SBS改性沥青再生剂性能研究

冉龙飞，何兆益，曹青霞

（1.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074；2.重庆市公路工程质量检测中心，重庆 400060）

为适应现代交通荷载重型化的需要，增强沥青路面抗病害能力，SBS改性沥青以其优良的路用性能在中国得到了广泛使用，用量占道路沥青总量的15%左右.按此比例，10年以后，中国高速公路沥青路面的大修、中修产生的废旧SBS改性沥青混合料预计每年将达到1 200万吨［1］.SBS改性沥青混合料再生技术对于环境保护、资源有效利用、实现路面的可持续发展具有重要的现实意义和显著的经济、社会、环境效益.因此，基于不利环境因素，深入研究SBS改性沥青老化规律、老化机理已刻不容缓.在此基础上，研发恢复老化SBS改性沥青的再生剂，以延长再生沥青路面使用寿命.

1 再生剂组分及制备工艺

再生剂原材料的选择应遵循以下原则［2］：优良的抗老化性能及稳定性；具有施工安全性；价格低廉，具有较好的经济性；不含对人体及环境有毒的成分.本研究主要选择了基础油分、增塑剂、增黏树脂、改性剂和抗老化剂5大成分，其中抗老化剂由抗氧剂、紫外线吸收剂和抗剥落剂组成.再生剂制备工艺是保证产品质量和性能稳定的重要工序，本文按以下步骤对各种原材料分别进行准确称量和合成，制备流程（见图1）为：

图1 再生剂制备流程Fig.1 Preparing process of regenerative agent

（1）称取一定量的基础油分，分别按其质量分数称取增塑剂、改性剂及增黏树脂；（2）将称好的基础油分缓慢加热到160～170℃，分批次加入增塑剂及增黏树脂，搅拌均匀后得到轻质组分；（3）将改性剂加入到轻质组分中，并保持温度在160～170℃，搅拌30min，使改性剂充分溶胀；（4）将溶胀改性液置于高速剪切机，转速为4 000r／min，试验温度160～170℃，持续剪切30～50min；（5）称取不同剂量的抗氧剂、紫外线吸收剂、抗剥落剂作为抗老化组分，分批次加入到剪切好的再生剂中，保持温度160～170℃，搅拌10min，得到SBS再生剂（ZZ）.

2 再生剂配比确定

2.1 不含抗老化剂的溶胀改性液配合比确定

本文采用正交试验方法来确定溶胀改性液配合比，试验因素水平如表1所示，L9（34）正交试验结果如表2所示，数理统计分析结果如表3所示.

表1 溶胀改性液（不含抗老化剂）试验因素水平Table 1 Experimental factor level table（not including anti－aging agent）

表2 溶胀改性液（不含抗老化剂）正交试验Table 2 Orthogonal test table of swelling of modified liquid（not including anti－aging agent）

表3 试验结果直观分析Table 3 Intuitive analysis of test results

根据表3计算得到的R 分析各因素对考核指标的影响次序，结果列于表4.

表4 各指标直观分析结果汇总Table 4 All index of intuitive analysis

依据表4对每个指标影响较好的因素进行综合比选，最终找出最优的组合为A1B2C3D2，即m（基础油分）∶m（增塑剂）∶m（增黏树脂）∶m（改性剂）＝1.00∶0.30∶0.03∶0.05，剪切时间为40min.

2.2 抗老化剂配合比确定

抗老化剂由抗氧剂、紫外线吸收剂及抗剥落剂组成.通过对L9（33）共9 组配方进行试验，将再生剂RTFOT 老化前后质量损失、RTFOT 老化前后60℃黏度比以及水煮试验抗剥落率［3］作为控制指标，L3（33）正交因素水平见表5，试验结果见表6，数理统计分析结果如表7所示.

将各个指标直观分析结果汇总，结果如表8所示.

依据表8对每个指标影响较好的因素进行综合比选，最终找出最优的组合为E3F3G2，即抗氧剂、紫外线吸收剂、抗剥落剂分别占溶胀改性液质量的0.5%，0.5%，0.3%.

表5 抗老化剂试验因素水平Table 5 Experimental factor level table of anti－aging agent

表6 抗老化剂正交试验结果Table 6 Orthogonal test table of anti－aging agent

表7 抗老化剂正交试验结果直观分析Table 7 Intuitive analysis of anti－aging agent's test results

表8 各指标直观分析结果汇总Table 8 All index of intuitive analysis

3 再生剂性能测试

为了评价ZZ 的性能优劣，本文选择了市售两款再生剂DN100，DN101及针对基质沥青的RA－2再生剂进行对比分析.

3.1 性能试验

依据JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》，性能测试主要包括60℃黏度、闪点、RTFOT前后的黏度比及质量变化、密度.此外，参考文献［4］将流变指数和表面张力作为再生剂技术指标.ZZ，DN100，DN101，RA－2性能试验结果见表9.

由表9可见，4种再生剂的黏度大小排序为：DN101＞ZZ＞RA－2＞DN100，RTFOT 前后的黏度比和质量变化大小排序为：DN100＞RA－2＞DN101＞ZZ，表明ZZ的热氧老化性能优于其他3种再生剂.表面张力的排序为：ZZ＞RA－2＞DN100＞DN101，表明ZZ的溶解和分散能力优于其他3种再生剂.

表9 4种再生剂基本性能Table 9 Basic performance contrast to four type

3.2 红外光谱分析

ZZ，RA－2，DN100，DN101 的红外光谱分析结果见图2.由图2可见，4种再生剂在1 600cm－1和1 500～1 450cm－1处出现了芳香烃特征峰，表明4种再生剂均含有芳烃、酯羰基、羟基、亚砜基及甲基和亚甲基［5］，而这些组分可增加沥青的低温柔韧性.

3.3 DSC热稳定性分析

ZZ，RA－2，DN100，DN101的DSC曲线见图3.

图2 4种再生剂红外光谱图Fig.2 Four kinds of regeneration agent infrared spectra

由图3 可见，在高温区段（200～300 ℃），除RA－2外的其他3种再生剂均出现了1个放热峰，表明这3种再生剂在高温区段发生了氧化降解或燃烧.4 种再生剂的吸（放）热量测试结果如表10 所示.由表10可见，4种再生剂的热稳定性大小依次为：ZZ＞RA－2＞DN100＞DN101.

图3 再生剂的DSC曲线Fig.3 Four kinds of regeneration agent DSC curve

4 再生沥青性能测试

4.1 试验材料与方法

选取70＃A 级沥青，加入质量分数4.5%的SBS改性剂得到改性沥青，依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对其进行加速压力老化试验（PAV）.为了直观评价再生剂对老化沥青性能的恢复效果，分别将ZZ，RA－2，DN100，DN101按老化沥青质量的5%加入到老化SBS 改性沥青中，并对其PAV 前后的性能进行测定.

表10 4种再生剂吸（放）热量测试结果Table 10 Four types of regenerative agent's absorption（or exothermic）of heat

4.2 性能指标变化规律分析

对PAV 前后SBS改性沥青、4种再生沥青的3大性能及弹性恢复性能进行测试.试验结果见表11.

由表11可见：4种再生剂对老化后沥青的针入度和软化点均能恢复到老化前的效果，但对其低温延度和弹性，仅ZZ能恢复到老化前效果.这表明SBS改性剂老化失效后，加入ZZ可使其性能得到恢复.

表11 再生沥青与老化沥青性能对比Table 11 Performance comparison between recycled asphalt and aged recycled

4.3 SHRP性能指标变化规律

依据SHRP沥青结合料测试方法［8］，通过布氏旋转黏度试验（RV），动态剪切流变试验（DSR）和弯曲梁流变试验（BBR）测试得到不同沥青135℃的黏度、G＊／sinδ 达到1.00 kPa 时的抗车辙极限温度［6］、－12℃低温蠕变劲度S 和蠕变劲度变化速率v.RV 试验结果如表12 所示，DSR 试验结果如图4，5所示，抗车辙极限温度如表13所示，BBR 试验结果如表14所示.

表12 再生沥青与老化沥青135 ℃黏度对比Table 12 Viscosity contrast between recycled asphalt and aged recycled

图4 改性沥青老化前后G＊／sinδ－t变化曲线Fig.4 Modified asphalt G＊／sinδ－t curve before and after aging

由表12可见，SBS改性沥青老化后，黏度增大，加入4种再生剂，黏度减小，其中RA－2减幅最大，DN100和DN101 次之，但是这3 种再生沥青的黏度均与老化前改性沥青相差较大，只有ZZ 再生沥青的黏度与原样沥青相近，黏度比为0.951.在恢复3大性能指标的前提下，再生沥青的黏度与原样沥青越接近越好，这表明ZZ 具有优越的恢复老化改性沥青流变之特性.

图5 再生改性沥青G＊／sinδ－t变化曲线Fig.5 Regeneration of modified asphalt G＊／sinδ－t curve

由图4，5可见：改性沥青老化前后及4种再生改性沥青的G＊／sinδ－t 曲线变化趋势完全一致，均随温度增加而减小.再生改性沥青的G＊／sinδ均比老化沥青有所下降.在相同温度条件下，ZZ 再生沥青的G＊／sinδ－t 曲线和DN100，DN101，RA－2再生改性沥青的G＊／sinδ－t曲线相差较大.4种再生改性沥青的G＊／sinδ达到1.00kPa时对应的抗车辙极限温度见表13.

由表13可见：再生改性沥青的抗车辙极限温度较老化后改性沥青低，其中DN100，DN101，RA－2再生改性沥青的抗车辙极限温度约低15℃，而且，这3种再生改性沥青的抗车辙极限温度均较老化前改性沥青相差大，达到5℃左右，ZZ 再生沥青与原样改性沥青相近，两者仅相差0.5℃.因此，ZZ再生改性沥青具有优越的恢复老化后改性沥青抗高温车辙性能的能力.

表13 再生改性沥青的抗车辙极限温度Table 13 Antirutting limit temperature of modified asphalt regeneration

表14 改性沥青老化及再生前后BBR值Table 14 BBR value of modified asphalt before and after aging or regeneration at－12℃

由表14可见：再生后4种改性沥青的低温蠕变劲度较老化后改性沥青均减小，蠕变劲度变化速率v均增大，说明4种再生剂对老化沥青的低温性能进行了不同程度的改善，其中ZZ 再生剂较其他3种再生剂改善效果明显，基本恢复至SBS改性沥青老化前的性能.可见，ZZ 再生剂具有优越的恢复SBS改性沥青低温抗裂能力.

5 结论

（1）采用L9（34）正交试验确定了溶胀改性液最优组分为m（基础油分）∶m（增塑剂）∶m（增黏树脂）∶m（改性剂）＝1.00∶0.30∶0.03∶0.05，剪切时间为40min.

（2）采用L9（33）正交试验确定了3种抗老化剂最优组分为抗氧剂占溶胀改性液质量的0.5%，紫外线吸收剂占溶胀改性液质量的0.5%，抗剥落剂占溶胀改性液质量的0.3%.

（3）ZZ再生剂具有优越的溶解及分散能力、抗热氧老化性能、低温柔韧性和热稳定性.

（4）ZZ再生剂具有优越的恢复老化SBS 改性沥青流变、抗高温车辙及低温开裂能力.

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