Chemistry and effects of polyphosphoric acid on the microstructure, molecular mass, glass transition temperatures and performance grades of asphalts

Polyphosphoric acid (PPA) is used to modify asphalt in efforts to raise pavement upper service temperatures and to reduce or eliminate rutting. Given the expanding use of PPA, its chemical reaction with asphalt and its effect on binder properties are the subject of great interest. In this perspective, the goal of this work was to acquire an effective understanding of the chemical reactions and physico-chemical effects of PPA onto asphalt so to improve binder design before production. To this end, the morphology, the molecular weight, and the glass transition temperatures of four SHRP asphalts modified with 0%, 0.5% and 1.0% PPA were measured. The results were interpreted based on known reactions of PPA with asphalt model compounds. The findings indicated that upon the reaction of asphalt with PPA, the natural segregation of maltenes and asphaltenes (steric hardening) is facilitated. The chemical basis of this phenomenon was found to reside in great part in the reaction of asphalt indole groups and the disruption of the hydrogen bond network. The effect was a drop in the glass transition temperature (Tg) of the maltenes and a rise in the Tg of the maltenes and a rise in the Tg of the asphaltenes which respectively correlated the asphaltenes, which respectively correlated to a decrease in the true low performance grade and a rise in the true high performance grade of the binders. The true high temperature performance grade correlated linearly with the temperature at which tan d =2. The end result is a much-clarified basis for the change in PG upon the PPA modification of binders and a correlation to predict this PG.On utilise l?acide polyphosphorique (APP) pour modifier l?asphalte en vue d?\ue9lever les temp\ue9ratures de service maximales des chauss\ue9es et de r\ue9duire voire d?\ue9liminer compl\ue8tement la formation d?orni\ue8res. \uc9tant donn\ue9 l?utilisation de plus en plus r\ue9pandue de l?APP, sa r\ue9action chimique avec le bitume et son incidence sur les propri\ue9t\ue9s du liant int\ue9ressent vivement les chercheurs. Dans cette perspective, l?objectif vis\ue9 par de ces travaux a \ue9t\ue9 d?acqu\ue9rir une compr\ue9hension effective des r\ue9actions chimiques et des incidences physicochimiques de l?APP sur le bitume de fa\ue7on \ue0 am\ue9liorer la conception des liants avant la production. C?est \ue0 cette fin que l?on a mesur\ue9 la morphologie, la masse mol\ue9culaire relative et les temp\ue9ratures de transition vitreuse de quatre (4) rev\ueatements bitumineux SHRP modifi\ue9s avec teneur en APP de 0 %, de 0,5 % et de 1,0 %. Les r\ue9sultats ont \ue9t\ue9 interpr\ue9t\ue9s en fonction des r\ue9actions connues de l?APP avec des compos\ue9s asphaltiques mod\ue8les. On a ainsi constat\ue9 qu?au moment de la r\ue9action du bitume avec l?APP, la s\ue9gr\ue9gation naturelle des malt\ue8nes et des asphalt\ue8nes (durcissement st\ue9rique) se trouve facilit\ue9e. On a d\ue9couvert que la base chimique de ce ph\ue9nom\ue8ne r\ue9side en grande partie dans la r\ue9action des indoles du m\ue9lange bitumineux et de la disruption du r\ue9seau de la liaison hydrog\ue8ne. L?incidence not\ue9e a \ue9t\ue9 une chute de la temp\ue9rature de transition vitreuse (Tg) des malt\ue8nes et une \ue9l\ue9vation de la Tg des asphalt\ue8nes qui, respectivement, avaient pour corr\ue9lats une diminution du grade de performance v\ue9ritable aux temp\ue9ratures basses et une augmentation du grade de performance v\ue9ritable aux temp\ue9ratures \ue9lev\ue9es des liants. Le grade de performance v\ue9ritable aux temp\ue9ratures \ue9lev\ue9es pr\ue9sentait une corr\ue9lation lin\ue9aire avec la temp\ue9rature \ue0 laquelle l?indice d?acidit\ue9 d = 2. Le r\ue9sultat en bout de ligne est une base beaucoup plus claire pour le changement du grade de performance avec la modification des liants \ue0 l?APP et une corr\ue9lation permettant de pr\ue9dire ce grade.Peer reviewed: YesNRC publication: Ye