SBS改性瀝青老化分級(jí)及差異化再生技術(shù)研究

陳修和，任 園，張玉斌

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，合肥 230088)

SBS改性瀝青具有優(yōu)良的路用性能，目前被廣泛應(yīng)用于我國(guó)的公路和市政道路中。既有道路改造和養(yǎng)護(hù)維修時(shí)，舊路面挖除、銑刨產(chǎn)生的廢舊瀝青料中，SBS改性瀝青混合料占比在60%以上。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能環(huán)保、綠色公路等政策的號(hào)召，亟需對(duì)舊路面材料進(jìn)行資源化利用。因此，如何將舊SBS改性瀝青混合料高價(jià)值、高品質(zhì)地再生使用一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

近年來，國(guó)內(nèi)外已有大量關(guān)于SBS改性瀝青老化機(jī)理和再生技術(shù)的研究。SBS改性瀝青的老化過程是SBS顆粒降解、逆溶脹的過程[1]，瀝青軟化點(diǎn)、針入度、延度、指標(biāo)、復(fù)數(shù)模量和相位角等指標(biāo)的變化特征[2,3]均無(wú)法有效地顯示SBS摻量和老化程度對(duì)SBS改性瀝青性能的影響，且尚未有RAP(再生瀝青混合料)中SBS改性瀝青老化程度的快速檢測(cè)與評(píng)定方法[4]?，F(xiàn)有規(guī)范和相關(guān)技術(shù)僅提到通過添加再生劑或新瀝青[5-7]實(shí)現(xiàn)SBS改性瀝青再生，并未根據(jù)SBS改性瀝青老化程度的不同給出差異化的再生技術(shù)與性能提升方案，因此，并沒有發(fā)揮出舊SBS改性瀝青的優(yōu)良性能。

當(dāng)前，在國(guó)家提出“雙碳”目標(biāo)的大背景下，舊SBS改性瀝青的再生使用和公路工程的材料應(yīng)用也面臨著轉(zhuǎn)型升級(jí)?；诖?，本文對(duì)舊SBS改性瀝青混合料進(jìn)行老化程度評(píng)級(jí)，并針對(duì)性地提供再生方案，實(shí)現(xiàn)舊SBS改性瀝青混合料高價(jià)值、高品質(zhì)的再利用，不僅能夠降低公路建設(shè)成本，同時(shí)可以變廢為寶，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

1 SBS改性瀝青老化評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

本文選用安徽某公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，原樣SBS改性瀝青性能指標(biāo)如表1所示。

表1 原樣SBS改性瀝青性能指標(biāo)

采用OLMPUS(奧林巴斯)熒光顯微鏡對(duì)不同老化程度的SBS改性瀝青的微觀相態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，主要觀測(cè)SBS改性顆粒狀態(tài)。SBS改性瀝青老化過程微觀結(jié)構(gòu)分析如圖1所示。

由圖1可知，在SBS改性瀝青老化5～15 h時(shí)，SBS顆粒尺寸逐漸變?。焕匣?0 h時(shí)，SBS顆粒數(shù)量減少、分布不均勻；老化24 h時(shí)，SBS顆粒呈絮狀不均勻分布，且出現(xiàn)凝聚、離析特征。SBS改性瀝青老化是SBS顆粒降解、逆溶脹的過程，SBS顆粒會(huì)隨老化進(jìn)程發(fā)展消融在瀝青中，失去膠體間的聯(lián)系，導(dǎo)致SBS改性瀝青性能大幅度降低。

公路瀝青路面設(shè)計(jì)與施工等相關(guān)規(guī)范中，一般采用針入度、軟化點(diǎn)、延度、車轍因子等指標(biāo)對(duì)瀝青性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。為進(jìn)一步分析SBS改性瀝青老化過程中SBS摻量和老化時(shí)間對(duì)其性能的影響，對(duì)不同SBS摻量和老化時(shí)間的瀝青性能進(jìn)行測(cè)定，不同老化時(shí)間與SBS摻量下瀝青性能變化規(guī)律如圖2所示。

由圖2可知，軟化點(diǎn)、針入度、車轍因子指標(biāo)隨著SBS改性劑摻量和老化時(shí)間變化規(guī)律具有一致性，無(wú)法有效地鑒別SBS改性瀝青的老化；延度指標(biāo)可以在一定程度上區(qū)分老化時(shí)間和SBS摻量的影響，然而當(dāng)SBS摻量超過5%時(shí)，延度指標(biāo)就無(wú)法體現(xiàn)SBS改性瀝青的性能變化。

測(cè)力延度能夠反映瀝青拉伸過程中位移與拉力的變化規(guī)律。在10 ℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行拉力-位移曲線分析，不同老化時(shí)間與SBS摻量下瀝青測(cè)力延度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，測(cè)力延度試驗(yàn)結(jié)果有明顯的三階段特征。對(duì)不同老化時(shí)間和SBS摻量下改性瀝青韌性指標(biāo)變化規(guī)律展開研究，不同老化時(shí)間與SBS摻量韌性值計(jì)算如圖4所示。

圖中，SBC為韌性，N·cm；D為位移，cm；a、b、c為回歸參數(shù)；SBC計(jì)算公式為

(1)

由圖4和式(1)可知，韌性與SBS摻量為正相關(guān)、與老化時(shí)間為負(fù)相關(guān)，可以區(qū)分老化時(shí)間與SBS摻量影響，因此，以針入度、韌性作為舊SBS改性瀝青老化過程評(píng)價(jià)指標(biāo)。

按照式(1)計(jì)算SBS改性瀝青的韌性指標(biāo)值，SBS改性瀝青測(cè)力延度三個(gè)階段的韌性值分別為0、0～400、≥400?！豆窞r青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)以針入度作為瀝青再生評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)近30組不同老化程度下針入度、韌性值關(guān)聯(lián)關(guān)系，老化SBS改性瀝青針入度、韌性值關(guān)聯(lián)分析如圖5所示；規(guī)范提出的不同SBS改性瀝青老化程度判定標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 不同SBS改性瀝青老化程度判定標(biāo)準(zhǔn)

2 舊SBS改性瀝青再生方案研究

SBS改性瀝青老化過程包括瀝青老化和SBS改性劑降解、逆溶脹的過程。對(duì)老化的SBS改性瀝青進(jìn)行再生，一方面需要通過調(diào)節(jié)瀝青組分構(gòu)成，降低老化瀝青的稠度、提升其延展性，使老化瀝青常規(guī)技術(shù)性能得以恢復(fù)，即實(shí)現(xiàn)老化的SBS改性瀝青中基質(zhì)瀝青的再生；另一方面需要在對(duì)老化的SBS改性瀝青進(jìn)行再生的基礎(chǔ)上，恢復(fù)老化的SBS改性瀝青的韌性，即實(shí)現(xiàn)再生瀝青性能的提升。

瀝青再生的原理是向老化瀝青中添加再生劑，補(bǔ)充老化瀝青中缺失的輕質(zhì)油分、調(diào)節(jié)瀝青組分構(gòu)成。為進(jìn)一步提升SBS改性瀝青再生性能，設(shè)計(jì)出再生劑、再生劑+基質(zhì)瀝青、再生劑+巖瀝青、再生劑+SBS改性瀝青、再生劑+RST高黏改性瀝青5種再生方案，分別用5種再生方案對(duì)不同老化程度的SBS改性瀝青進(jìn)行再生性能檢測(cè)，不同再生方案下瀝青性能如表3所示。

表3 不同再生方案下瀝青性能

由表3可知，5種再生方案均能使再生瀝青軟化點(diǎn)和黏度有所降低，延度有所提升。采用OLMPUS熒光顯微鏡觀察不同再生方案下SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)變化，老化的SBS改性瀝青性能恢復(fù)微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖6所示。

由圖6可知，添加再生劑或巖瀝青后，老化的SBS改性瀝青微觀相態(tài)仍為絮狀分布狀態(tài)，巖瀝青的加入使得SBS凝聚特征更為明顯，當(dāng)加入再生劑及SBS改性瀝青或RST高黏改性瀝青時(shí)，SBS顆粒狀均勻分布，微觀相態(tài)結(jié)構(gòu)存在明顯改變。

進(jìn)一步對(duì)測(cè)力延度行為下的韌性指標(biāo)進(jìn)行分析，不同再生方案下老化SBS改性瀝青韌性值變化如圖7所示。對(duì)于老化導(dǎo)致的SBS降解反應(yīng)，補(bǔ)充一定量SBS改性瀝青或RST高黏改性瀝青，對(duì)其韌性有改善作用，韌性指標(biāo)可作為再生方案選擇的重要依據(jù)。

上述幾種再生方案作用于輕度老化的SBS改性瀝青后，其常規(guī)性能指標(biāo)可恢復(fù)至原樣瀝青水平，而對(duì)中度、重度老化的SBS改性瀝青，再生劑+SBS改性瀝青或RST高黏改性瀝青的方案，可將其常規(guī)性能恢復(fù)至原樣瀝青水平；僅加入再生劑+RST高黏改性瀝青或SBS改性瀝青的再生方案，可以使不同老化程度的瀝青韌性指標(biāo)達(dá)到甚至超過原樣SBS改性瀝青韌性指標(biāo)的水平。

3 結(jié)論

(1) 本文從SBS改性瀝青的老化機(jī)理出發(fā)，研究不同老化時(shí)間、SBS摻量下瀝青宏觀性能及微觀結(jié)構(gòu)的變化特征，采用韌性指標(biāo)、測(cè)力延度曲線特征和針入度指標(biāo)來界定SBS改性瀝青的老化程度，將其分為輕度老化、中度老化、重度老化三個(gè)等級(jí)。

(2) 再生劑、基質(zhì)瀝青或巖瀝青的加入僅在宏觀上降低了老化SBS改性瀝青的黏度，提升了其延展性，但SBS顆粒仍然呈現(xiàn)老化后的絮狀分布狀態(tài)，并沒有真正有效地改善SBS改性瀝青的結(jié)構(gòu)特征。

(3) 再生瀝青的韌性指標(biāo)能夠反映微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，對(duì)不同老化程度的SBS改性瀝青進(jìn)行再生時(shí)，在考慮SBS改性瀝青稠度、延展性等基本性能時(shí)，可結(jié)合韌性指標(biāo)恢復(fù)程度，選擇或調(diào)整再生方案，以實(shí)現(xiàn)老化SBS改性瀝青功能提升。

(4) 本文只進(jìn)行了一種SBS改性瀝青的試驗(yàn)分析，因此所得結(jié)論的普遍性有待后續(xù)進(jìn)一步研究。