再生SBS改性瀝青老化性能的研究

馬曉明，廖克儉，王洪國，劉 銳

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

1992年改性瀝青技術在首都機場高速公路的應用，至1997年長安街改造中的使用，標志著我國高速公路建設中改性瀝青大規模應用的開始。截止2005年，我國道路建設中改性瀝青占道路瀝青的應用比例已經超過10%，高于世界平均使用量7.5%的比例。交通量的增長造成了瀝青路面的車轍、表面松散及裂縫等損壞，按照瀝青路面使用壽命10～15年計算，我國早期鋪筑的改性瀝青路面已經逐步進入大范圍維修階段，廢舊瀝青混合料的隨意丟棄既浪費資源又污染環境，因此對于改性瀝青再生技術的研究具有顯著的經濟效益和環境效益[1-3]。

瀝青路面在使用過程中由于受到氧氣、水分、紫外線和溫度等環境因素的影響，致使瀝青內部結構組成發生變化，導致瀝青老化，進而劣化道路瀝青的路用性能。所以，瀝青老化是影響道路瀝青使用性能的重要因素。瀝青的老化是一個漸進的過程，老化速率的快慢直接影響路面的使用年限，因此研究瀝青的抗老性能，對于提高路面質量具有重要意義[4-8]。

本工作通過薄膜烘箱老化實驗，考察不同老化溫度及老化時間條件下，再生SBS改性瀝青基本理化性能的變化規律。通過以軟化點建立的動力學模型，評價再生SBS改性瀝青的抗老化性能。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及儀器

1.1.1 實驗原料

LKJ-I再生劑：自制；廢舊SBS改性瀝青：沈陽高速公路SMA-16廢舊SBS改性瀝青混合料中回收所得；補充新瀝青：遼河油田SBS（I-C）改性瀝青；兩種瀝青的理化性質見表1。

表1 廢舊瀝青與補充新瀝青的理化性質Table 1 Physical and chemical properties for waste asphalt and added asphalt

1.1.2 實驗儀器

針入度測定儀：無錫市石油儀器設備廠；SYD瀝青軟化點測定儀：上海昌吉地質儀器有限公司；延度儀：無錫市石油儀器設備廠；82型瀝青薄膜烘箱：江蘇省無錫市石油儀器設備廠；SD-0625型瀝青布氏旋轉粘度計：上海地學儀器研究所。

1.2 再生SBS改性瀝青的制備

調和法：廢舊SBS改性瀝青混合料中回收的廢舊改性瀝青的回收率為3.74%（占廢舊混合料的質量比）,考慮到瀝青混合料實際應用中，瀝青占混合料質量比為5%，調和過程中補充質量比為1.26%的新瀝青。在100 ℃條件下，按照再生劑：（廢舊瀝青+補充新瀝青）=1︰9（質量比）的比例，依次加入廢舊瀝青、新瀝青和 LKJ-I再生劑，攪拌至三者混合均勻。制得的再生瀝青符合JTG F 40-2004 I-B標準。

1.3 實驗方法

薄膜烘箱實驗：分別于5個圓柱形不銹鋼托盤（Φ=140 mm, h=9.5 mm）中稱量(50±1) g再生改性瀝青試樣，將稱量好的試樣放入旋轉薄膜烘箱中，調節旋轉速率為5.5 r/min。分別在150 ℃、163 ℃和180 ℃三個溫度條件下，進行老化實驗。測定不同溫度條件下老化時間為5、10、15、20、30 h時再生瀝青的針入度、軟化點、延度和表觀粘度。

2 結果與討論

2.1 老化后再生SBS改性瀝青性能

考察了再生SBS改性瀝青在不同老化時間和老化溫度條件下，針入度、延度、軟化點和表觀粘度的性能變化。其結果見圖1，圖2，圖3，圖4。由圖1和圖2看出，隨老化時間的延長，3個溫度下的針入度和延展度都呈指數形式下降。0～15 h之間針入度、延展度隨老化時間的延長下降幅度很大，15 h后變化較平穩，30 h時3個溫度下的針入度值相差很小。說明：老化初期，再生瀝青中輕組分含量較多，揮發速率較快；老化后期，受氧化、縮合等反應的影響，輕組分逐步向瀝青質轉化，輕組分相對含量減少，瀝青質相對含量增多，瀝青硬度增加、韌性降低，再生改性瀝青逐步進入老化狀態。

由圖3和圖4可以看出，隨老化時間的延長，不同溫度下的軟化點近似呈線性升高，表觀粘度值也逐漸增大。說明：老化時間越長，瀝青粘度越差，老化程度增大。由不同老化溫度下的變化趨勢，說明：溫度越高，瀝青老化速率越快。

老化初期針入度、延展度呈陡降變化，老化后期趨于平緩；軟化點、表觀粘度在整個老化過程中以相對穩定的速率變化。由此可知：控制老化初期再生瀝青的針入度、延展度等基本理化性能變化速率，延緩輕組分向瀝青質的生成速率，提高老化后期針入度、延展度等性能，將有利于SBS改性瀝青抗老化性能的提高。

圖1 針入度與老化時間的關系Fig.1 Relationship between penetration and aging time

圖2 延度與老化時間的關系Fig.2 Relationship between ductility and aging time

圖3 軟化點與老化時間的關系Fig.3 Relationship between soften point and aging time

圖4 表觀粘度與老化時間的關系Fig.4 Relationship between viscosity and aging time

3 以軟化點為參數建立的老化動力學模型

由反應動力學理論，假設瀝青老化過程為一級不可逆反應，以軟化點的變化進行進一步探索，建立一級反應方程：

其中：c —再生瀝青中生成瀝青質的反應物濃度，mol;

t —老化時間，h;

k —總反應速率常數，h-1。

再根據 Lockwood[9]觀點，確定反應物濃度與瀝青軟化點成反比，即：c=a/ S0,將此式代入（1）式，兩邊同時積分得軟化點與老化時間的關系式：

其中：t —老化時間，h；

S0—瀝青的初始軟化點，℃；

S —瀝青在一定老化溫度下經過老化時間t時的軟化點，℃；

k —老化速率常數。

ln（S /S0）與老化時間t 的線性回歸曲線見圖5。線性回歸曲線所得不同老化溫度條件下的老化速率常數見表2。

圖5 ln (S／S0)與t的關系Fig.5 The relation between ln (S／S0) and aging time

由圖2及表2中老化速率常數值可以看出，老化時間與再生瀝青軟化點升高幅度的對數呈線性關系，老化溫度越高，老化速率越快，即隨著老化溫度的升高，再生瀝青的抗老化性能越差。

表2 不同溫度條件下再生瀝青的老化速率常數Table 2 The reaction rate constant k of modified asphalt under different aging temperature

根據Arrhrenius方程：

由方程（3）作得-lnK與1/T的關系曲線見圖6。

圖6 -lnK與1／T的關系Fig.6 The relation between -lnK and 1／T

由圖6經線性回歸求得再生SBS改性瀝青的回歸方程為：

對比方程（3）和方程（4），求得再生 SBS改性瀝青的活化能Ea與指前因子A。再生SBS改性瀝青的老化動力學參數見表3。

表3 再生SBS改性瀝青老化動力學參數Table 3 The aging kinetic parameters about modified asphalt regeneration

聯立方程（1）、（2）、（3），導出再生 SBS 改性瀝青老化動力學方程為：

將不同老化時間及老化溫度代入方程（5），求得軟化點的理論值。再生SBS改性瀝青軟化理論計算值與實驗值比較結果見表4。

由表4中對比數據可知，實驗值與理論值基本相符，說明再生SBS改性瀝青的老化符合一級反應動力學方程，所建立的老化動力學模型能夠很好的反應再生SBS改性瀝青的老化過程。

表4 再生改性瀝青軟化點實驗值與理論值Table 4 experimental and theoretical data comparison of softening point of modified recycling asphalt

4 結 論

（1）以再生劑：（廢舊瀝青+補充新瀝青）=1︰9的比例，加入 LKJ-I再生劑和補充新瀝青，能夠成功再生出符合JTG F 40-2004中I-B類SBS改性瀝青。

（2）控制老化初期再生瀝青的針入度、延展度等基本理化性能變化速率，延緩輕組分向瀝青質的生成速率，提高老化后期針入度、延展度等性能，將有利于SBS改性瀝青抗老化性能的提高。

（3）以軟化點為參數建立的一級老化動力學模型能夠很好的表征再生SBS改性瀝青的老化過程。

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