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        基于光譜分析的SBS改性瀝青再生機(jī)理研究

        2015-11-28 08:38:38何兆益冉龍飛曹青霞
        建筑材料學(xué)報(bào) 2015年5期

        何兆益,冉龍飛,2,曹青霞,3

        (1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,重慶 400074;2.重慶市公路工程質(zhì)量檢測(cè)中心,重慶 400060;3.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,甘肅 蘭州 730030)

        SBS改性瀝青約占道路瀝青總質(zhì)量的15%,按此計(jì)算,10年后中國(guó)高速公路瀝青路面大、中修產(chǎn)生的廢舊SBS 改性瀝青混合料預(yù)計(jì)將每年達(dá)到1 200萬t左右.可見,SBS改性瀝青混合料再生技術(shù)的研究對(duì)于環(huán)境保護(hù)、資源有效利用、實(shí)現(xiàn)路面的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.對(duì)于瀝青再生機(jī)理的研究,目前得到多數(shù)學(xué)者認(rèn)可的有“相容性理論”[1]與“組分調(diào)節(jié)理論”[2]2 種.此 外,王 濤 等[3]提出了再生劑作用機(jī)理的“體積效應(yīng)”和“屏蔽效應(yīng)”,余國(guó)賢等[4]提出了再生劑作用的“增溶分散機(jī)理”、“稀釋調(diào)和機(jī)理”和“蠟晶作用機(jī)理”.本文選擇4種再生劑,通過紅外光譜分析和美國(guó)SHRP試驗(yàn)研究了再生劑及再生SBS改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu),從分子運(yùn)動(dòng)學(xué)角度,提出了“界面活性理論”,可為再生劑的研發(fā)提供一定的參考.

        1 試驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)材料

        再生劑:ZZ,自主研發(fā),RA-2,DN100,DN101均為某大學(xué)研制,4種再生劑的基本性能指標(biāo)見表1.SBS 改性瀝青,由70#A 級(jí)中海油石油瀝青加5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的線型SBS改性劑在(175±5)℃,3 000r/min的條件下剪切40min,并在(165±5)℃下溶脹2h得到,其技術(shù)性能指標(biāo)見表2.

        表1 再生劑基本性能指標(biāo)對(duì)比Table 1 Basic performance index contrast of recycling agents

        表2 SBS改性瀝青性能指標(biāo)Table 2 Performance index of SBS modified asphalt

        1.2 試驗(yàn)儀器

        BRL-WQF-600N 傅里葉變換近紅外光譜儀,波數(shù)范圍:4 000~400cm-1,分辨率優(yōu)于4cm-1,北京恒奧德儀器儀表有限公司生產(chǎn);DISCOVERY-HR3型動(dòng)態(tài)剪切流變儀,美國(guó)TA 公司生產(chǎn);M225832彎曲梁流變儀,北京中西選大科技有限公司生產(chǎn).

        1.3 試驗(yàn)方案

        將4種再生劑分別涂于KBr晶片上進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn).通過旋轉(zhuǎn)薄膜+壓力老化的方式對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行老化,再分別將4種再生劑按質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%加入老化后的SBS改性瀝青中,使之再生,并對(duì)這4種再生SBS改性瀝青進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)和SHRP試驗(yàn)(即布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)RV,動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)DSR 和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)BBR).

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 SBS改性瀝青再生劑

        再生劑能夠增加老化瀝青再生后膠體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,與老化瀝青有較好的相容性,可溶解和分散其瀝青質(zhì),改善黏度,調(diào)節(jié)流變性能.研究[5-6]表明,再生劑中占質(zhì)量80%~90%的成分主要由富含芳烴的基礎(chǔ)油分和增塑劑組成,因此,基礎(chǔ)油分和增塑劑的存在決定了老化瀝青的再生機(jī)理.

        2.1.1 紅外光譜分析

        再生劑ZZ,RA-2,DN100,DN101 的紅外光譜見圖1.

        圖1 4種再生劑的紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of recycling agents

        由圖1可見:

        (1)4種再生劑均在(1 600±10)cm-1,1 500~1 450cm-1和(1 380±10)cm-1處出現(xiàn)了3~4個(gè)芳烴 C═ C吸收峰,研究[7]表明,這4種再生劑均含有芳烴,其對(duì)瀝青質(zhì)具有良好的溶解能力,能有效調(diào)節(jié)瀝青的黏度.

        (2)4種再生劑均含有羥基 O═ H 振動(dòng)吸收峰(3 430 cm-1)、CH3反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰(2 958cm-1)、CH2反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰(2 924,2 858cm-1)、酯羰基 C═ O 鍵伸縮振動(dòng)峰(1 750cm-1)、亞砜基 S═ O(1 030cm-1)及苯環(huán)上的CH 面外彎曲振動(dòng)吸收峰(870~670cm-1),說明再生劑中含有極性酯羰基、羥基、亞砜基及非極性的甲基、亞甲基,是1種一端由親水基(極性部分)、一端由憎水基(非極性部分)組成的表面活性劑[8].

        2.2 再生SBS改性瀝青

        2.2.1 紅外光譜分析

        老化SBS改性瀝青(LH)與再生SBS改性瀝青的紅外光譜見圖2,其中Z,R,D0,D1分別表示加入再生劑ZZ,RA-2,DN100,DN101的再生SBS改性瀝青.

        圖2 老化SBS改性瀝青與再生SBS改性瀝青的紅外光譜Fig.2 Infrared spectra of aged and recycled SBS modified asphalt

        由圖2 可見:老化SBS 改性瀝青和4 種再生SBS改性瀝青的峰位基本一致,只是峰值明顯不同,這主要是再生劑加入后,在瀝青質(zhì)與軟瀝青之間形成一層“界面膜”,由于分子間的不斷運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致該膜的極性端與瀝青質(zhì)具有很好的相容性,而其非極性端則與軟瀝青相親.具體的作用過程見圖3.

        圖3 界面活性作用機(jī)理Fig.3 Mechanism diagrams of interfacial activity theory

        為了定量研究再生SBS 改性瀝青紅外光譜峰的吸收強(qiáng)度,本文提出了4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),分別為羰基指數(shù)(CI)、亞砜基指數(shù)(SI)、芳烴基指數(shù)(FI)及丁二烯指數(shù)(DI),其計(jì)算式分別為:

        式中:AC=O為羰基吸收峰面積;AS=O為亞砜基吸收峰面積;AF為芳烴基吸收峰面積;AD為丁二烯基吸收峰面積;A 為光譜總面積.

        4種再生SBS改性瀝青的羰基指數(shù)、亞砜基指數(shù)、芳烴指數(shù)、丁二烯指數(shù)見表3.

        表3 再生SBS改性瀝青指數(shù)Table 3 Four indexs of recycled SBS modified asphalt

        由表3 可見:再生SBS 改性瀝青的羰基指數(shù)、亞砜基指數(shù)、芳烴指數(shù)、丁二烯指數(shù)變化無規(guī)律性,這是由于4 種再生劑中所含基團(tuán)的種類和含量不同,而且改性瀝青老化會(huì)導(dǎo)致部分SBS改性劑發(fā)生裂變,使其對(duì)老化瀝青的影響效果不同,因此不能從分子修復(fù)的角度來解釋老化SBS改性瀝青的再生機(jī)理,而應(yīng)從分子運(yùn)動(dòng)學(xué)角度出發(fā),運(yùn)用“界面活性理論”來進(jìn)行解釋.

        2.2.2 SHRP試驗(yàn)

        通過布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)(RV),動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)測(cè)試?yán)匣疭BS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的黏度,復(fù)數(shù)剪切動(dòng)態(tài)模量G*及相位角δ,-12℃低溫蠕變勁度S 和蠕變勁度變化速率m.RV 試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,DSR試驗(yàn)結(jié)果如圖5~8所示,BBR試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

        圖4 老化SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的黏溫曲線Fig.4 Viscosity-temperature curve of aged and recycled SBS modified asphalt

        圖5 老化SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的G*-t變化曲線Fig.5 G*-t curve of aged and recycled SBS modified asphalt

        由圖4可見,4種再生劑均使老化SBS改性瀝青的黏度降低.依據(jù)“界面活性理論”可知,老化后SBS改性瀝青發(fā)生了氧化、聚合反應(yīng),小分子聚合成大分子,使瀝青分子的作用力增強(qiáng),抵抗形變的剛性增大,再生劑加入后,在瀝青質(zhì)表面形成一層薄膜,促進(jìn)聚合物大分子或鏈段運(yùn)動(dòng),起到潤(rùn)滑和增溶作用.

        圖6 老化SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的δ-t變化曲線Fig.6 δ-t curve of aged and recycled SBS modified asphalt

        圖7 老化SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的G*/sinδ-t變化曲線Fig.7 G*/sinδ-t curve of aged and recycled SBS modified asphalt

        圖8 老化SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的G*sinδ-t變化曲線Fig.8 G*sinδ-t curve of aged and recycled SBS modified asphalt

        由圖5,6可見,4種再生SBS改性瀝青的G*降低,δ 增大,黏性增加,彈性減小,流變性能得到恢復(fù).由圖7可見,4種再生SBS改性瀝青的G*/sinδ下降,流動(dòng)性能增加.由圖8可見,4種再生SBS改性瀝青的G*sinδ下降,抗疲勞性能增加,即4種再生劑均使老化SBS改性瀝青的流動(dòng)性增加,流變性能得到恢復(fù).依據(jù)“界面活性理論”可知,再生劑的加入,不但起到潤(rùn)滑和增溶作用,使流動(dòng)性增加,抗車轍能力下降,而且還由于“界面膜”的形成增強(qiáng)了分子間的作用力,使抗疲勞性能增加.

        表4 SBS改性瀝青老化及再生后-12℃BBR值Table 4 -12℃BBR values of SBS modified asphalt after aging and recycling

        由表4可見,4種再生SBS改性瀝青的S 均減小,m 均增大,說明4種再生劑的加入使老化瀝青的低溫性能提高,抵抗應(yīng)力松弛的能力增加.這是由于瀝青老化后極性增強(qiáng),在加熱過程中,瀝青分子的作用力慢慢減弱,而再生劑中的極性基團(tuán)與瀝青極性基團(tuán)相互作用,進(jìn)一步削弱了瀝青分子的作用力,使非極性分子填充在極性分子之間,增加了極性分子之間的距離,從而使瀝青分子鏈容易運(yùn)動(dòng),低溫柔韌性增加.

        3 結(jié)論

        (1)再生劑是一種典型的表面活性劑,含有極性的酯羰基、羥基、亞砜基及非極性的甲基、亞甲基.

        (2)再生SBS 改性瀝青中羰基指數(shù)、亞砜基指數(shù)、芳烴指數(shù)、丁二烯指數(shù)的變化無規(guī)律性,不能從分子修復(fù)的角度解釋這種瀝青的再生機(jī)理.從分子運(yùn)動(dòng)學(xué)角度出發(fā),提出了瀝青再生機(jī)理的“界面活性理論”.

        (3)運(yùn)用“界面活性理論”可有效解釋再生SBS改性瀝青黏度降低、流變性能得到恢復(fù)、抗疲勞性能增加、低溫變形能力增強(qiáng)機(jī)理.

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