再生SBS改性沥青老化性能的研究

马晓明，廖克俭，王洪国，刘 锐

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

1992年改性沥青技术在首都机场高速公路的应用，至1997年长安街改造中的使用，标志着我国高速公路建设中改性沥青大规模应用的开始。截止2005年，我国道路建设中改性沥青占道路沥青的应用比例已经超过10%，高于世界平均使用量7.5%的比例。交通量的增长造成了沥青路面的车辙、表面松散及裂缝等损坏，按照沥青路面使用寿命10～15年计算，我国早期铺筑的改性沥青路面已经逐步进入大范围维修阶段，废旧沥青混合料的随意丢弃既浪费资源又污染环境，因此对于改性沥青再生技术的研究具有显著的经济效益和环境效益[1-3]。

沥青路面在使用过程中由于受到氧气、水分、紫外线和温度等环境因素的影响，致使沥青内部结构组成发生变化，导致沥青老化，进而劣化道路沥青的路用性能。所以，沥青老化是影响道路沥青使用性能的重要因素。沥青的老化是一个渐进的过程，老化速率的快慢直接影响路面的使用年限，因此研究沥青的抗老性能，对于提高路面质量具有重要意义[4-8]。

本工作通过薄膜烘箱老化实验，考察不同老化温度及老化时间条件下，再生SBS改性沥青基本理化性能的变化规律。通过以软化点建立的动力学模型，评价再生SBS改性沥青的抗老化性能。

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

1.1.1 实验原料

LKJ-I再生剂：自制；废旧SBS改性沥青：沈阳高速公路SMA-16废旧SBS改性沥青混合料中回收所得；补充新沥青：辽河油田SBS（I-C）改性沥青；两种沥青的理化性质见表1。

表1 废旧沥青与补充新沥青的理化性质Table 1 Physical and chemical properties for waste asphalt and added asphalt

1.1.2 实验仪器

针入度测定仪：无锡市石油仪器设备厂；SYD沥青软化点测定仪：上海昌吉地质仪器有限公司；延度仪：无锡市石油仪器设备厂；82型沥青薄膜烘箱：江苏省无锡市石油仪器设备厂；SD-0625型沥青布氏旋转粘度计：上海地学仪器研究所。

1.2 再生SBS改性沥青的制备

调和法：废旧SBS改性沥青混合料中回收的废旧改性沥青的回收率为3.74%（占废旧混合料的质量比）,考虑到沥青混合料实际应用中，沥青占混合料质量比为5%，调和过程中补充质量比为1.26%的新沥青。在100 ℃条件下，按照再生剂：（废旧沥青+补充新沥青）=1︰9（质量比）的比例，依次加入废旧沥青、新沥青和 LKJ-I再生剂，搅拌至三者混合均匀。制得的再生沥青符合JTG F 40-2004 I-B标准。

1.3 实验方法

薄膜烘箱实验：分别于5个圆柱形不锈钢托盘（Φ=140 mm, h=9.5 mm）中称量(50±1) g再生改性沥青试样，将称量好的试样放入旋转薄膜烘箱中，调节旋转速率为5.5 r/min。分别在150 ℃、163 ℃和180 ℃三个温度条件下，进行老化实验。测定不同温度条件下老化时间为5、10、15、20、30 h时再生沥青的针入度、软化点、延度和表观粘度。

2 结果与讨论

2.1 老化后再生SBS改性沥青性能

考察了再生SBS改性沥青在不同老化时间和老化温度条件下，针入度、延度、软化点和表观粘度的性能变化。其结果见图1，图2，图3，图4。由图1和图2看出，随老化时间的延长，3个温度下的针入度和延展度都呈指数形式下降。0～15 h之间针入度、延展度随老化时间的延长下降幅度很大，15 h后变化较平稳，30 h时3个温度下的针入度值相差很小。说明：老化初期，再生沥青中轻组分含量较多，挥发速率较快；老化后期，受氧化、缩合等反应的影响，轻组分逐步向沥青质转化，轻组分相对含量减少，沥青质相对含量增多，沥青硬度增加、韧性降低，再生改性沥青逐步进入老化状态。

由图3和图4可以看出，随老化时间的延长，不同温度下的软化点近似呈线性升高，表观粘度值也逐渐增大。说明：老化时间越长，沥青粘度越差，老化程度增大。由不同老化温度下的变化趋势，说明：温度越高，沥青老化速率越快。

老化初期针入度、延展度呈陡降变化，老化后期趋于平缓；软化点、表观粘度在整个老化过程中以相对稳定的速率变化。由此可知：控制老化初期再生沥青的针入度、延展度等基本理化性能变化速率，延缓轻组分向沥青质的生成速率，提高老化后期针入度、延展度等性能，将有利于SBS改性沥青抗老化性能的提高。

图1 针入度与老化时间的关系Fig.1 Relationship between penetration and aging time

图2 延度与老化时间的关系Fig.2 Relationship between ductility and aging time

图3 软化点与老化时间的关系Fig.3 Relationship between soften point and aging time

图4 表观粘度与老化时间的关系Fig.4 Relationship between viscosity and aging time

3 以软化点为参数建立的老化动力学模型

由反应动力学理论，假设沥青老化过程为一级不可逆反应，以软化点的变化进行进一步探索，建立一级反应方程：

其中：c —再生沥青中生成沥青质的反应物浓度，mol;

t —老化时间，h;

k —总反应速率常数，h-1。

再根据 Lockwood[9]观点，确定反应物浓度与沥青软化点成反比，即：c=a/ S0,将此式代入（1）式，两边同时积分得软化点与老化时间的关系式：

其中：t —老化时间，h；

S0—沥青的初始软化点，℃；

S —沥青在一定老化温度下经过老化时间t时的软化点，℃；

k —老化速率常数。

ln（S /S0）与老化时间t 的线性回归曲线见图5。线性回归曲线所得不同老化温度条件下的老化速率常数见表2。

图5 ln (S／S0)与t的关系Fig.5 The relation between ln (S／S0) and aging time

由图2及表2中老化速率常数值可以看出，老化时间与再生沥青软化点升高幅度的对数呈线性关系，老化温度越高，老化速率越快，即随着老化温度的升高，再生沥青的抗老化性能越差。

表2 不同温度条件下再生沥青的老化速率常数Table 2 The reaction rate constant k of modified asphalt under different aging temperature

根据Arrhrenius方程：

由方程（3）作得-lnK与1/T的关系曲线见图6。

图6 -lnK与1／T的关系Fig.6 The relation between -lnK and 1／T

由图6经线性回归求得再生SBS改性沥青的回归方程为：

对比方程（3）和方程（4），求得再生 SBS改性沥青的活化能Ea与指前因子A。再生SBS改性沥青的老化动力学参数见表3。

表3 再生SBS改性沥青老化动力学参数Table 3 The aging kinetic parameters about modified asphalt regeneration

联立方程（1）、（2）、（3），导出再生 SBS 改性沥青老化动力学方程为：

将不同老化时间及老化温度代入方程（5），求得软化点的理论值。再生SBS改性沥青软化理论计算值与实验值比较结果见表4。

由表4中对比数据可知，实验值与理论值基本相符，说明再生SBS改性沥青的老化符合一级反应动力学方程，所建立的老化动力学模型能够很好的反应再生SBS改性沥青的老化过程。

表4 再生改性沥青软化点实验值与理论值Table 4 experimental and theoretical data comparison of softening point of modified recycling asphalt

4 结 论

（1）以再生剂：（废旧沥青+补充新沥青）=1︰9的比例，加入 LKJ-I再生剂和补充新沥青，能够成功再生出符合JTG F 40-2004中I-B类SBS改性沥青。

（2）控制老化初期再生沥青的针入度、延展度等基本理化性能变化速率，延缓轻组分向沥青质的生成速率，提高老化后期针入度、延展度等性能，将有利于SBS改性沥青抗老化性能的提高。

（3）以软化点为参数建立的一级老化动力学模型能够很好的表征再生SBS改性沥青的老化过程。

［1］耿久光. 沥青老化机理及再生技术研究[D]. 长安：长安大学, 2009.

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