SBS改性瀝青再生劑性能研究

冉龍飛，何兆益，曹青霞

（1.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074；2.重慶市公路工程質量檢測中心，重慶 400060）

為適應現代交通荷載重型化的需要，增強瀝青路面抗病害能力，SBS改性瀝青以其優良的路用性能在中國得到了廣泛使用，用量占道路瀝青總量的15%左右.按此比例，10年以后，中國高速公路瀝青路面的大修、中修產生的廢舊SBS改性瀝青混合料預計每年將達到1 200萬噸［1］.SBS改性瀝青混合料再生技術對于環境保護、資源有效利用、實現路面的可持續發展具有重要的現實意義和顯著的經濟、社會、環境效益.因此，基于不利環境因素，深入研究SBS改性瀝青老化規律、老化機理已刻不容緩.在此基礎上，研發恢復老化SBS改性瀝青的再生劑，以延長再生瀝青路面使用壽命.

1 再生劑組分及制備工藝

再生劑原材料的選擇應遵循以下原則［2］：優良的抗老化性能及穩定性；具有施工安全性；價格低廉，具有較好的經濟性；不含對人體及環境有毒的成分.本研究主要選擇了基礎油分、增塑劑、增黏樹脂、改性劑和抗老化劑5大成分，其中抗老化劑由抗氧劑、紫外線吸收劑和抗剝落劑組成.再生劑制備工藝是保證產品質量和性能穩定的重要工序，本文按以下步驟對各種原材料分別進行準確稱量和合成，制備流程（見圖1）為：

圖1 再生劑制備流程Fig.1 Preparing process of regenerative agent

（1）稱取一定量的基礎油分，分別按其質量分數稱取增塑劑、改性劑及增黏樹脂；（2）將稱好的基礎油分緩慢加熱到160～170℃，分批次加入增塑劑及增黏樹脂，攪拌均勻后得到輕質組分；（3）將改性劑加入到輕質組分中，并保持溫度在160～170℃，攪拌30min，使改性劑充分溶脹；（4）將溶脹改性液置于高速剪切機，轉速為4 000r／min，試驗溫度160～170℃，持續剪切30～50min；（5）稱取不同劑量的抗氧劑、紫外線吸收劑、抗剝落劑作為抗老化組分，分批次加入到剪切好的再生劑中，保持溫度160～170℃，攪拌10min，得到SBS再生劑（ZZ）.

2 再生劑配比確定

2.1 不含抗老化劑的溶脹改性液配合比確定

本文采用正交試驗方法來確定溶脹改性液配合比，試驗因素水平如表1所示，L9（34）正交試驗結果如表2所示，數理統計分析結果如表3所示.

表1 溶脹改性液（不含抗老化劑）試驗因素水平Table 1 Experimental factor level table（not including anti－aging agent）

表2 溶脹改性液（不含抗老化劑）正交試驗Table 2 Orthogonal test table of swelling of modified liquid（not including anti－aging agent）

表3 試驗結果直觀分析Table 3 Intuitive analysis of test results

根據表3計算得到的R 分析各因素對考核指標的影響次序，結果列于表4.

表4 各指標直觀分析結果匯總Table 4 All index of intuitive analysis

依據表4對每個指標影響較好的因素進行綜合比選，最終找出最優的組合為A1B2C3D2，即m（基礎油分）∶m（增塑劑）∶m（增黏樹脂）∶m（改性劑）＝1.00∶0.30∶0.03∶0.05，剪切時間為40min.

2.2 抗老化劑配合比確定

抗老化劑由抗氧劑、紫外線吸收劑及抗剝落劑組成.通過對L9（33）共9 組配方進行試驗，將再生劑RTFOT 老化前后質量損失、RTFOT 老化前后60℃黏度比以及水煮試驗抗剝落率［3］作為控制指標，L3（33）正交因素水平見表5，試驗結果見表6，數理統計分析結果如表7所示.

將各個指標直觀分析結果匯總，結果如表8所示.

依據表8對每個指標影響較好的因素進行綜合比選，最終找出最優的組合為E3F3G2，即抗氧劑、紫外線吸收劑、抗剝落劑分別占溶脹改性液質量的0.5%，0.5%，0.3%.

表5 抗老化劑試驗因素水平Table 5 Experimental factor level table of anti－aging agent

表6 抗老化劑正交試驗結果Table 6 Orthogonal test table of anti－aging agent

表7 抗老化劑正交試驗結果直觀分析Table 7 Intuitive analysis of anti－aging agent's test results

表8 各指標直觀分析結果匯總Table 8 All index of intuitive analysis

3 再生劑性能測試

為了評價ZZ 的性能優劣，本文選擇了市售兩款再生劑DN100，DN101及針對基質瀝青的RA－2再生劑進行對比分析.

3.1 性能試驗

依據JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術規范》，性能測試主要包括60℃黏度、閃點、RTFOT前后的黏度比及質量變化、密度.此外，參考文獻［4］將流變指數和表面張力作為再生劑技術指標.ZZ，DN100，DN101，RA－2性能試驗結果見表9.

由表9可見，4種再生劑的黏度大小排序為：DN101＞ZZ＞RA－2＞DN100，RTFOT 前后的黏度比和質量變化大小排序為：DN100＞RA－2＞DN101＞ZZ，表明ZZ的熱氧老化性能優于其他3種再生劑.表面張力的排序為：ZZ＞RA－2＞DN100＞DN101，表明ZZ的溶解和分散能力優于其他3種再生劑.

表9 4種再生劑基本性能Table 9 Basic performance contrast to four type

3.2 紅外光譜分析

ZZ，RA－2，DN100，DN101 的紅外光譜分析結果見圖2.由圖2可見，4種再生劑在1 600cm－1和1 500～1 450cm－1處出現了芳香烴特征峰，表明4種再生劑均含有芳烴、酯羰基、羥基、亞砜基及甲基和亞甲基［5］，而這些組分可增加瀝青的低溫柔韌性.

3.3 DSC熱穩定性分析

ZZ，RA－2，DN100，DN101的DSC曲線見圖3.

圖2 4種再生劑紅外光譜圖Fig.2 Four kinds of regeneration agent infrared spectra

由圖3 可見，在高溫區段（200～300 ℃），除RA－2外的其他3種再生劑均出現了1個放熱峰，表明這3種再生劑在高溫區段發生了氧化降解或燃燒.4 種再生劑的吸（放）熱量測試結果如表10 所示.由表10可見，4種再生劑的熱穩定性大小依次為：ZZ＞RA－2＞DN100＞DN101.

圖3 再生劑的DSC曲線Fig.3 Four kinds of regeneration agent DSC curve

4 再生瀝青性能測試

4.1 試驗材料與方法

選取70＃A 級瀝青，加入質量分數4.5%的SBS改性劑得到改性瀝青，依據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對其進行加速壓力老化試驗（PAV）.為了直觀評價再生劑對老化瀝青性能的恢復效果，分別將ZZ，RA－2，DN100，DN101按老化瀝青質量的5%加入到老化SBS 改性瀝青中，并對其PAV 前后的性能進行測定.

表10 4種再生劑吸（放）熱量測試結果Table 10 Four types of regenerative agent's absorption（or exothermic）of heat

4.2 性能指標變化規律分析

對PAV 前后SBS改性瀝青、4種再生瀝青的3大性能及彈性恢復性能進行測試.試驗結果見表11.

由表11可見：4種再生劑對老化后瀝青的針入度和軟化點均能恢復到老化前的效果，但對其低溫延度和彈性，僅ZZ能恢復到老化前效果.這表明SBS改性劑老化失效后，加入ZZ可使其性能得到恢復.

表11 再生瀝青與老化瀝青性能對比Table 11 Performance comparison between recycled asphalt and aged recycled

4.3 SHRP性能指標變化規律

依據SHRP瀝青結合料測試方法［8］，通過布氏旋轉黏度試驗（RV），動態剪切流變試驗（DSR）和彎曲梁流變試驗（BBR）測試得到不同瀝青135℃的黏度、G＊／sinδ 達到1.00 kPa 時的抗車轍極限溫度［6］、－12℃低溫蠕變勁度S 和蠕變勁度變化速率v.RV 試驗結果如表12 所示，DSR 試驗結果如圖4，5所示，抗車轍極限溫度如表13所示，BBR 試驗結果如表14所示.

表12 再生瀝青與老化瀝青135 ℃黏度對比Table 12 Viscosity contrast between recycled asphalt and aged recycled

圖4 改性瀝青老化前后G＊／sinδ－t變化曲線Fig.4 Modified asphalt G＊／sinδ－t curve before and after aging

由表12可見，SBS改性瀝青老化后，黏度增大，加入4種再生劑，黏度減小，其中RA－2減幅最大，DN100和DN101 次之，但是這3 種再生瀝青的黏度均與老化前改性瀝青相差較大，只有ZZ 再生瀝青的黏度與原樣瀝青相近，黏度比為0.951.在恢復3大性能指標的前提下，再生瀝青的黏度與原樣瀝青越接近越好，這表明ZZ 具有優越的恢復老化改性瀝青流變之特性.

圖5 再生改性瀝青G＊／sinδ－t變化曲線Fig.5 Regeneration of modified asphalt G＊／sinδ－t curve

由圖4，5可見：改性瀝青老化前后及4種再生改性瀝青的G＊／sinδ－t 曲線變化趨勢完全一致，均隨溫度增加而減小.再生改性瀝青的G＊／sinδ均比老化瀝青有所下降.在相同溫度條件下，ZZ 再生瀝青的G＊／sinδ－t 曲線和DN100，DN101，RA－2再生改性瀝青的G＊／sinδ－t曲線相差較大.4種再生改性瀝青的G＊／sinδ達到1.00kPa時對應的抗車轍極限溫度見表13.

由表13可見：再生改性瀝青的抗車轍極限溫度較老化后改性瀝青低，其中DN100，DN101，RA－2再生改性瀝青的抗車轍極限溫度約低15℃，而且，這3種再生改性瀝青的抗車轍極限溫度均較老化前改性瀝青相差大，達到5℃左右，ZZ 再生瀝青與原樣改性瀝青相近，兩者僅相差0.5℃.因此，ZZ再生改性瀝青具有優越的恢復老化后改性瀝青抗高溫車轍性能的能力.

表13 再生改性瀝青的抗車轍極限溫度Table 13 Antirutting limit temperature of modified asphalt regeneration

表14 改性瀝青老化及再生前后BBR值Table 14 BBR value of modified asphalt before and after aging or regeneration at－12℃

由表14可見：再生后4種改性瀝青的低溫蠕變勁度較老化后改性瀝青均減小，蠕變勁度變化速率v均增大，說明4種再生劑對老化瀝青的低溫性能進行了不同程度的改善，其中ZZ 再生劑較其他3種再生劑改善效果明顯，基本恢復至SBS改性瀝青老化前的性能.可見，ZZ 再生劑具有優越的恢復SBS改性瀝青低溫抗裂能力.

5 結論

（1）采用L9（34）正交試驗確定了溶脹改性液最優組分為m（基礎油分）∶m（增塑劑）∶m（增黏樹脂）∶m（改性劑）＝1.00∶0.30∶0.03∶0.05，剪切時間為40min.

（2）采用L9（33）正交試驗確定了3種抗老化劑最優組分為抗氧劑占溶脹改性液質量的0.5%，紫外線吸收劑占溶脹改性液質量的0.5%，抗剝落劑占溶脹改性液質量的0.3%.

（3）ZZ再生劑具有優越的溶解及分散能力、抗熱氧老化性能、低溫柔韌性和熱穩定性.

（4）ZZ再生劑具有優越的恢復老化SBS 改性瀝青流變、抗高溫車轍及低溫開裂能力.

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