時(shí)間和溫度對(duì)短期老化SBS改性瀝青官能團(tuán)的影響

張建淵 李延鑫

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路橋梁系，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性瀝青由于其良好的高溫、低溫、水穩(wěn)等特性而被廣泛應(yīng)用。而氧化作為瀝青老化的主要因素，使得瀝青路面使用性能和服務(wù)功能顯著下降[5-7]。因此，通過對(duì)SBS 改性瀝青短期老化的影響因素進(jìn)行探索，研究SBS 改性瀝青的熱氧老化過程，為制備優(yōu)良的SBS 改性瀝青有著至關(guān)重要的意義。

近年來，大量研究者研究了老化方式對(duì)SBS 改性瀝青性能的影響：房士偉等為研究改性瀝青性能隨老化溫度的變化規(guī)律，選取兩種SBS 改性瀝青分別進(jìn)行了不同老化溫度的薄膜烘箱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)針入度、延度、彈性恢復(fù)隨老化溫度的升高而降低，軟化點(diǎn)隨老化溫度的變化沒呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律，170℃老化溫度是改性瀝青老化性能的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[8]。黃衛(wèi)東等采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)合伯格斯模型對(duì)不同老化狀態(tài)下的不同SBS 改性瀝青進(jìn)行低溫性能分析，驗(yàn)證了PG 低溫分級(jí)體系和粘彈性指標(biāo)間的相適應(yīng)性[9]。Airey 等人進(jìn)行了大量的RTFOT 和PAV 實(shí)驗(yàn)討論了SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青老化性能的差異[10]。劉圣潔分析了瀝青的老化行為及抗老化性能，利用灰色系統(tǒng)理論和突變理論考查了瀝青老化過程中性能指標(biāo)的變化規(guī)律，從突變理論的角度分析了不同時(shí)間瀝青老化的性能變化規(guī)律[11]。陳守明對(duì)兩種不同SBS 摻量的SBS 改性瀝青進(jìn)行了在不同溫度和時(shí)間下的 RTFOT 老化試驗(yàn)，檢測(cè)了殘留物的軟化點(diǎn)、針入度、延度、135℃ 運(yùn)動(dòng)粘度及車轍因子，探討了RTFOT 與TFOT 在SBS 改性瀝青老化試驗(yàn)中的可互相替代條件[12]。

目前雖然有大量學(xué)者分別對(duì)SBS 改性瀝青老化性能做了相關(guān)研究，但鮮有研究綜合考慮老化時(shí)間和溫度對(duì)SBS 改性瀝青短期老化過程中官能團(tuán)的影響。因此，本文基于紅外光譜試驗(yàn)，探索不同老化條件對(duì)瀝青短期老化性能的影響，以期為SBS 改性瀝青在后期瀝青路面中的應(yīng)用提供依據(jù)和參考。

1 原材料和試驗(yàn)方案

表1 SBS 改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 原材料

選用SK90#基質(zhì)瀝青，添加3.5%糠醛抽出油，4.5%線型SBS 改性劑和0.2%的穩(wěn)定劑經(jīng)攪拌、剪切和發(fā)育等工藝制備得到SBS 改性瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.2 試驗(yàn)方案

1）SBS 改性瀝青的制備

SBS 改性瀝青的制備選用高速剪切機(jī)，首先將一定量的相容劑（糠醛抽出油）加入基質(zhì)瀝青中并快速攪拌加熱到175℃～180℃，然后加入設(shè)定摻量的線型SBS 改性劑并機(jī)械攪拌5min 后，以5500 轉(zhuǎn)/min 的速度連續(xù)剪切25min 后，加入設(shè)定摻量的穩(wěn)定劑并繼續(xù)剪切10min。剪切完畢后，將瀝青放在170℃的烘箱中靜置發(fā)育2h，便可制得SBS 改性瀝青。

2）RTFOT 老化試驗(yàn)條件的確定

RTFOT 試驗(yàn)根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)定的方法進(jìn)行老化，老化條件設(shè)置如下：溫度條件為163℃、173℃、183℃，老化時(shí)間為1.5h、3h、4.5h。

3）紅外光譜試驗(yàn)

采用Thermo Nicolet 紅外光譜儀對(duì)短期老化的SBS改性瀝青要試驗(yàn)參數(shù)包括：掃描范圍400cm-1～4000 cm-1，掃描次數(shù)32 次，最小分辨率0.019 cm-1。

現(xiàn)代人力資本理論的先驅(qū)西奧多·舒爾茨指出：“人的知識(shí)、能力、健康等人力資本的提高對(duì)經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)比物力、勞動(dòng)力數(shù)量的增加要重要得多，在改變窮人的福利中，決定性的生產(chǎn)要素不是空間、能源和耕地，而是人的質(zhì)量的改進(jìn)。”

4）官能團(tuán)指數(shù)計(jì)算

為定量表征原樣SBS 改性瀝青、短期老化SBS 改性瀝青以及再生過程中化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，參考Wu 等人[19]的分析方法，選用亞砜基官能團(tuán)和丁二烯基官能團(tuán)作為老化定量表征的指標(biāo)，其計(jì)算方法[20]如下：

亞砜基官能團(tuán)指數(shù)：

丁二烯基官能團(tuán)指數(shù)：

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜圖分析

采用Thermo Nicolet 紅外光譜儀對(duì)原樣SBS 改性瀝青、對(duì)不同老化時(shí)間(1.5h,3h,4.5h)、不同老化溫度（163℃、173℃、183℃）旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFOT）的短期老化SBS 改性瀝青進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1-2所示。

1）老化時(shí)間對(duì)SBS 改性瀝青老化性能的影響

圖1 SBS 改性瀝青不同老化時(shí)間RTFOT 老化后的紅外光譜圖

由圖1可以看出，SBS 改性瀝青在老化前后瀝青的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。與原樣瀝青相比，RTFOT老化后的圖譜中727 cm-1～868cm-1處代表芳香族分子的4 個(gè)吸收峰逐漸變小，表明老化后的原樣瀝青中芳香分等輕質(zhì)組分減少[21]，主要是由于瀝青在老化過程中，輕質(zhì)組分會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)等高分子重組分；在較高溫度的老化環(huán)境中，瀝青中的輕質(zhì)組分存在揮發(fā)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致瀝青的質(zhì)量損失；同時(shí)在本研究中的原樣瀝青為SBS 改性瀝青，在老化初期，SBS 改性劑會(huì)在瀝青中繼續(xù)溶脹分散，從而吸收了部分輕質(zhì)組分。此外，圖1中可以看出，RTFOT 老化瀝青在1030cm-1的吸收峰明顯比未老化瀝青的大，此處吸收峰代表亞砜基（S=O）含氧官能團(tuán)的伸縮振動(dòng)，表明瀝青在老化過程中發(fā)生了氧化反應(yīng)。與未老化瀝青相比，老化后瀝青在968 cm-1 和702 cm-1處的吸收峰明顯變小，這意味著丁二烯官能團(tuán)和聚苯乙烯官能團(tuán)在老化后的濃度變小[21]，表明原樣瀝青中的SBS 改性劑在老化過程中發(fā)生了降解。而隨著老化時(shí)間的增長，可以明顯看到1700cm-1處的羰基（C=C）、1030 cm-1增大，尤其1700cm-1處在3h、4.5h RTFOT 老化后出現(xiàn)了明顯的羰基（C=C）特征峰，968 cm-1和702 cm-1處特征峰減小，表明隨著老化時(shí)間的增長，瀝青的老化程度加深，SBS 改性劑的降解程度加深。

2）老化溫度對(duì)老化SBS 改性瀝青老化性能的影響

圖2 SBS 改性瀝青不同老化溫度RTFOT 老化后的紅外光譜圖

分析圖2可以看出，不同老化溫度下的RTFOT 老化SBS 改 性 瀝 青 在968 cm-1、702 cm-1、1030cm-1、1700cm-1處出現(xiàn)明顯的特征峰，隨著溫度的增加，特征峰逐漸增大。表明溫度對(duì)SBS改性瀝青的老化有顯著影響，溫度越高，瀝青老化越嚴(yán)重，SBS 改性劑降解越厲害，亞砜基的分解和丁二烯中含有不飽和的鍵，使得瀝青在高溫條件下遇氧極易發(fā)生氧化反應(yīng)而老化，SBS 改性劑因高溫遇氧發(fā)生氧化而降解，氧化交聯(lián)降低了改性瀝青原有的性能，當(dāng)老化溫度越高時(shí)，瀝青更容易氧化，SBS 改性劑發(fā)生氧化降解的速度越快。

2.2 官能團(tuán)指數(shù)分析

對(duì)原樣SBS 改性瀝青、不同老化條件的RTFOT 老化后的SBS 改性瀝青紅外光譜利用公式（1）、（2）進(jìn)行官能團(tuán)指數(shù)計(jì)算。其結(jié)果如表2所示。

表2 不同老化時(shí)間和溫度的SBS 改性瀝青官能團(tuán)指數(shù)

結(jié)合表5進(jìn)行官能團(tuán)指數(shù)分析可知，SBS 改性瀝青在不同老化條件的RTFOT老化過程中亞砜基指數(shù)明顯增加，丁二烯基指數(shù)明顯減少，隨著老化時(shí)間的增長，亞砜基指數(shù)依次增加了5.5‰、7.1‰、17.7‰，丁二烯基指數(shù)依次減少了1.3‰、2.6‰、3.6‰；隨著空氣流速的增加，官能團(tuán)指數(shù)基本未出現(xiàn)變化；隨著老化溫度的增加，亞砜基指數(shù)依次增加了5.5‰、7.8‰、23.0‰，丁二烯基指數(shù)依次減少了1.3‰、3.2‰、4.3‰；表明SBS 改性瀝青隨著老化時(shí)間和溫度的增長，SBS 改性瀝青老化程度明顯加深，空氣流速其老化影響甚微；老化溫度提高10℃的RTFOT老化SBS 改性瀝青老化程度高于老化時(shí)間延長1.5h 的RTFOT 老化SBS 改性瀝青。

3 結(jié)論

1）不同老化條件下，老化SBS 改性瀝青亞砜基特征峰、亞砜基指數(shù)增大，丁二烯基特征峰、丁二烯基指數(shù)減小。

2）較原樣SBS 改性瀝青，隨著RTFOT 老化時(shí)間、溫度的增長，瀝青老化程度不斷加深，SBS 改性劑持續(xù)降解。

3）老化溫度提高10℃的RTFOT 老化SBS 改性瀝青老化程度大于老化時(shí)間延長1.5h 的RTFOT 老化SBS 改性瀝青。