以軟化點(diǎn)為參數(shù)研究再生改性瀝青的老化動力學(xué)

趙 華，廖克儉，李會鵬

（遼寧石油化工大學(xué) 石油化工學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

以軟化點(diǎn)為參數(shù)研究再生改性瀝青的老化動力學(xué)

趙 華，廖克儉，李會鵬

（遼寧石油化工大學(xué) 石油化工學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

通過考察老化過程中軟化點(diǎn)的變化，建立以瀝青軟化點(diǎn)為參數(shù)的老化動力學(xué)模型，計(jì)算得到了有關(guān)動力學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)以歡喜嶺AH－90瀝青為基質(zhì)瀝青，以SBS為改性劑，制備改性瀝青，采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)，使改性瀝青老化，然后通過摻入再生劑得到再生改性瀝青，分別測改性瀝青和再生改性瀝青的軟化點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，廢舊SBS改性瀝青可以通過添加再生劑和調(diào)和劑的方法重新恢復(fù)到老化前的理化指標(biāo)。改性瀝青與再生改性瀝青老化均屬于一級動力學(xué)反應(yīng)，再生改性瀝青抗老化性能優(yōu)于改性瀝青。

改性瀝青;再生改性瀝青;老化動力學(xué);軟化點(diǎn)

Abstract:In this study,the kinetic parameters have been calculated to establish an aging dynamic model based on softening point.The theoretical value and the actual experimental data were well consistent.The modified asphalt was prepared by using Huanxiling AH-90 as base asphalt and SBS as modifier.Then rotating thin film oven test was conducted to make it aged.Regenerated modified asphalt was obtained by adding certain amount of self-made regenerant.The softening point was determined.The Test showed that waste SBS modified asphalt could be recycled by adding regenerant and blending agent to restore the same physical and chemical performances as those of before aging.The aging process of both modified asphalt and regenerated modified asphalt belonged to a first order dynamic reaction.By examining the aging activation energy,it was drawn a conclusion that the regenerated modified asphalt showed better anti-aging performance than that of modified asphalt.

Key words:Modified asphalt;regenerated modified asphalt;aging kinetics;softening point

前 言

瀝青路面材料可以100%的回收利用，并且可以多次重復(fù)使用，因而可以節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境[1]。美國于1915年開始研究瀝青路面材料再生技術(shù)，并且迅速推廣應(yīng)用[2]。國內(nèi)廢舊瀝青混合料再生技術(shù)研究起步較晚，但我國逐漸增加的高等級道路瀝青路面維護(hù)量，有必要對廢舊瀝青混合料再生技術(shù)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。根據(jù)瀝青四組分理論[3]，廢舊SBS改性瀝青的性能下降是因?yàn)闉r青四組分的配伍性改變所致[4]，而SBS改性劑并沒有發(fā)生本質(zhì)的改變，這說明廢舊SBS改性瀝青可以通過添加再生劑的方法重新改變?yōu)r青四組分的配伍性，從而達(dá)到重新利用的目的。

軟化點(diǎn)是在一個(gè)特定的實(shí)驗(yàn)條件下表示瀝青軟硬程度的條件溫度，通常用作制造工藝、檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量和評定瀝青性質(zhì)的控制指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)以歡喜嶺90#瀝青為基質(zhì)瀝青，以SBS為改性劑，制備SBS改性瀝青。老化后，摻入自制再生劑進(jìn)行再生，制備再生改性瀝青。以老化過程中軟化點(diǎn)的變化為參數(shù)建立改性瀝青和再生改性瀝青的老化動力學(xué)模型，并評價(jià)其抗老化性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料與儀器

1.1.1 原材料

歡喜嶺AH－90瀝青：針入度98.5（25℃，100 g，5 s，0.1mm），軟化點(diǎn) 44.2℃，延度大于 100（5℃，5cm/min，cm）；SBS，YH-801 星型，岳陽石化生產(chǎn)，用于改性瀝青；再生劑（自制）；SBR（用于調(diào)和瀝青）。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

針入度測定儀（T4508-84，無錫市石油儀器設(shè)備廠）；SYD瀝青軟化點(diǎn)測定儀（GB/T4507，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司）；延度儀（T4508-84，無錫市石油儀器設(shè)備廠）；旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（82型，遼陽市恒溫儀器廠）；高速乳化剪切機(jī)（上海威慷機(jī)械電子有限公司）；電熱恒溫干燥箱（廈門醫(yī)療電子儀器廠）。

1.2 樣品制備

1.2.1 SBS改性瀝青的制備

加熱基質(zhì)瀝青至160℃的熔融狀態(tài)，然后摻入占其質(zhì)量5%的SBS，在1000r/min下剪切10min，待SBS完全溶脹后把體系溫度升到 180℃，在8000r/min下再剪切30min。

1.2.2 SBS改性瀝青的老化

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)（GB/T5304）：將50g改性瀝青試樣放入直徑為140mm、深9.5mm的不銹鋼盛樣皿中，瀝青膜的厚度為3.2 mm，分別在150℃、163℃、180℃通風(fēng)烘箱中以5.5 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，每隔5h，測定瀝青軟化點(diǎn)。一般針入度小于40時(shí)證明已經(jīng)被老化。

1.2.3 廢舊SBS改性瀝青的再生

將熔融老化的改性瀝青稱重，加入占其質(zhì)量4%的再生劑后在電爐上微熱，攪拌至均勻。然后再向加入再生劑的老化改性瀝青中加入占其質(zhì)量0.5%的SBR，用玻璃棒進(jìn)行攪拌。

2 結(jié)果與討論

2.1 各種瀝青的理化性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)

表1 各種瀝青的理化性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)Table1 The physical and chemical properties of asphalts and standard

由表1可知，老化改性瀝青再生后各項(xiàng)指標(biāo)符合聚合物改性瀝青技術(shù)要求（JTJ036—98）I-C標(biāo)準(zhǔn)，說明在加入一定量再生劑、SBR后老化瀝青的再生效果顯著。

2.2 老化過程中軟化點(diǎn)的變化

由表2可以看出，無論是改性瀝青還是再生改性瀝青，在相同的老化溫度下，隨著老化時(shí)間的延長，軟化點(diǎn)均逐漸升高；同一老化溫度、老化時(shí)間下，再生改性瀝青的軟化點(diǎn)要比改性瀝青的高。

表2 不同老化溫度下瀝青軟化點(diǎn)與老化時(shí)間的關(guān)系Table2 The relationship between softening point and ageing time at different temperatures

2.3 以軟化點(diǎn)為參數(shù)建立老化動力學(xué)模型

以軟化點(diǎn)為參數(shù)研究改性瀝青和再生改性瀝青的老化動力學(xué)，其動力學(xué)方程表示為：

式中 :c—瀝青老化過程中反應(yīng)物的濃度/mol/L

t—老化時(shí)間/h

k—老化反應(yīng)速率常數(shù)/h-1洛克伍德認(rèn)為，反應(yīng)物濃度與瀝青軟化點(diǎn)成反比，即c=a/R，將此式代入公式（1），兩邊積分可以得到：

式中:t—老化時(shí)間/s

R0—瀝青的初始軟化點(diǎn)/℃

R—瀝青在一定老化溫度下經(jīng)過老化時(shí)間t時(shí)的軟化點(diǎn)/℃

k—老化反應(yīng)常數(shù)/h-1

因此只要測出不同老化時(shí)間下的軟化點(diǎn)，即可求出瀝青老化反應(yīng)常數(shù)k，并根據(jù)阿龍尼烏斯方程求得老化動力學(xué)方程。

利用公式（2）分別對改性瀝青與再生改性瀝青的lnR／R0對t作圖，見圖1和2。

圖1 改性瀝青的ln（R／R0）與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.1 The relation between ln（R／R0）and aging time of modified asphalt

圖2 再生改性瀝青的ln（R／R0）與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.2 The relation between ln（R／R0）and aging time of regenerated modified asphalt

可知，回歸曲線均具有很高的線性相關(guān)性，進(jìn)而說明兩種瀝青老化符合一級動力學(xué)反應(yīng)。因此，回歸方程的斜率即為對應(yīng)溫度下的k。

根據(jù)Arrhrenius方程有：

式中：K—熱力學(xué)常數(shù)

Ea—活化能/kJ·mol-1

A—指前因子

R —8.3145J·mol-1·K-1

以-lnK對1／T作圖，如圖3。

圖3 改性瀝青與再生改性瀝青的-lnK與1／T×10-3的關(guān)系圖Fig.3 The relationship between-lnK and 1/T×10-3of modified asphalt and regenerated modified asphalt

根據(jù)Arrhrenius方程，由圖3經(jīng)線性回歸解得直線的斜率為Ea／R，直線外推至1／T=0，Y軸的截距即為lnA，從而求出瀝青老化反應(yīng)的活化能Ea、指前因子A和直線的相關(guān)系數(shù)。

改性瀝青與再生改性瀝青的老化動力學(xué)參數(shù)分別見表3。

表3 老化動力學(xué)參數(shù)Table3 The aging kinetic parameters

利用 Arrhrenius方程代入（2），得

將表3中的動力學(xué)參數(shù)分別代入公式（4），可以分別得到改性瀝青與再生改性瀝青老化動力學(xué)方程：

根據(jù)建立的老化動力學(xué)方程計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，說明所得的模型與兩種改性瀝青老化過程基本相符。

3 結(jié)論

（1）廢舊SBS改性瀝青可以通過添加再生劑和調(diào)和劑的方法重新恢復(fù)到老化前的理化指標(biāo)。

（2）SBS改性瀝青與再生SBS改性瀝青的老化均屬于一級動力學(xué)反應(yīng)，老化過程中軟化點(diǎn)的變化可以很好的表征其老化過程，求得正確的動力學(xué)參數(shù)，并由兩種瀝青在同等老化條件下的活化能大小的對比，得出了再生改性瀝青的抗老化性能優(yōu)于改性瀝青的抗老化性能。

［1］陳慧敏.石油瀝青產(chǎn)品手冊［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2001.

［2］黃曉明，趙永利，江臣.瀝青路面再生利用試驗(yàn)分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23（4）：468～471.

［3］CORBETT L W.Dumbbell mix for better asphalt［J］.Hydrocarbon process，1979，26（4）：l73～177.

［4］廖克儉，叢玉鳳.道路瀝青生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Study on the Aging Kinetics of Regenerated Modified Asphalt Based on Softening Point

ZHAO Hua,LIAO Ke-jian and LI Hui-peng

(College of Petrochemical Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China)

TE 626.84

A

1001-0017（2011）01-0027-03

2010-08-25

趙華（1973－），女，遼寧撫順人，講師，主要從事石油化學(xué)品的研究開發(fā)工作。