维护周期，而成为世界上最常用的路面结构。沥青是一种粘弹性材料，其流变行为易受到温度的影响。为了适应不断增长的交通量和恶劣的气候条件，道路性能需要被提高。沥青改性是提高沥青性能的常用技术。为此目的使用了许多改性剂，其中最常用的是聚合物改性剂。聚合物改性剂可分为弹性体、塑料和活性聚合物。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)是一种弹性体改性剂，SBS改性沥青因其良好的综合性能而被广泛用于沥青路面。但是，由于SBS和沥青的相容性较差，其网状结构容易受到高温、氧化和紫外线的影响，最终使SBS改性沥青变质。聚乙烯和聚氯乙烯作为塑性改性剂被广泛应用，其主要应用问题与SBS类似。活性聚合物可以与沥青反应，具有良好的相容性；然而，这些改性剂由于其成本高而并不突出。此外，考虑到聚合物改性沥青存在相容性问题，其制备过程中可能会产生缺陷。为了实现聚合物改性沥青的均匀性，制备工艺一般为在高温和高剪切速度下进行，这个过程中会消耗大量的时间和资源。因此，聚合物改性沥青比基质沥青要贵得多。所以寻找一种新的具有成本效益的沥青改性方法是研究和工程中需要解决的困难之一。在这方面，使用少量廉价的增塑剂可以提供一些思路。增塑剂是一种高分子材料助剂，具有成本低、相容性好的特点。近年来，已经有不少关于使用不同增塑剂作为沥青改性剂的研究。Ji等发现，3%的马来酸二辛酯(DOM)可以提高液化煤渣改性沥青的低温抗裂性能。Samsonov等人在比较各种增塑剂改性沥青的性能之后，发现并非所有增塑剂都能有效提高沥青的柔韧性。

Ma等人比较了4种增塑剂改性沥青的压缩性能，根据实验结果，推荐使用DOM作为增塑剂改性剂。一般来说，添加适当的增塑剂可以提升沥青的低温性能，并且不同种类的增塑剂对沥青的改性效果不同。此外，增塑剂改性沥青的稳定性很好，而且其制备过程也比聚合物改性沥青简单。然而，增塑剂改性沥青在高温下的抗变形能力低于聚合物改性沥青，这导致前者的应用范围比较窄。此外，在复合改性方面，经常在生物粘合剂中添加增塑剂，以提高老化沥青的再生效果。目前，增塑剂与其他改性剂组合的研究仍处于初期阶段。

聚磷酸(PPA)是由磷酸和五氧化二磷反应形成的无机酸。它被用作沥青改性剂已经超过30年。PPA因其对沥青有良好的改性效果和相对较低的成本而引起了人们的极大关注。随着PPA的加入，可以有效地提高沥青的高温性能。Li等人证明了用1%PPA替代4%SBS可以提高沥青的高温性能。此外，PPA与沥青具有良好的相容性。然而，关于PPA对沥青的低温性能的改善效果尚无统一的结论，一些研究指出，这取决于沥青的来源和温度。由于PPA的低成本和良好的相容性特性，它经常与聚合物结合，以降低成本，提高聚合物改性沥青的存储稳定性。从上述文献综述中可以注意到以下几点：(i)关于高温下增塑剂改性沥青性能改善的研究有限。(ii)到目前为止，对增塑剂和PPA(增塑剂/PPA)改性沥青知之甚少。这些缺陷限制了其在实践中的有效和灵活的应用。此外，已知增塑剂有利于沥青的低温柔韧性，而PPA有助于抗高温变形性。然而，增塑剂对沥青的高温性能有害，PPA对沥青低温性能的影响存在争议。此外，与聚合物改性剂不同，PPA和增塑剂都具有成本低、与沥青相容性好的优点，增塑剂与PPA结合的使用可能提供一种新的具有成本效益的沥青改性方法。因此，有必要详细研究增塑剂和PPA化合物改性对沥青流变性能的影响。因此，本研究的目的是研究增塑剂/PPA改性沥青的流变学性能、储存稳定性和微观结构。为此，采用不同含量的PPA对两种增塑剂改性沥青进行了改性。邻苯二甲酸二辛酯(DOP)是两种增塑剂之一，也是工业种最常用的耐寒增塑剂之一。另一种增塑剂是偏苯三酸三辛酯(TOTM)，TOTM是一种环保型耐高温增塑剂。随后，通过旋转粘度、动态剪切流变仪(DSR)、弯曲光束流变仪(BBR)、存储稳定性和傅里叶变换红外(FTIR)光谱测试，对这些增塑剂/PPA改性沥青进行了检测。

2. 材料和方法

2.1. 材料

本研究使用了从韩国购买的针入度等级为60/80的基质沥青。基质沥青的基本性能列于表1。PPA由山东省一家化工厂提供，其化学性质列于表2。DOP和TOTM由山东兰帆化工有限公司提供，其物理性质列于表3。

2.2. 样品制备

用于制备改性沥青的机器是高速剪切混合器和数字恒温加热板。现有研究表明，增塑剂含量为3.0 wt%的增塑剂改性沥青具有优异的耐低温开裂性。塑剂含量选择为3wt%（按基质沥青重量计），PPA含量选择为0%、0.5%、1%、1.5%和2wt%。首先，将基质沥青在烘箱中加热至135℃，然后在600rpm的剪切速率下与3wt%增塑剂(DOP或TOTM)混合10min。在此之后，所有增塑剂改性沥青与五种剂量的PPA中的每一种混合，将每种混合物加热至150℃，并以3000rpm的速度剪切30min。值得注意的是，本研究中提到的增塑剂和PPA(增塑剂/PPA)改性沥青是指含3wt%增塑剂和PPA改性剂的改性沥青(PPA含量如表4所示)。不同的改性沥青如表4所示。

3. 实验方法

3.1. 旋转粘度

根据ASTM-4402方法，用旋转粘度计测试不同沥青在135℃，145℃、155℃、165℃和175℃下的旋转粘度，在每个温度下重复实验三次。

3.2. DSR测试

根据ASTM-D7175方法，在10rad/s下进行温度扫描，得到46℃至76℃（间隔6℃）的一系列沥青的复模量和车辙系数。频率扫描参考王和贾的研究，本研究对未老化沥青进行了MSCR测试。采用MSCR方法研究了沥青在以下范围内的蠕变恢复性能：58-76℃（间隔6℃）,符合ASTM-D7405标准。所有样品首先在0.1kPa下经历了10个蠕变和恢复循环，随后在下一个3.2kPa的应力水平下经历了10个循环。对于每个周期，蠕变为1s，恢复为9s。为保证准确性，上述实验共进行了3次。

3.3. BBR测试

根据ASTM-D6648方法，在滚动薄膜烤箱试验(RTFO)老化后，使用压力老化容器(PAV)对沥青进行老化。BBR测试在-12℃、-18℃和-24℃下进行。根据蠕变刚度(S)、m值(m)和(m/S)值对不同老化沥青的低温性能进行了评价。为保证准确性，上述实验共进行了3次。

3.4. 储存稳定性试验

根据JTJ052-2000规范，进行蓄热试验，评估增塑剂/PPA改性沥青的储存稳定性。将11根含有不同改性沥青（每个50g）的铝管垂直放置在163℃的烤箱中。48h后，将管子置于冰箱中储存4h。随后，将这些管子均匀地分成三个部分，并测试了顶部和尾部的软化点。

3.5. PAV测试

本研究中使用的老化沥青是通过实验室老化获得的。将重量为35g的不同沥青在RTFO中加热85min。将所得的短期老化沥青置于PAV的老化板中,并在100℃和2.1MPa下老化24h，以模拟使用寿命为5-10年的沥青粘合剂。

3.6. FTIR测试

FTIR测试是在配备反射式金刚石衰减全反射的美国瓦里安600-IR光谱仪上进行的。波数范围从400cm^-1到4000cm^-1。为保证试样的均匀性，每种改性沥青都已在样品制备前充分搅拌，每个样品测量三次并取平均值。

4. 结果和讨论

4.1. 旋转粘度

图2绘制了不同沥青在不同温度下的旋转粘度。随着温度的升高，个样品的粘度均呈下降趋势。这可能是由于温度急剧升高加速了沥青分子的运动，使其更容易流动。在任何温度下，都可以观察到沥青的粘度随着DOP或TOTM增塑剂的加入而降低。结果表明，DOP或TOTM增塑剂对基质沥青在高温下的抗变形性有不利影响，这与以往的研究一致。加入PPA后，两种增塑剂改性沥青的粘度得到了不同程度的提高，且提高程度与PPA的含量呈正相关。当PPA含量超过1wt%时，增塑剂/PPA改性沥青的粘度显著增加。以上结果表明，PPA能有效提高增塑剂改性沥青在高温下的刚度，此外，为保证沥青的施工和可加工性，在135℃时应满足粘度小于3Pasdot;s的要求，值得注意的是，所有的改性沥青都满足这一要求。

4.2. 温度扫描试验结果的分析

4.2.1. 复模量(G*)和存储模量(Grsquo;)

图3显示了58-76℃内所有沥青的G*和Grsquo;。与预期的一样，增塑剂改性沥青的G*值低于未改性沥青。在58℃条件下，DOP和TOTM的加入使基质沥青的G*值分别降低了47.4%和46.2%。当温度达到76℃时，3D0P和3T0P的G*值接近于零，这说明它们几乎失去了弹性恢复的能力，呈现出黏性流动状态。这种现象可归因于DOP和TOTM是有机酯类化合物，它们在分子中具有极性基团(酯基团)。极性基团可以与沥青中的强极性大分子相互作用，削弱了大分子之间的相互作用力，增加了大分子链的运动速度。请注意，在相同的温度下，3T0P的G*值略高于3D0P。这一结果可以解释为TOTM比DOP多一个辛基酯基团，因此前者在沥青大分子链中的迁移速率低于DOP。此外，TOTM与沥青的相互作用强于DOP，这使得TOTM改性沥青具有更好的热稳定性。随着PPA的加入，增塑剂/PPA改性沥青的G*值随着PPA含量的增加而增大。在58℃时，加入2wt%PPA可使3D0P和3T0P的G*值分别增加405%和536%。显然，无论温度如何，当PPA含量为2wt%时，DOP/PPA和TOTM/PPA改性沥青的Grsquo; 值分别达到最大值。此外，PPA还可以减缓G*值随着温度的升高而出现的下降趋势。PPA作为一种质子酸，可以与沥青发生一系列的化学反应，促进树脂转化为沥青质，提高大分子的含量。因此，沥青从溶胶-溶液-凝胶结构转变为具有较高分子含量和相互作用强的结构，从而提高了其高温性能。

如图3(b)所示，在加入DOP和TOTM后，在58℃下，基质沥青的Grsquo;值分别降低了67.92%和和62.26%。结果表明，该增塑剂可以降低沥青中的弹性成分，导致增塑剂改性沥青的高温粘弹性性能较差。然而，随着PPA含量的增加，Grsquo;值越大，说明PPA的加入提高了增塑剂改性沥青的高温性能。这可能是因为PPA通过与沥青中的某些官能团反应，促进树脂转化为沥青质，增强了沥青分子之间的相互作用。此外，当PPA含量超过1wt%时，增塑剂改性沥青的Grsquo;值显著提高。此外，在58℃下，3D2.0P的Grsquo;值比3DOP增加了82.81%，而3T2.0P的Grsquo;值比3T0P增加了101.24%。这说明在相同的含量下，PPA提高3T0P的Grsquo;值高于3D0P。这可能是由于3T0P和3D0P的组成不同所致。如第4.2.1节所述，TOTM与DOP具有更大的分子量和更强的沥青相互作用力，这也与此结果有关。一般来说，PPA对增塑剂改性沥青的影响取决于其用量和组成。

4.2.2. 车辙阻力系数

所有沥青的车辙系数(G*/sindelta;)如图4所示。通常，G*/sindelta;反映了沥青的车辙敏感性，而较高的车辙系数意味着沥青的车辙敏感性较低。资料编号：[589820]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word