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(zhì)量檢測中心，重慶 400060）

為適應現(xiàn)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(yōu)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(chǎn)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(huán)境保護、資源有效利用、實現(xiàn)路面的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和顯著的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益.因此，基于不利環(huán)境因素，深入研究SBS改性瀝青老化規(guī)律、老化機理已刻不容緩.在此基礎上，研發(fā)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(yōu)良的抗老化性能及穩(wěn)定性；具有施工安全性；價格低廉，具有較好的經(jīng)濟性；不含對人體及環(huán)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(chǎn)品質(zhì)量和性能穩(wěn)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(zhì)量分數(shù)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(zhì)組分；（3）將改性劑加入到輕質(zhì)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(zhuǎn)速為4 000r／min，試驗溫度160～170℃，持續(xù)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(shù)理統(tǒng)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(jù)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(jù)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(yōu)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(zhì)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(shù)理統(tǒng)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(jù)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(yōu)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(zhì)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(yōu)劣，本文選擇了市售兩款再生劑DN100，DN101及針對基質(zhì)瀝青的RA－2再生劑進行對比分析.

3.1 性能試驗

依據(jù)JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》，性能測試主要包括60℃黏度、閃點、RTFOT前后的黏度比及質(zhì)量變化、密度.此外，參考文獻［4］將流變指數(shù)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(zhì)量變化大小排序為：DN100＞RA－2＞DN101＞ZZ，表明ZZ的熱氧老化性能優(yōu)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(yōu)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(xiàn)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(wěn)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(qū)段（200～300 ℃），除RA－2外的其他3種再生劑均出現(xiàn)了1個放熱峰，表明這3種再生劑在高溫區(qū)段發(fā)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(wěn)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(zhì)量分數(shù)4.5%的SBS改性劑得到改性瀝青，依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)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(zhì)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(guī)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(guī)律

依據(jù)SHRP瀝青結合料測試方法［8］，通過布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗（RV），動態(tài)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(yōu)組分為抗氧劑占溶脹改性液質(zhì)量的0.5%，紫外線吸收劑占溶脹改性液質(zhì)量的0.5%，抗剝落劑占溶脹改性液質(zhì)量的0.3%.

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

（4）ZZ再生劑具有優(yōu)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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