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(xué)， 遼寧 撫順 113001）

1992年改性瀝青技術(shù)在首都機(jī)場高速公路的應(yīng)用，至1997年長安街改造中的使用，標(biāo)志著我國高速公路建設(shè)中改性瀝青大規(guī)模應(yīng)用的開始。截止2005年，我國道路建設(shè)中改性瀝青占道路瀝青的應(yīng)用比例已經(jīng)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(jīng)逐步進(jìn)入大范圍維修階段，廢舊瀝青混合料的隨意丟棄既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境，因此對于改性瀝青再生技術(shù)的研究具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)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(huán)境因素的影響，致使瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成發(fā)生變化，導(dǎo)致瀝青老化，進(jìn)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(jìn)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(zhì)量具有重要意義[4-8]。

本工作通過薄膜烘箱老化實(shí)驗(yàn)，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(guī)律。通過以軟化點(diǎn)建立的動力學(xué)模型，評價再生SBS改性瀝青的抗老化性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)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(bǔ)充新瀝青：遼河油田SBS（I-C）改性瀝青；兩種瀝青的理化性質(zhì)見表1。

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

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

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

1.2 再生SBS改性瀝青的制備

調(diào)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(zhì)量比）,考慮到瀝青混合料實(shí)際應(yīng)用中，瀝青占混合料質(zhì)量比為5%，調(diào)和過程中補(bǔ)充質(zhì)量比為1.26%的新瀝青。在100 ℃條件下，按照再生劑：（廢舊瀝青+補(bǔ)充新瀝青）=1︰9（質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

薄膜烘箱實(shí)驗(yàn)：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(zhuǎn)薄膜烘箱中，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速率為5.5 r/min。分別在150 ℃、163 ℃和180 ℃三個溫度條件下，進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)。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(diǎn)、延度和表觀粘度。

2 結(jié)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(diǎn)和表觀粘度的性能變化。其結(jié)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(shù)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(wěn)，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(fā)速率較快；老化后期，受氧化、縮合等反應(yīng)的影響，輕組分逐步向?yàn)r青質(zhì)轉(zhuǎn)化，輕組分相對含量減少，瀝青質(zhì)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(jìn)入老化狀態(tài)。

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(diǎn)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(diǎn)、表觀粘度在整個老化過程中以相對穩(wěn)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?yàn)r青質(zhì)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(guān)系Fig.1 Relationship between penetration and aging time

圖2 延度與老化時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between ductility and aging time

圖3 軟化點(diǎn)與老化時間的關(guān)系Fig.3 Relationship between soften point and aging time

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

3 以軟化點(diǎn)為參數(shù)建立的老化動力學(xué)模型

由反應(yīng)動力學(xué)理論，假設(shè)瀝青老化過程為一級不可逆反應(yīng)，以軟化點(diǎn)的變化進(jìn)行進(jìn)一步探索，建立一級反應(yīng)方程：

其中：c —再生瀝青中生成瀝青質(zhì)的反應(yīng)物濃度，mol;

t —老化時間，h;

k —總反應(yīng)速率常數(shù)，h-1。

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

其中：t —老化時間，h；

S0—瀝青的初始軟化點(diǎn)，℃；

S —瀝青在一定老化溫度下經(jīng)過老化時間t時的軟化點(diǎn)，℃；

k —老化速率常數(shù)。

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(shù)見表2。

圖5 ln (S／S0)與t的關(guān)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(shù)值可以看出，老化時間與再生瀝青軟化點(diǎn)升高幅度的對數(shù)呈線性關(guān)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(shù)Table 2 The reaction rate constant k of modified asphalt under different aging temperature

根據(jù)Arrhrenius方程：

由方程（3）作得-lnK與1/T的關(guān)系曲線見圖6。

圖6 -lnK與1／T的關(guān)系Fig.6 The relation between -lnK and 1／T

由圖6經(jīng)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(xué)參數(shù)見表3。

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

聯(lián)立方程（1）、（2）、（3），導(dǎo)出再生 SBS 改性瀝青老化動力學(xué)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(diǎn)的理論值。再生SBS改性瀝青軟化理論計算值與實(shí)驗(yàn)值比較結(jié)果見表4。

由表4中對比數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)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(yīng)動力學(xué)方程，所建立的老化動力學(xué)模型能夠很好的反應(yīng)再生SBS改性瀝青的老化過程。

表4 再生改性瀝青軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與理論值Table 4 experimental and theoretical data comparison of softening point of modified recycling asphalt

4 結(jié) 論

（1）以再生劑：（廢舊瀝青+補(bǔ)充新瀝青）=1︰9的比例，加入 LKJ-I再生劑和補(bǔ)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?yàn)r青質(zhì)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(diǎn)為參數(shù)建立的一級老化動力學(xué)模型能夠很好的表征再生SBS改性瀝青的老化過程。

［1］耿久光. 瀝青老化機(jī)理及再生技術(shù)研究[D]. 長安：長安大學(xué), 2009.

［2］竇剛玉. SBS改性瀝青路面現(xiàn)場熱再生技術(shù)研究[D]. 大連：大連理工大學(xué), 2011.

［3］王洋, 廖克儉,等. 道路廢舊瀝青混合料的再生及理化性質(zhì)研究[J].石化技術(shù)與應(yīng)用, 2012,30(2):136-138.

［4］楊洪濱. 道路瀝青抗老化性能及其改性的研究[D]. 北京:中國石油大學(xué), 2008.

［5］鐘一. 道路瀝青的老化機(jī)理研究及其影響[J]. 交通科技, 2009-11:101-104.

［6］Gawel I, Baqinska K. Effect of chemical nature on the susceptibility of asphalt to aging. Petroleum Science and Technology, 2004, 22(9–10):1261–1271.

［7］李振海, 從艷麗, 張玉貞. 瀝青的老化與表征方法研究[J]. 石油瀝青, 2011, 25(5):1-5.

［8］趙志軍, 陳明宇. 瀝青的老化機(jī)理與性能研究[J]. 建材世界, 2009,30(2):159-162.

［9］Lookwood P C. Pet roleum Refin er[M]. 1959:197.