基于光譜分析的SBS改性瀝青再生機理研究

何兆益，冉龍飛，2，曹青霞，3

（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；3.甘肅省交通規劃勘察設計院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

SBS改性瀝青約占道路瀝青總質量的15%，按此計算，10年后中國高速公路瀝青路面大、中修產生的廢舊SBS 改性瀝青混合料預計將每年達到1 200萬t左右.可見，SBS改性瀝青混合料再生技術的研究對于環境保護、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.對于瀝青再生機理的研究，目前得到多數學者認可的有“相容性理論”［1］與“組分調節理論”［2］2 種.此 外，王 濤 等［3］提出了再生劑作用機理的“體積效應”和“屏蔽效應”，余國賢等［4］提出了再生劑作用的“增溶分散機理”、“稀釋調和機理”和“蠟晶作用機理”.本文選擇4種再生劑，通過紅外光譜分析和美國SHRP試驗研究了再生劑及再生SBS改性瀝青的微觀結構，從分子運動學角度，提出了“界面活性理論”，可為再生劑的研發提供一定的參考.

1 試驗

1.1 試驗材料

再生劑：ZZ，自主研發，RA－2，DN100，DN101均為某大學研制，4種再生劑的基本性能指標見表1.SBS 改性瀝青，由70＃A 級中海油石油瀝青加5%（質量分數）的線型SBS改性劑在（175±5）℃，3 000r／min的條件下剪切40min，并在（165±5）℃下溶脹2h得到，其技術性能指標見表2.

表1 再生劑基本性能指標對比Table 1 Basic performance index contrast of recycling agents

表2 SBS改性瀝青性能指標Table 2 Performance index of SBS modified asphalt

1.2 試驗儀器

BRL－WQF－600N 傅里葉變換近紅外光譜儀，波數范圍：4 000～400cm－1，分辨率優于4cm－1，北京恒奧德儀器儀表有限公司生產；DISCOVERY－HR3型動態剪切流變儀，美國TA 公司生產；M225832彎曲梁流變儀，北京中西選大科技有限公司生產.

1.3 試驗方案

將4種再生劑分別涂于KBr晶片上進行紅外光譜試驗.通過旋轉薄膜＋壓力老化的方式對SBS改性瀝青進行老化，再分別將4種再生劑按質量分數5%加入老化后的SBS改性瀝青中，使之再生，并對這4種再生SBS改性瀝青進行紅外光譜試驗和SHRP試驗（即布氏旋轉黏度試驗RV，動態剪切流變試驗DSR 和彎曲梁流變試驗BBR）.

2 試驗結果及分析

2.1 SBS改性瀝青再生劑

再生劑能夠增加老化瀝青再生后膠體結構的穩定性，與老化瀝青有較好的相容性，可溶解和分散其瀝青質，改善黏度，調節流變性能.研究［5－6］表明，再生劑中占質量80%～90%的成分主要由富含芳烴的基礎油分和增塑劑組成，因此，基礎油分和增塑劑的存在決定了老化瀝青的再生機理.

2.1.1 紅外光譜分析

再生劑ZZ，RA－2，DN100，DN101 的紅外光譜見圖1.

圖1 4種再生劑的紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of recycling agents

由圖1可見：

（1）4種再生劑均在（1 600±10）cm－1，1 500～1 450cm－1和（1 380±10）cm－1處出現了3～4個芳烴 C═ C吸收峰，研究［7］表明，這4種再生劑均含有芳烴，其對瀝青質具有良好的溶解能力，能有效調節瀝青的黏度.

（2）4種再生劑均含有羥基 O═ H 振動吸收峰（3 430 cm－1）、CH3反對稱和對稱伸縮振動峰（2 958cm－1）、CH2反對稱和對稱伸縮振動峰（2 924，2 858cm－1）、酯羰基 C═ O 鍵伸縮振動峰（1 750cm－1）、亞砜基 S═ O（1 030cm－1）及苯環上的CH 面外彎曲振動吸收峰（870～670cm－1），說明再生劑中含有極性酯羰基、羥基、亞砜基及非極性的甲基、亞甲基，是1種一端由親水基（極性部分）、一端由憎水基（非極性部分）組成的表面活性劑［8］.

2.2 再生SBS改性瀝青

2.2.1 紅外光譜分析

老化SBS改性瀝青（LH）與再生SBS改性瀝青的紅外光譜見圖2，其中Z，R，D0，D1分別表示加入再生劑ZZ，RA－2，DN100，DN101的再生SBS改性瀝青.

圖2 老化SBS改性瀝青與再生SBS改性瀝青的紅外光譜Fig.2 Infrared spectra of aged and recycled SBS modified asphalt

由圖2 可見：老化SBS 改性瀝青和4 種再生SBS改性瀝青的峰位基本一致，只是峰值明顯不同，這主要是再生劑加入后，在瀝青質與軟瀝青之間形成一層“界面膜”，由于分子間的不斷運動，導致該膜的極性端與瀝青質具有很好的相容性，而其非極性端則與軟瀝青相親.具體的作用過程見圖3.

圖3 界面活性作用機理Fig.3 Mechanism diagrams of interfacial activity theory

為了定量研究再生SBS 改性瀝青紅外光譜峰的吸收強度，本文提出了4個評價指標，分別為羰基指數（CI）、亞砜基指數（SI）、芳烴基指數（FI）及丁二烯指數（DI），其計算式分別為：

式中：AC＝O為羰基吸收峰面積；AS＝O為亞砜基吸收峰面積；AF為芳烴基吸收峰面積；AD為丁二烯基吸收峰面積；A 為光譜總面積.

4種再生SBS改性瀝青的羰基指數、亞砜基指數、芳烴指數、丁二烯指數見表3.

表3 再生SBS改性瀝青指數Table 3 Four indexs of recycled SBS modified asphalt

由表3 可見：再生SBS 改性瀝青的羰基指數、亞砜基指數、芳烴指數、丁二烯指數變化無規律性，這是由于4 種再生劑中所含基團的種類和含量不同，而且改性瀝青老化會導致部分SBS改性劑發生裂變，使其對老化瀝青的影響效果不同，因此不能從分子修復的角度來解釋老化SBS改性瀝青的再生機理，而應從分子運動學角度出發，運用“界面活性理論”來進行解釋.

2.2.2 SHRP試驗

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）測試老化SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的黏度，復數剪切動態模量G＊及相位角δ，－12℃低溫蠕變勁度S 和蠕變勁度變化速率m.RV 試驗結果如圖4所示，DSR試驗結果如圖5～8所示，BBR試驗結果如表4所示.

圖4 老化SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的黏溫曲線Fig.4 Viscosity－temperature curve of aged and recycled SBS modified asphalt

圖5 老化SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的G＊－t變化曲線Fig.5 G＊－t curve of aged and recycled SBS modified asphalt

由圖4可見，4種再生劑均使老化SBS改性瀝青的黏度降低.依據“界面活性理論”可知，老化后SBS改性瀝青發生了氧化、聚合反應，小分子聚合成大分子，使瀝青分子的作用力增強，抵抗形變的剛性增大，再生劑加入后，在瀝青質表面形成一層薄膜，促進聚合物大分子或鏈段運動，起到潤滑和增溶作用.

圖6 老化SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的δ－t變化曲線Fig.6 δ－t curve of aged and recycled SBS modified asphalt

圖7 老化SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的G＊／sinδ－t變化曲線Fig.7 G＊／sinδ－t curve of aged and recycled SBS modified asphalt

圖8 老化SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的G＊sinδ－t變化曲線Fig.8 G＊sinδ－t curve of aged and recycled SBS modified asphalt

由圖5，6可見，4種再生SBS改性瀝青的G＊降低，δ 增大，黏性增加，彈性減小，流變性能得到恢復.由圖7可見，4種再生SBS改性瀝青的G＊／sinδ下降，流動性能增加.由圖8可見，4種再生SBS改性瀝青的G＊sinδ下降，抗疲勞性能增加，即4種再生劑均使老化SBS改性瀝青的流動性增加，流變性能得到恢復.依據“界面活性理論”可知，再生劑的加入，不但起到潤滑和增溶作用，使流動性增加，抗車轍能力下降，而且還由于“界面膜”的形成增強了分子間的作用力，使抗疲勞性能增加.

表4 SBS改性瀝青老化及再生后－12℃BBR值Table 4 －12℃BBR values of SBS modified asphalt after aging and recycling

由表4可見，4種再生SBS改性瀝青的S 均減小，m 均增大，說明4種再生劑的加入使老化瀝青的低溫性能提高，抵抗應力松弛的能力增加.這是由于瀝青老化后極性增強，在加熱過程中，瀝青分子的作用力慢慢減弱，而再生劑中的極性基團與瀝青極性基團相互作用，進一步削弱了瀝青分子的作用力，使非極性分子填充在極性分子之間，增加了極性分子之間的距離，從而使瀝青分子鏈容易運動，低溫柔韌性增加.

3 結論

（1）再生劑是一種典型的表面活性劑，含有極性的酯羰基、羥基、亞砜基及非極性的甲基、亞甲基.

（2）再生SBS 改性瀝青中羰基指數、亞砜基指數、芳烴指數、丁二烯指數的變化無規律性，不能從分子修復的角度解釋這種瀝青的再生機理.從分子運動學角度出發，提出了瀝青再生機理的“界面活性理論”.

（3）運用“界面活性理論”可有效解釋再生SBS改性瀝青黏度降低、流變性能得到恢復、抗疲勞性能增加、低溫變形能力增強機理.

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