SBS改性瀝青在不同老化狀態(tài)下的多次再生評(píng)價(jià)

黃曉

（成都師范學(xué)院 物理與工程技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)高速公路發(fā)展由新建為主轉(zhuǎn)為建養(yǎng)并重，并逐漸發(fā)展到養(yǎng)護(hù)為主的時(shí)代，2000年以后修建的高速公路已經(jīng)服役了10余年，據(jù)統(tǒng)計(jì)全國(guó)范圍內(nèi)通車(chē)10年以上的公路里程占30%以上。SBS改性瀝青廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路瀝青路面，改性瀝青路面已經(jīng)逐漸進(jìn)入了大中修期，預(yù)計(jì)每年產(chǎn)生的廢舊SBS改性瀝青混合料上千萬(wàn)噸，再生利用迫在眉睫，而舊SBS改性瀝青混合料熱再生是其價(jià)值最大化的技術(shù)途徑。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SBS改性瀝青的老化和再生機(jī)理、再生劑對(duì)SBS改性熱再生混合料路用性能及疲勞性能等方面開(kāi)展了大量研究，也研發(fā)了大量瀝青再生劑產(chǎn)品。祁文洋等[1]研究了SBS改性瀝青的老化特征與再生機(jī)理。鄭傳峰等[2]研究了再生SBS改性瀝青混合料的路用性能和疲勞性能，結(jié)果表明，再生SBS改性瀝青混合料可用于高等級(jí)公路面層，但再生瀝青混合料的低溫性能和疲勞性能降低。何兆益等[3]基于紅外光譜分析了不同再生劑對(duì)SBS改性瀝青的再生機(jī)理，結(jié)果表明，摻加再生劑促進(jìn)了聚合物大分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，起到了增溶和潤(rùn)滑作用。趙永利等[4]研究了SBS改性瀝青的老化特征，對(duì)比了再生劑再生和調(diào)和再生方式對(duì)老化SBS改性瀝青性能的恢復(fù)效果，結(jié)果表明，利用軟瀝青和老化瀝青相互調(diào)和不可能實(shí)現(xiàn)老化瀝青再生，使用再生劑是對(duì)老化瀝青性能恢復(fù)的必要手段，在再生技術(shù)中，軟瀝青不能代替再生劑。馬濤等[5]研究了再生劑和新瀝青對(duì)老化SBS改性瀝青低溫性能的影響，結(jié)果表明，再生劑與新瀝青對(duì)再生瀝青的作用機(jī)理不同，對(duì)嚴(yán)重老化后的SBS改性瀝青，為保證再生瀝青在長(zhǎng)期老化條件下的抗裂性，必須使用最佳摻量的再生劑。甘新立等[6]基于復(fù)合材料理論研究了再生劑與新瀝青對(duì)老化SBS改性瀝青的再生規(guī)律，結(jié)果表明再生劑再生與新舊瀝青調(diào)和再生二者作用規(guī)律基本相同，但新舊瀝青調(diào)和再生對(duì)老化瀝青低溫性能改善效果較差，再生劑再生后再生瀝青的溫度敏感性優(yōu)于新瀝青。鄭南翔等[7]研究了再生劑和新瀝青對(duì)老化SBS改性瀝青再生性能，結(jié)果表明，老化瀝青的延度較難恢復(fù)到新瀝青水平，高標(biāo)號(hào)瀝青比低標(biāo)號(hào)瀝青有更好的再生效果，老化瀝青的再生性能滿足復(fù)合律方程。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用室內(nèi)試驗(yàn)和微細(xì)觀分析等手段對(duì)熱老化作用下SBS改性瀝青的老化與再生機(jī)理進(jìn)行的研究較多，但不同老化狀態(tài)下SBS改性瀝青多次再生評(píng)價(jià)方面研究較少。本文針對(duì)輕微老化、PAV壓力老化及介于輕度與重度老化之間的臨界老化狀態(tài)的SBS改性瀝青開(kāi)展多次老化與再生試驗(yàn)研究，通過(guò)針入度試驗(yàn)、測(cè)力延度試驗(yàn)、彈性恢復(fù)率試驗(yàn)評(píng)價(jià)多次老化與再生SBS改性瀝青的性能，為多次再生瀝青的研究與應(yīng)有提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

（1）再生劑：YCLOGEN-L型，美德維實(shí)偉克（中國(guó)）投資有限公司（MWV）生產(chǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》要求。

表1 YCLOGEN-L型再生劑的主要技術(shù)指標(biāo)

（2）SBS改性瀝青：I-D類(lèi)，中石化生產(chǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 SBS改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 老化瀝青的制備

為了最大限度模擬瀝青混凝土在施工階段和路面服役期間所受到的熱老化與紫外光老化作用，室內(nèi)試驗(yàn)采用紫外光與熱老化耦合老化方式對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行模擬老化試驗(yàn)。研究表明，旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化（RTFOT）試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好模擬施工過(guò)程瀝青的熱老化，PAV壓力老化能夠模擬瀝青路面承受自然條件5～8年的老化作用。本文采用自制的紫外線模擬老化環(huán)境箱進(jìn)行紫外光、熱老化試驗(yàn)，環(huán)境箱加熱溫度為60～175℃，試驗(yàn)時(shí)將SBS改性瀝青（質(zhì)量為35 g）注入盛樣瓶中，每組8個(gè)平行試樣，進(jìn)行以下3種形式的瀝青老化試驗(yàn)：

輕度老化、臨界老化：試樣以（15±0.2）r/min速度轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)開(kāi)始以流速4000 ml/min將熱空氣噴入轉(zhuǎn)動(dòng)的盛樣瓶的試樣中，使瀝青試樣在（163±0.5）℃環(huán)境溫度中受熱，分別加熱12 h、24 h后完成瀝青熱老化試驗(yàn)，以老化12 h、24 h分別模擬輕度老化、介于輕度與重度老化之間的臨界狀態(tài)。

重度老化：重度老化試驗(yàn)溫度為60℃，盛樣瓶轉(zhuǎn)動(dòng)速度（15±0.2）r/min，紫外光強(qiáng)度為1000 W/m2（紫外光波長(zhǎng)350 nm，由汞燈發(fā)射），對(duì)經(jīng)歷RTFOT后的瀝青進(jìn)行PAV壓力老化，PAV壓力老化試驗(yàn)嚴(yán)格按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

1.3 再生瀝青的制備

根據(jù)室內(nèi)初步試驗(yàn)結(jié)果和國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐情況，在老化瀝青中摻加再生劑+SBS改性瀝青對(duì)老化瀝青進(jìn)行再生。經(jīng)歷老化試驗(yàn)后，首先在老化瀝青中摻入再生劑，再生劑摻量為12%（再生劑與老化瀝青質(zhì)量的百分比），然后再摻入新SBS改性瀝青，新加SBS改性瀝青與老化SBS改性瀝青質(zhì)量比為1∶1，制備完成再生瀝青后備用。對(duì)經(jīng)歷不同老化與再生后的SBS改性瀝青進(jìn)行25℃針入度試驗(yàn)、測(cè)力延度試驗(yàn)、彈性恢復(fù)率試驗(yàn)。

2 多次老化與再生后SBS改性瀝青性能

2.1 針入度試驗(yàn)

針入度試驗(yàn)溫度為25℃，試驗(yàn)嚴(yán)格按照J(rèn)TG E20—2011進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 多次老化與再生后SBS改性瀝青的針入度 0.1 mm

由表3可見(jiàn)，相同老化、再生次數(shù)，PAV壓力老化方式下的瀝青針入度值最小，可見(jiàn)瀝青老化越嚴(yán)重，再生后越難以恢復(fù)到老化前的針入度水平。隨著老化與再生次數(shù)增加，瀝青的針入度減小，對(duì)于輕微老化的SBS改性瀝青，第2次再生后的瀝青針入度基本可恢復(fù)到原樣瀝青的水平，經(jīng)歷4次老化與再生后，熱老化24 h、PVA老化后的SBS改性瀝青針入度值明顯小于輕微老化后再生的SBS改性瀝青，可見(jiàn)老化次數(shù)越多，越難恢復(fù)到老化前的針入度水平，輕微老化后的SBS改性瀝青再生后相對(duì)更易于還原到原樣瀝青的針入度水平。

2.2 測(cè)力延度試驗(yàn)

研究表明[2-4]，SBS改性瀝青具有極強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，老化作用顯著改變了SBS改性瀝青的流變特性，增加了膠體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，經(jīng)歷老化與再生后的SBS改性瀝青在常規(guī)低溫延度試驗(yàn)過(guò)程中易產(chǎn)生脆斷現(xiàn)象，延度值大小區(qū)分度不高，很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能，而測(cè)力延度試驗(yàn)可較好地區(qū)分老化后不同改性瀝青的低溫性能差異，試驗(yàn)合理可行，有助于對(duì)改性瀝青進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)。因此本文采用測(cè)力延度試驗(yàn)（FDT試驗(yàn)）評(píng)價(jià)多次再生后SBS改性瀝青的低溫性能。FDT荷載-延伸度示意見(jiàn)圖1，評(píng)價(jià)指標(biāo)有峰值拉力（Fmax）、延伸度D（為峰值力對(duì)應(yīng)的試件拉伸長(zhǎng)度）、拉伸柔量f（峰值拉力Fmax/延伸度D）、韌性ST（為測(cè)力延度試驗(yàn)第三階段FDT曲線與x軸包絡(luò)線面積，即圖1所示CH、CF與x軸的包圍面積）、韌性比RT/V（韌性ST/粘彈性面積，即ST/Sv，其中Sv為FDT試驗(yàn)OABCD曲線、DE曲線延長(zhǎng)線與x軸交點(diǎn)形成的DH曲線、x軸OH曲線所包圍的面積）。試驗(yàn)采用普通8字型延度試模，拉伸速度5 cm/min，試驗(yàn)溫度為10℃，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖1 FDT試驗(yàn)荷載-延伸度示意

表4 FDT試驗(yàn)結(jié)果

由表4可見(jiàn)，F(xiàn)DT試驗(yàn)峰值拉力隨老化和再生次數(shù)增加而增大，延伸度D隨老化和再生次數(shù)增大而減小，相同老化與再生次數(shù)下的峰值拉力PAV壓力老化＞臨界老化＞輕度老化，再生后的SBS改性瀝青峰值拉力小于再生前老化瀝青，再生后SBS改性瀝青的延伸度大于再生前老化瀝青。再生劑再生+SBS改性瀝青調(diào)和再生后，SBS改性瀝青延伸度較難恢復(fù)到原樣瀝青水平，隨著老化次數(shù)增大，再生后的SBS改性瀝青延伸度降低幅度越大。SBS改性瀝青老化越嚴(yán)重，瀝青越黏稠，抵抗塑性變形的能力越強(qiáng)，F(xiàn)DT試驗(yàn)峰值拉力越大，達(dá)到峰值拉力時(shí)的延展性越小，低溫抗裂性能越差，經(jīng)歷二次再生后，SBS改性瀝青的延展性大幅度降低，再生效果已經(jīng)不明顯。拉伸柔量隨老化次數(shù)增大而增大，再生劑+SBS改性瀝青復(fù)合再生后能延緩拉伸柔量的增加趨勢(shì)，老化條件越苛刻，老化與再生后SBS改性瀝青的拉伸柔量越大。韌性是聚合物改性瀝青的顯著特征之一，F(xiàn)DT試驗(yàn)達(dá)到峰值拉力過(guò)后經(jīng)過(guò)短暫的屈服階段進(jìn)入應(yīng)力松弛階段，拉力衰減速率和衰減幅度越小，蠕變穩(wěn)定階段持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，韌性值越大，SBS改性劑分子間的交聯(lián)作用越強(qiáng)，SBS改性瀝青的凝聚力和握裹力越大，材料在荷載作用下的應(yīng)力敏感性越低，低溫性能越好。韌性隨老化次數(shù)增大而減小，且老化條件越苛刻韌性下降幅度越大，老化作用顯著降低了SBS改性瀝青的低溫性能，相比老化前，摻加再生劑+SBS改性瀝青后韌性增大，但老化次數(shù)越多，復(fù)合式再生后的韌性值越小，老化次數(shù)越多、老化條件越苛刻，再生后的瀝青越難恢復(fù)到原樣瀝青水平。韌性比與彎曲梁流變?cè)囼?yàn)蠕變斜率m之間具有良好的正線性關(guān)系，其值越大，SBS改性瀝青在蠕變穩(wěn)定階段、屈服階段的應(yīng)力敏感性越低，相應(yīng)的SBS改性瀝青釋放荷載的能力越強(qiáng)，經(jīng)歷多次老化與再生后SBS改性瀝青的韌性比RT/V降低，經(jīng)歷輕微老化、臨界老化、PAV壓力老化后，老化與再生瀝青的RT/V隨老化再生次數(shù)增大而降低，臨界老化、PAV壓力老化再生3次后RT/V降低為0，表明多次老化后，老化SBS改性瀝青韌性成分和黏性成分已經(jīng)較難恢復(fù)到原樣瀝青水平。

2.3 彈性恢復(fù)率試驗(yàn)

JTG E20—2011規(guī)定，彈性恢復(fù)率試驗(yàn)，要求將8字型延度試樣以5 cm/min拉伸速率拉伸至10 cm后剪短，測(cè)試試樣在25℃水浴中恢復(fù)彈性變形1 h后的彈性恢復(fù)率。ASTM D6084—97規(guī)定，彈性恢復(fù)率試驗(yàn)將試樣拉伸至20 cm后，保持10 s后剪短，測(cè)試試樣在25℃水浴中恢復(fù)30 min后的彈性恢復(fù)率。AASHTO 301—95規(guī)定，試樣拉伸20 cm后繼續(xù)保持20 cm，然后剪短并放置30 min后測(cè)試彈性恢復(fù)率。為了揭示試樣放置期間多次老化再生后SBS改性瀝青流變特性，以綜合反映瀝青在某時(shí)刻的瞬時(shí)彈性恢復(fù)率及延遲彈性恢復(fù)率，試驗(yàn)時(shí)將延度試樣拉伸至10 cm后保持10 min再剪短，測(cè)試0～60 min間每隔5 min各時(shí)間點(diǎn)的彈性恢復(fù)長(zhǎng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 彈性恢復(fù)率試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可見(jiàn)，隨著彈性恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，彈性恢復(fù)率先顯著增大后緩慢增加，最終趨于平緩，彈性恢復(fù)率隨恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)出非線性變化趨勢(shì)，彈性恢復(fù)0～20 min，原樣瀝青和經(jīng)歷不同老化再生后SBS改性瀝青的彈性恢復(fù)率顯著增大，前20 min主要發(fā)生瞬時(shí)彈性恢復(fù)變形，20 min以后主要體現(xiàn)延遲彈性恢復(fù)特性。對(duì)于輕微老化條件，再生4次后，再生瀝青的彈性恢復(fù)率基本可恢復(fù)至原樣瀝青的80%左右，而臨界老化與PAV壓力老化條件下，再生瀝青彈性恢復(fù)率明顯小于原樣瀝青，老化作用對(duì)SBS改性瀝青的彈性恢復(fù)率影響較大，隨著老化次數(shù)的增加彈性恢復(fù)率顯著減小，摻加再生劑+SBS改性瀝青再生后，彈性恢復(fù)率有一定程度提高，但隨著再生次數(shù)增加彈性恢復(fù)率逐漸減小，且老化越嚴(yán)重、老化條件越苛刻，再生后的SBS改性瀝青彈性恢復(fù)率越小。由此可見(jiàn)，隨著老化再生次數(shù)增加，再生瀝青中的有效彈性成分減少，再生瀝青的彈性恢復(fù)性能越難恢復(fù)到原樣瀝青水平。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）SBS改性瀝青經(jīng)輕度老化、臨界老化及PAV壓力老化狀態(tài)重復(fù)老化與再生后，針入度和低溫性能降低，再生瀝青的典型流變特性隨老化再生次數(shù)增加逐漸消失，多次老化再生后SBS改性瀝青較難恢復(fù)到原樣瀝青的針入度水平、低溫性能及彈性恢復(fù)性能。

（2）測(cè)力延度試驗(yàn)拉伸柔量、延伸度、韌性比及彈性恢復(fù)率指標(biāo)對(duì)老化條件、老化再生次數(shù)較為敏感，可采用測(cè)力延度試驗(yàn)評(píng)價(jià)多次再生瀝青的低溫性能。多次老化與再生后SBS改性瀝青的低溫性能、彈性恢復(fù)性能顯著降低，老化越嚴(yán)重，再生SBS改性瀝青的低溫性能降低幅度越大。

（3）工程實(shí)踐中應(yīng)采取一定措施提高多次再生SBS改性瀝青的低溫抗裂性能，建議對(duì)輕微老化和臨界老化狀態(tài)的SBS改性瀝青經(jīng)過(guò)3次以上再生及嚴(yán)重老化狀態(tài)的SBS改性瀝青經(jīng)過(guò)2次以上再生時(shí)，可作為老化的普通瀝青使用。