桐油再生SBS改性瀝青性能研究

殷宏輝，田中亞

（1.湖南卓能勘察設計研究有限公司，湖南 長沙 410000；2.齊魯交通發(fā)展集團 濟南分公司，山東 濟南 250001）

引言

瀝青的老化在性能指標上主要表現(xiàn)為針入度、延度降低，軟化點、黏度增大；在組分變化上表現(xiàn)為芳香芬含量下降而瀝青質含量增多[1-3]。傳統(tǒng)的再生劑通常以礦物油或芳烴油為基礎[4]，但前者穩(wěn)定性較差、易揮發(fā)，后者含較多的致癌性及污染性物質，這促使研究者尋求更經(jīng)濟環(huán)保的再生劑。

近年來，植物油以其產(chǎn)量大、可再生、綠色環(huán)保以及良好的再生效果受到很多研究者的關注。Asli等[5]研究煎炸廢油對老化瀝青的影響，認為植物油再生瀝青與基質瀝青性能沒有明顯差異。Karlesson和曾夢瀾等人[6-9]利用蓖麻油、大豆油、廢食用油等對瀝青進行了改性或再生，發(fā)現(xiàn)植物油的摻入使老化瀝青的性能得到有效恢復。

植物油類瀝青劑表現(xiàn)出了良好的應用前景，而目前對桐油作為再生劑的研究較少[10]。與菜籽油、大豆油等食用油相比，桐油作為再生劑有很大優(yōu)勢：（1）桐油是一種生存能力很強的非食用型植物油，能夠在貧瘠土地上生長，不與糧食作物爭地[11]。而食用油往往價格較高，且種植條件要求較高[12]。（2）桐油的主要成分是含有弱極性脂肪鏈段的桐油酸甘油酯，這使得桐油與瀝青的相容性很好[13]。SBS改性瀝青因為性能優(yōu)異在之前的瀝青路面中被廣泛應用，隨著使用年限的增加，未來必然會有大量的SBS改性瀝青路面需要翻新[14-15]，如何將這些老化的SBS改性瀝青混合料再生利用是很有研究的必要。但目前對桐油再生老化SBS改性瀝青的研究尚未展開，因此，對桐油作為老化SBS改性瀝青的再生劑的效果進行了研究。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

采用SBS（I-D類）改性瀝青為原樣瀝青，參照我國規(guī)范JTG E20-2011[16]對其進行薄膜烘箱老化（TFOT）和壓力老化容器老化（PAV）獲得老化后的SBS改性瀝青（用SBSa表示）。SBS改性瀝青在老化前后的物理指標見表1。桐油源自四川綿陽的景勝桐油廠，呈淡黃色透明狀，其技術指標見表2。

表1 SBS改性瀝青與SBSa瀝青的基本技術指標

表2 桐油性能指標

1.2 再生瀝青的制備

將2%、4%、6%、8%四種摻量（質量分數(shù)，下同）的桐油（T）分別加入到SBSa中，首先用高速剪切機以3 000 r/min的速度剪切20 min，然后用攪拌機以500 r/min的速度攪拌10 min，剪切、攪拌時溫度保持在165～170℃，由此制得不同摻量的桐油再生SBSa。為表述方便，將摻入2%桐油的SBSa簡寫為SBSa+2T，其他桐油摻量以此類推。

2 常規(guī)性能分析

2.1 針入度

瀝青的針入度在同試驗條件下越大，表明其稠度越大[17]。圖1為瀝青25℃針入度試驗結果?？梢园l(fā)現(xiàn)，老化后，SBS的針入度從57（0.1 mm）下降到38（0.1 mm），僅為原樣瀝青的66.7%。隨著T摻量的增加，針入度呈線性增長趨勢，因為T中含較多的輕質油分使得瀝青變軟。每增加2%T時，SBSa的針入度增大約20%。SBSa+4T的針入度是原樣SBS改性瀝青的96.5%，摻加4%T能使SBSa的針入度恢復到與原樣SBS改性瀝青的狀態(tài)。

2.2 軟化點

瀝青的軟化點越高，其高溫穩(wěn)定性越好[17]。圖2給出了不同摻量T對SBSa軟化點的影響?？梢钥闯?，老化后，SBS改性瀝青的軟化點從76.9℃上升至89.3℃（SBSa），增長幅度超過10℃，這說明老化提高了SBS改性瀝青的高溫性能。同時，隨著T摻量的增加，SBSa的軟化點顯著降低。當T的摻量為2%、4%、6%、8%時，SBSa的軟化點分別下降了7.9℃、11.8℃、14.6℃和17.7℃。這表明摻入T降低了SBSa的高溫穩(wěn)定性。SBSa+4T與SBS的軟化點僅相差0.6℃，說明摻入4%的T能使SBSa的軟化點恢復到原樣瀝青水平。為了保障再生瀝青的高溫穩(wěn)定性不弱于原樣瀝青，T的摻量建議不要超過4%。

圖1 針入度試驗結果（25℃）

圖2 軟化點試驗結果

2.3 延度

低溫延度與瀝青的低溫抗裂性能密切相關[17]。圖3顯示了不同摻量T的再生SBS改性瀝青的5℃延度?？梢钥闯?，老化后，SBS改性瀝青的延度顯著下降，SBSa的延度僅有2.8 cm，說明老化降低了SBS改性瀝青的韌性和低溫抗裂性能，SBSa已經(jīng)無法滿足使用要求。隨著T摻量的增大，SBSa的顯著增加，當T的摻量為2%、4%、6%、8%時，老化瀝青的延度分別增大了3.4倍、6.1倍、7.8倍和8.5倍。表明摻入T有效改善SBSa的低溫抗裂性能，因為T中的小分子流動性好，使得大分子鏈結構間的間距變大，進而改善了瀝青的低溫抗裂能力[15]。SBSa+6T的延度比原樣SBS僅僅大了0.9 cm，說明摻入6%的T能使SBSa的延度恢復到原樣SBS瀝青水平。

2.4 旋轉黏度

圖4顯示了不同摻量T的再生SBS改性瀝青的旋轉黏度。由圖4可知，在各試驗溫度下，SBSa的黏度值幾乎是SBS黏度值的兩倍，已經(jīng)不能滿足規(guī)范[18]對SBS改性瀝青的135℃黏度的要求（≤3 Pa·s）。在同一溫度時，隨著T摻量的增加，瀝青黏度值逐漸減小，這是由于低黏度的T摻入補充了老化瀝青中損失的輕質油分，從而降低了瀝青樣品的黏度[4]。當T的摻量≥4%時，SBSa的135℃黏度已經(jīng)能滿足規(guī)范要求。此外，溫度的增加會削弱T的降黏效果，以SBSa+2T為例，SBSa+2T的135℃黏度（4.0 Pa·s）比SBSa（5.704 Pa·s）低了29.9%，而SBSa+2T的180℃黏度（0.473 Pa·s）僅僅比SBSa（0.528 6 Pa·s）低了的10.5%。

圖3 延度試驗結果（5℃）

圖4 旋轉黏度試驗結果

3 流變性能分析

3.1 動態(tài)剪切流變（DSR）試驗

對不同摻量T的再生SBS改性瀝青進行DSR試驗，溫度掃描范圍為30℃～80℃，溫度增量為2 ℃/min，得到再生SBS改性瀝青的復數(shù)模量G*和相位角δ，據(jù)G*和δ可計算出車轍因子G*/sinδ。SHRP相關規(guī)范采用車轍因子G*/sinδ來評估瀝青的抗車轍能力，G*/sinδ越大，瀝青的抗車轍性能越強[17]。圖5顯示了不同摻量T的再生SBS改性瀝青的G*/sinδ。由圖可知，G*/sinδ隨溫度的升高而下降，且隨T的摻量的增大而減小，表明溫度的升高以及再生劑的摻入均會降低其抗永久變形的能力。SBSa的G*/sinδ最大，這與軟化點以及黏度試驗結果一致，表明其抗車轍能力最好。SBSa中添加4%的T可使其G*/sinδ的趨勢幾乎與SBS一致，大于此摻量，再生SBS改性瀝青的抗車轍能力將弱于原樣SBS改性瀝青。

圖5 車轍因子

3.2 低溫彎曲蠕變（BBR）試驗

重點對原樣、老化及2組再生SBS改性瀝青進行了BBR試驗，試驗溫度為-6℃、-12℃、-18℃。勁度模量S和蠕變速率m的試驗結果見圖6～圖7。在-6℃時小梁變形過大使得試驗中途停止，因此無測試結果。當溫度由-12℃降低至-18℃時，所有瀝青的S值均增大、m值均減小，這表明瀝青路面在低溫條件下更容易出現(xiàn)裂縫。同一溫度下，與原樣SBS比，SBSa的S值更大而m值更小，表明老化SBS改性瀝青更容易開裂。隨T摻量的增大，SBSa的S值逐漸減小、m值逐漸增大，這表明摻入T的提高了SBSa的低溫柔性和低溫抗開裂性能。以-12℃的數(shù)據(jù)為例，SBSa+4T的S值和m值分別為92 MPa和0.392，而SBS的S值和m值分別為82 MPa和0.326，兩者的S值和m值較為接近，說明SBSa中添加4%的桐油可以將其低溫性能恢復至原有水平。

圖6 勁度模量S值試驗結果

圖7 蠕變速率m值試驗結果

4 結語

（1）隨桐油摻量的增大，老化SBS改性瀝青（SBSa）的針入度、延度逐漸增大，軟化點和黏度減小。當桐油摻量為4%時，SBSa的針入度和軟化點可以恢復至原樣SBS改性瀝青的水平，SBSa的135℃黏度可以滿足規(guī)范[8]要求。當桐油摻量為6%時，SBSa的5℃延度可以恢復至原樣SBS改性瀝青的水平。（2）DRS試驗結果顯示：桐油的摻入會降低SBSa的抗車轍性能，當桐油摻量為4%時，SBSa的抗車轍性能可以恢復至原樣SBS改性瀝青的水平。（3）BBR試驗結果顯示：隨T摻量的增大，SBSa的S值逐漸減小、m值逐漸增大，桐油的摻入改善了SBSa的低溫抗裂性能，4%的桐油可使SBSa的低溫性能恢復到原樣瀝青水平。（4）綜合考慮桐油的再生效果和經(jīng)濟效益，推薦桐油的最佳摻量為4%。