桐油再生SBS改性沥青性能研究

殷宏辉，田中亚

（1.湖南卓能勘察设计研究有限公司，湖南 长沙 410000；2.齐鲁交通发展集团 济南分公司，山东 济南 250001）

引言

沥青的老化在性能指标上主要表现为针入度、延度降低，软化点、黏度增大；在组分变化上表现为芳香芬含量下降而沥青质含量增多[1-3]。传统的再生剂通常以矿物油或芳烃油为基础[4]，但前者稳定性较差、易挥发，后者含较多的致癌性及污染性物质，这促使研究者寻求更经济环保的再生剂。

近年来，植物油以其产量大、可再生、绿色环保以及良好的再生效果受到很多研究者的关注。Asli等[5]研究煎炸废油对老化沥青的影响，认为植物油再生沥青与基质沥青性能没有明显差异。Karlesson和曾梦澜等人[6-9]利用蓖麻油、大豆油、废食用油等对沥青进行了改性或再生，发现植物油的掺入使老化沥青的性能得到有效恢复。

植物油类沥青剂表现出了良好的应用前景，而目前对桐油作为再生剂的研究较少[10]。与菜籽油、大豆油等食用油相比，桐油作为再生剂有很大优势：（1）桐油是一种生存能力很强的非食用型植物油，能够在贫瘠土地上生长，不与粮食作物争地[11]。而食用油往往价格较高，且种植条件要求较高[12]。（2）桐油的主要成分是含有弱极性脂肪链段的桐油酸甘油酯，这使得桐油与沥青的相容性很好[13]。SBS改性沥青因为性能优异在之前的沥青路面中被广泛应用，随着使用年限的增加，未来必然会有大量的SBS改性沥青路面需要翻新[14-15]，如何将这些老化的SBS改性沥青混合料再生利用是很有研究的必要。但目前对桐油再生老化SBS改性沥青的研究尚未展开，因此，对桐油作为老化SBS改性沥青的再生剂的效果进行了研究。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

采用SBS（I-D类）改性沥青为原样沥青，参照我国规范JTG E20-2011[16]对其进行薄膜烘箱老化（TFOT）和压力老化容器老化（PAV）获得老化后的SBS改性沥青（用SBSa表示）。SBS改性沥青在老化前后的物理指标见表1。桐油源自四川绵阳的景胜桐油厂，呈淡黄色透明状，其技术指标见表2。

表1 SBS改性沥青与SBSa沥青的基本技术指标

表2 桐油性能指标

1.2 再生沥青的制备

将2%、4%、6%、8%四种掺量（质量分数，下同）的桐油（T）分别加入到SBSa中，首先用高速剪切机以3 000 r/min的速度剪切20 min，然后用搅拌机以500 r/min的速度搅拌10 min，剪切、搅拌时温度保持在165～170℃，由此制得不同掺量的桐油再生SBSa。为表述方便，将掺入2%桐油的SBSa简写为SBSa+2T，其他桐油掺量以此类推。

2 常规性能分析

2.1 针入度

沥青的针入度在同试验条件下越大，表明其稠度越大[17]。图1为沥青25℃针入度试验结果。可以发现，老化后，SBS的针入度从57（0.1 mm）下降到38（0.1 mm），仅为原样沥青的66.7%。随着T掺量的增加，针入度呈线性增长趋势，因为T中含较多的轻质油分使得沥青变软。每增加2%T时，SBSa的针入度增大约20%。SBSa+4T的针入度是原样SBS改性沥青的96.5%，掺加4%T能使SBSa的针入度恢复到与原样SBS改性沥青的状态。

2.2 软化点

沥青的软化点越高，其高温稳定性越好[17]。图2给出了不同掺量T对SBSa软化点的影响。可以看出，老化后，SBS改性沥青的软化点从76.9℃上升至89.3℃（SBSa），增长幅度超过10℃，这说明老化提高了SBS改性沥青的高温性能。同时，随着T掺量的增加，SBSa的软化点显著降低。当T的掺量为2%、4%、6%、8%时，SBSa的软化点分别下降了7.9℃、11.8℃、14.6℃和17.7℃。这表明掺入T降低了SBSa的高温稳定性。SBSa+4T与SBS的软化点仅相差0.6℃，说明掺入4%的T能使SBSa的软化点恢复到原样沥青水平。为了保障再生沥青的高温稳定性不弱于原样沥青，T的掺量建议不要超过4%。

图1 针入度试验结果（25℃）

图2 软化点试验结果

2.3 延度

低温延度与沥青的低温抗裂性能密切相关[17]。图3显示了不同掺量T的再生SBS改性沥青的5℃延度。可以看出，老化后，SBS改性沥青的延度显著下降，SBSa的延度仅有2.8 cm，说明老化降低了SBS改性沥青的韧性和低温抗裂性能，SBSa已经无法满足使用要求。随着T掺量的增大，SBSa的显著增加，当T的掺量为2%、4%、6%、8%时，老化沥青的延度分别增大了3.4倍、6.1倍、7.8倍和8.5倍。表明掺入T有效改善SBSa的低温抗裂性能，因为T中的小分子流动性好，使得大分子链结构间的间距变大，进而改善了沥青的低温抗裂能力[15]。SBSa+6T的延度比原样SBS仅仅大了0.9 cm，说明掺入6%的T能使SBSa的延度恢复到原样SBS沥青水平。

2.4 旋转黏度

图4显示了不同掺量T的再生SBS改性沥青的旋转黏度。由图4可知，在各试验温度下，SBSa的黏度值几乎是SBS黏度值的两倍，已经不能满足规范[18]对SBS改性沥青的135℃黏度的要求（≤3 Pa·s）。在同一温度时，随着T掺量的增加，沥青黏度值逐渐减小，这是由于低黏度的T掺入补充了老化沥青中损失的轻质油分，从而降低了沥青样品的黏度[4]。当T的掺量≥4%时，SBSa的135℃黏度已经能满足规范要求。此外，温度的增加会削弱T的降黏效果，以SBSa+2T为例，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）仅仅比SBSa（0.528 6 Pa·s）低了的10.5%。

图3 延度试验结果（5℃）

图4 旋转黏度试验结果

3 流变性能分析

3.1 动态剪切流变（DSR）试验

对不同掺量T的再生SBS改性沥青进行DSR试验，温度扫描范围为30℃～80℃，温度增量为2 ℃/min，得到再生SBS改性沥青的复数模量G*和相位角δ，据G*和δ可计算出车辙因子G*/sinδ。SHRP相关规范采用车辙因子G*/sinδ来评估沥青的抗车辙能力，G*/sinδ越大，沥青的抗车辙性能越强[17]。图5显示了不同掺量T的再生SBS改性沥青的G*/sinδ。由图可知，G*/sinδ随温度的升高而下降，且随T的掺量的增大而减小，表明温度的升高以及再生剂的掺入均会降低其抗永久变形的能力。SBSa的G*/sinδ最大，这与软化点以及黏度试验结果一致，表明其抗车辙能力最好。SBSa中添加4%的T可使其G*/sinδ的趋势几乎与SBS一致，大于此掺量，再生SBS改性沥青的抗车辙能力将弱于原样SBS改性沥青。

图5 车辙因子

3.2 低温弯曲蠕变（BBR）试验

重点对原样、老化及2组再生SBS改性沥青进行了BBR试验，试验温度为-6℃、-12℃、-18℃。劲度模量S和蠕变速率m的试验结果见图6～图7。在-6℃时小梁变形过大使得试验中途停止，因此无测试结果。当温度由-12℃降低至-18℃时，所有沥青的S值均增大、m值均减小，这表明沥青路面在低温条件下更容易出现裂缝。同一温度下，与原样SBS比，SBSa的S值更大而m值更小，表明老化SBS改性沥青更容易开裂。随T掺量的增大，SBSa的S值逐渐减小、m值逐渐增大，这表明掺入T的提高了SBSa的低温柔性和低温抗开裂性能。以-12℃的数据为例，SBSa+4T的S值和m值分别为92 MPa和0.392，而SBS的S值和m值分别为82 MPa和0.326，两者的S值和m值较为接近，说明SBSa中添加4%的桐油可以将其低温性能恢复至原有水平。

图6 劲度模量S值试验结果

图7 蠕变速率m值试验结果

4 结语

（1）随桐油掺量的增大，老化SBS改性沥青（SBSa）的针入度、延度逐渐增大，软化点和黏度减小。当桐油掺量为4%时，SBSa的针入度和软化点可以恢复至原样SBS改性沥青的水平，SBSa的135℃黏度可以满足规范[8]要求。当桐油掺量为6%时，SBSa的5℃延度可以恢复至原样SBS改性沥青的水平。（2）DRS试验结果显示：桐油的掺入会降低SBSa的抗车辙性能，当桐油掺量为4%时，SBSa的抗车辙性能可以恢复至原样SBS改性沥青的水平。（3）BBR试验结果显示：随T掺量的增大，SBSa的S值逐渐减小、m值逐渐增大，桐油的掺入改善了SBSa的低温抗裂性能，4%的桐油可使SBSa的低温性能恢复到原样沥青水平。（4）综合考虑桐油的再生效果和经济效益，推荐桐油的最佳掺量为4%。