SBS改性瀝青路面可持續(xù)再生利用綜述

周君超，熊銘，李良江

（中交資產(chǎn)管理有限公司湖北區(qū)域管理總部，湖北 咸寧 437000）

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，早期建設(shè)的SBS改性瀝青路面受到自然環(huán)境和交通荷載的長(zhǎng)期作用，已發(fā)生嚴(yán)重的老化，導(dǎo)致路面產(chǎn)生大量裂縫和坑槽等常見(jiàn)病害。針對(duì)這種情況，破損路面會(huì)通過(guò)銑刨等機(jī)械回收處理，被堆棄或填埋于遠(yuǎn)郊地區(qū)。這種處理方式一定程度上造成了資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染，顯然不符合環(huán)境友好型和資源節(jié)約型社會(huì)的終極目標(biāo)。

在我國(guó)公路行業(yè)的發(fā)展中，瀝青路面再利用問(wèn)題一定是未來(lái)研究和應(yīng)用實(shí)踐的大熱點(diǎn)。近二十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究專(zhuān)家和學(xué)者已開(kāi)展了大量相關(guān)再生研究，取得了瀝青路面再生利用的經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)如今，在我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)的整體發(fā)展形勢(shì)下，高等級(jí)公路新建、改擴(kuò)建等工程的快速推進(jìn)，所面臨的則是舊SBS改性瀝青混合料的大量產(chǎn)生。因此，如何高質(zhì)量回收利用廢舊SBS改性瀝青混合料是公路行業(yè)的重要問(wèn)題。

1 廢舊SBS改性瀝青路面材料的再生利用情況與意義

1.1 SBS改性瀝青路面概述

瀝青因其質(zhì)地柔軟、耐磨耗、噪聲低、施工方便等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于城市道路和高速公路路面之中。在我國(guó)，隨著交通強(qiáng)國(guó)的不斷發(fā)展，瀝青路面的鋪筑里程持續(xù)大幅增加[1]。截至2019年，我國(guó)高速公路總里程已居世界首位，達(dá)到14.26萬(wàn)公里，其中瀝青路面占90%以上。

近十幾年來(lái)，隨著交通事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，交通運(yùn)輸量急劇增長(zhǎng)，車(chē)輛的大型化問(wèn)題也日趨嚴(yán)峻，導(dǎo)致瀝青路面早期破壞相較提前。為延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，在20世紀(jì)90年代國(guó)際上就已開(kāi)始研究和應(yīng)用改性瀝青，并將其用于路面磨耗層中。SBS是國(guó)內(nèi)外目前應(yīng)用最為廣泛的改性劑，其是由丁二烯和苯乙烯通過(guò)聚合反應(yīng)形成的三嵌段結(jié)構(gòu)的熱塑性共聚物。在室溫條件下，SBS共聚結(jié)構(gòu)中聚苯乙烯硬段（PS段）會(huì)相互聚集、纏結(jié)而形成物理交聯(lián)中心，促使SBS表現(xiàn)出塑料的高溫穩(wěn)定性，而聚丁二烯軟段（PB段）則相互纏繞，表現(xiàn)出較好的橡膠彈性。正因如此，將SBS用于瀝青改性后，瀝青的整體路用性能，包括主要表現(xiàn)在低溫抗開(kāi)裂性、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、耐疲勞性與高溫抗車(chē)轍性等方面，都能得到顯著改善。

1.2 國(guó)內(nèi)外SBS改性瀝青路面再生狀況

SBS改性瀝青同普通瀝青一樣也會(huì)面臨老化問(wèn)題，其路面在長(zhǎng)期使用后會(huì)發(fā)生荷載性破壞[2]，需要及時(shí)進(jìn)行翻修、改造，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致廢舊SBS改性瀝青混合料的大量產(chǎn)生。因此，廢舊SBS改性瀝青混合料的回收利用對(duì)瀝青路面的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

在許多國(guó)家中，瀝青路面再生技術(shù)已有較為成熟的應(yīng)用。針對(duì)日本對(duì)廢舊瀝青路面材料的再生利用情況，由于其資源與能源相對(duì)匱乏的基本國(guó)情，從1976年開(kāi)始，就已開(kāi)展了廢舊瀝青材料的再生利用研究，其廢料利用率一直達(dá)到70%以上。在20世紀(jì)80年代末，美國(guó)開(kāi)展了有關(guān)廢舊瀝青混合料的再生應(yīng)用研究工作，并使80%廢舊瀝青混合料得到了再利用。對(duì)于歐洲瀝青路面協(xié)會(huì)（EAPA）的各成員國(guó)（如法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等），早已開(kāi)展廢舊瀝青路面材料再生技術(shù)的研究，并將其回收利用率提升至100%。在20世紀(jì)中期，我國(guó)也曾采用廢舊瀝青路面材料來(lái)重新鋪筑路面，但基于多重風(fēng)險(xiǎn)因素的考慮，再生瀝青材料一般只用于低等級(jí)路面（如輕交通道路、人行道等）或高等級(jí)公路的墊層中。隨著研究和應(yīng)用的不斷開(kāi)展，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的大需求促進(jìn)了公路路面的大規(guī)模建設(shè)，特別是高速公路的新建。然而，對(duì)于瀝青路面再生技術(shù)的研究與應(yīng)用方面，始終沒(méi)能進(jìn)入實(shí)質(zhì)性進(jìn)展階段。

近20多年來(lái)，我國(guó)公路建設(shè)持續(xù)發(fā)展，早期建設(shè)的公路路面，特別是20世紀(jì)90年代建成的高速公路已逐步進(jìn)入大、中修養(yǎng)護(hù)期。據(jù)不確定統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年需要翻修、重建的舊瀝青路面占15%以上，由此產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料預(yù)計(jì)將超過(guò)2000萬(wàn)噸[3]。其中，SBS改性瀝青路面因約占瀝青路面總量的15%，其產(chǎn)生的廢料也十分龐大，亟需高質(zhì)量回收利用。然而，我國(guó)目前并未頒布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以科學(xué)地指導(dǎo)廢舊SBS改性瀝青路面材料的綜合再生利用。

截至目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員已開(kāi)展了大量廢舊基質(zhì)瀝青材料的再生技術(shù)研究，但SBS改性瀝青再生技術(shù)研究并不成熟，特別是其老化規(guī)律及老化機(jī)理、再生技術(shù)、再生機(jī)理等方面的理解還不夠深入。因此，開(kāi)展廢舊SBS改性瀝青及其混合料的再生技術(shù)研究對(duì)其瀝青路面的可持續(xù)發(fā)展具有顯著的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

2 SBS改性瀝青的老化機(jī)理

SBS改性瀝青路面在形成之前，瀝青膠結(jié)料會(huì)經(jīng)歷與集料之間的拌合、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、攤鋪與壓實(shí)等高溫實(shí)施的一系列過(guò)程。在此過(guò)程中，SBS改性瀝青受到持續(xù)施工熱作用，會(huì)發(fā)生早期熱老化，導(dǎo)致其整體路用性能發(fā)生一定程度的劣化。隨著路面的建成與使用，其在服役過(guò)程中遭受太陽(yáng)光照、晝夜溫差等因素的長(zhǎng)期作用下，由于老化原因，坑槽、裂縫等病害將會(huì)產(chǎn)生，導(dǎo)致路面路用性能急劇下降[4]。

SBS改性瀝青材料的老化主要有兩個(gè)方面：一是基質(zhì)瀝青的老化。瀝青在老化過(guò)程中，其四大化學(xué)組分發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)變，主要表現(xiàn)為輕組分的少量揮發(fā)、芳香分的膠質(zhì)化過(guò)渡轉(zhuǎn)化、膠質(zhì)的瀝青質(zhì)化最終轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致瀝青性能劣化，即瀝青延度與針入度降低、軟化點(diǎn)增大；二是SBS的自動(dòng)氧化降解。在SBS改性瀝青的老化過(guò)程中，除了基質(zhì)瀝青的老化以外，SBS的老化主要是在氧氣的作用下，其碳碳雙鍵及鄰位H受到氧分子攻擊，導(dǎo)致SBS的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂而發(fā)生性能劣化。

綜上所述近年來(lái)相關(guān)瀝青老化研究進(jìn)展與現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外研究人員已開(kāi)展了大量老化SBS改性瀝青的結(jié)構(gòu)與性能的有關(guān)研究，基于紅外光譜、原子力顯微鏡與凝膠滲透色譜等微觀(guān)測(cè)試和針入度、軟化點(diǎn)、延度、黏度、流變學(xué)等宏觀(guān)測(cè)試，證明了SBS改性瀝青的主要老化特征是SBS的自動(dòng)氧化降解與瀝青的氧化縮聚。

3 老化SBS改性瀝青的再生機(jī)理

根據(jù)目前一些研究情況發(fā)現(xiàn)，老化SBS改性瀝青的再生技術(shù)主要還是以瀝青組分恢復(fù)為目的的老化基質(zhì)瀝青再生機(jī)理，即相容性機(jī)理與組分還原機(jī)理[5-6]。

3.1 相容性機(jī)理

該機(jī)理認(rèn)為瀝青是由高分子溶質(zhì)在低分子溶劑中溶解形成一種高分子結(jié)構(gòu)體系，其穩(wěn)定與否取決于溶劑對(duì)溶質(zhì)的溶解特性。在此體系中，瀝青質(zhì)是高分子溶質(zhì)，而軟瀝青質(zhì)（飽和分與芳香分）則是低分子溶劑?；诟叻肿尤芤旱娜芙馓匦岳碚摽芍?，只要二者之間的溶度參數(shù)相接近，其就能形成均一、穩(wěn)定的瀝青相態(tài)體系。

在老化前，瀝青中的瀝青質(zhì)與軟瀝青質(zhì)具有相近的溶度參數(shù)，表現(xiàn)為相對(duì)穩(wěn)定的瀝青高分子溶液體系。但瀝青老化后，瀝青質(zhì)與軟瀝青質(zhì)的溶度參數(shù)發(fā)生變化，差值越來(lái)越大，相容性越來(lái)越差，瀝青的路用性能也就隨之劣化。為此，要想提高老化瀝青的性能，則需瀝青組分重新穩(wěn)定。在老化過(guò)程中，軟瀝青質(zhì)中飽和分與芳香分的揮發(fā)與過(guò)渡轉(zhuǎn)變是瀝青化學(xué)結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定的重要原因，只要考慮在老化瀝青中添加類(lèi)軟瀝青質(zhì)的有機(jī)物質(zhì)，就能在很大程度上促使老化瀝青綜合性能得到提升，基本恢復(fù)至原瀝青的性能水平[7]。

3.2 組分調(diào)節(jié)機(jī)理

該機(jī)理認(rèn)為瀝青是一種膠體分散體系，由飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等四組分構(gòu)成，其穩(wěn)定性取決于它們之間的配伍性與兼容性。研究表明，老化對(duì)瀝青化學(xué)組分的影響規(guī)律是飽和分的相對(duì)含量變化較小，芳香分的相對(duì)含量降低，膠質(zhì)的相對(duì)含量變化較小，瀝青質(zhì)的相對(duì)含量增大，從而導(dǎo)致瀝青膠體分散體系結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定，表現(xiàn)為瀝青路面低溫、疲勞等路用性能明顯劣化?；诖艘?guī)律，選擇富含芳香分的有機(jī)物質(zhì)作為再生劑，補(bǔ)充到老化瀝青中，就能促使老化瀝青的化學(xué)組分得到再平衡，獲得性能提升的再生瀝青材料。

大量研究表明，老化對(duì)SBS的大分子結(jié)構(gòu)具有明顯的破壞作用，分子鏈結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不同程度的斷裂，導(dǎo)致SBS熱塑性彈性體的優(yōu)勢(shì)特性基本喪失，其改性效果明顯減弱，從而致使瀝青路面的路用性能發(fā)生。目前相關(guān)研究進(jìn)展情況表明，針對(duì)老化SBS改性瀝青的再生研究，其主要還是傳統(tǒng)地以補(bǔ)充軟瀝青質(zhì)的方式進(jìn)行的，尚未統(tǒng)籌考慮對(duì)SBS的老化降解產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修復(fù)并形成有效技術(shù)手段，以致再生效果往往不是特別理想。但是，由于傳統(tǒng)瀝青再生劑（如芳烴油、廢棄食物油等）不能修復(fù)老化SBS的分子結(jié)構(gòu)，只能調(diào)節(jié)老化瀝青組分，故現(xiàn)有再生技術(shù)實(shí)質(zhì)上對(duì)老化SBS改性瀝青及混合料性能的綜合提升是十分有限的，其再生瀝青混合料也很難應(yīng)用于較高等級(jí)的公路路面。因此，開(kāi)發(fā)一種具有同步與有效恢復(fù)老化瀝青和SBS結(jié)構(gòu)和性能的SBS改性瀝青的專(zhuān)用再生劑具有重要的科學(xué)和實(shí)踐意義。

4 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)看，廢舊SBS改性瀝青的再生技術(shù)研究已得到一定的開(kāi)展，但針對(duì)老化SBS改性瀝青中改性劑的再生還處于前期摸索研究階段。目前，很多相關(guān)應(yīng)用研究主要還是選擇芳烴油、植物油、廢機(jī)油等有機(jī)質(zhì)作為普通瀝青再生劑，通過(guò)熱、溫拌瀝青混合料的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)老化SBS改性瀝青混合料的再生利用。鑒于SBS改性瀝青的特點(diǎn)，考慮如何同時(shí)恢復(fù)老化SBS和老化瀝青的結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)制備專(zhuān)用修復(fù)型瀝青再生劑，對(duì)老化SBS改性瀝青混合料的整體高質(zhì)量再生循環(huán)利用具有極其重要的工程價(jià)值和意義，環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益顯著。