董元帥, 唐國(guó)奇, 侯 蕓, 王 涵, 田佳磊, 魏艷萍

[1.中咨公路養(yǎng)護(hù)檢測(cè)技術(shù)有限公司， 北京 100089； 2.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100089；3.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心， 北京 100089；4.國(guó)路高科(北京)工程技術(shù)研究院有限公司， 北京 100083]

0 引言

干法SBS改性技術(shù)是指將干法SBS改性劑、基質(zhì)瀝青一同加入拌和樓中，在拌和過(guò)程中對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性的技術(shù)，該方法避免了濕法改性工藝存在的SBS改性劑離析、降解導(dǎo)致的性能變異，可以顯著提高瀝青混合料路用性能。但目前對(duì)干法SBS改性技術(shù)抗老化性方面的研究仍然較少。

瀝青老化可理解為瀝青中的活性基團(tuán)與空氣中的氧在一定溫度條件下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)老化動(dòng)力學(xué)性能研究可以了解瀝青老化的機(jī)理和過(guò)程，評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)瀝青的抗老化能力，為抗老化性能的改善提供理論支撐。

目前，瀝青老化動(dòng)力學(xué)研究主要有軟化點(diǎn)法、瀝青質(zhì)含量法、復(fù)數(shù)模量法等[1-4]，均以假設(shè)宏觀參數(shù)與反應(yīng)物濃度呈正比為基礎(chǔ)。其中，瀝青質(zhì)含量法以瀝青四組分中瀝青質(zhì)的組分變化表征其反應(yīng)程度，雖然結(jié)果較為直觀，但測(cè)量過(guò)程復(fù)雜，重復(fù)性較差，應(yīng)用較少。軟化點(diǎn)法以軟化點(diǎn)的升高幅度來(lái)表征反應(yīng)的深度，是目前最常見(jiàn)的老化動(dòng)力學(xué)研究方法。但相關(guān)研究表明，不同于基質(zhì)瀝青，SBS改性瀝青在老化過(guò)程中，隨著SBS改性劑的降解，軟化點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)先降低后升高的現(xiàn)象，因此，軟化點(diǎn)法不適用于改性瀝青的老化動(dòng)力學(xué)研究[5-6]。復(fù)數(shù)模量法是通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)試瀝青經(jīng)過(guò)不同老化時(shí)間的復(fù)數(shù)模量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到老化動(dòng)力學(xué)方程，以此來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的抗老化性。該方法能夠反映瀝青的高溫特性，比較適合用于SBS改性瀝青的抗老化評(píng)價(jià)。

為了深入考察干法改性技術(shù)對(duì)瀝青抗老化性的影響，本文通過(guò)復(fù)數(shù)模量法對(duì)基質(zhì)瀝青、干法SBS改性瀝青的老化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。

1 原材料和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原料

選用某進(jìn)口品牌70#基質(zhì)瀝青，性能指標(biāo)如表1所示。選用SBS-T為干法SBS改性劑，參考中國(guó)公路學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《公路干法SBS改性瀝青路面技術(shù)指南》(T/CHTS 20003)附錄C的要求，以基質(zhì)瀝青和6.5%摻量的SBS-T為原料通過(guò)剪切法制備得到干法改性瀝青，其性能指標(biāo)如表2所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青主要性能指標(biāo)軟化點(diǎn) /℃針入度 (25 ℃) /0.1 mm延度(15 ℃) /cm47.269>150

表2 干法SBS改性瀝青性能指標(biāo)新鮮瀝青RTFOTPAV車轍因子(76 ℃) /kPa旋轉(zhuǎn)黏度/(Pa·s)車轍因子(76 ℃) /kPa質(zhì)量損失 /%車轍因子(28 ℃) /kPaS (-18 ℃)/MPam (-18 ℃)1.651.812.64-0.013542270.347

1.2 試驗(yàn)方法

將2種試樣分別在不同溫度(150、160、170 ℃)下進(jìn)行不同時(shí)間(5、10、15、20 h)TFOT短期老化試驗(yàn)，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)T0628的要求測(cè)試新鮮樣品及老化殘余物的復(fù)數(shù)模量。

復(fù)數(shù)模量(G*)使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀，按照AASHTO MP1a-04方法測(cè)試得到，測(cè)試溫度為64℃。以復(fù)數(shù)模量為參數(shù)的老化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(1)。

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 老化溫度及時(shí)間對(duì)復(fù)數(shù)模量的影響

70#瀝青、干法 SBS改性瀝青復(fù)數(shù)模量隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖1所示。由圖可以看出，2種瀝青的復(fù)數(shù)模量均隨著老化時(shí)間增加而呈現(xiàn)指數(shù)增

(a) 70#瀝青(b) 干法SBS改性瀝青

長(zhǎng)趨勢(shì)，在同一老化時(shí)間下，老化溫度越高，復(fù)數(shù)模量增幅越大。

2.2 老化動(dòng)力學(xué)方程

(a) 70#瀝青

(b) 干法SBS改性瀝青

表3 2種瀝青樣品的老化速率常數(shù)溫度/℃70# 瀝青干法SBS改性瀝青Kln KR2Kln KR21500.107 2-2.232 60.997 80.061 6-2.787 40.998 71600.164 4-1.805 30.998 90.095 1-2.352 50.9921700.247 3-1.397 30.999 10.144 1-1.937 20.993

其中，老化反應(yīng)速率常數(shù)K符合阿倫尼烏斯方程：

(2)

式中：K0為指前因子；Ea為反應(yīng)物活化能，kJ /mol；R為普適氣體常量；T為開(kāi)爾文溫度。

根據(jù)式(2)對(duì)-lnK和1/T進(jìn)行線性回歸，如圖3所示。

(a) 70#瀝青

(b) 干法BS改性瀝青

圖3所得直線具有良好的相關(guān)性，通過(guò)線性回歸得到直線的斜率即為相應(yīng)的E/R，與Y軸的截距即為lnK0，結(jié)果如表4所示。

表4 兩種瀝青樣品的老化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)瀝青種類Ea/ (kJ·mol-1)A/hln G*070#瀝青65 11511 712 6657.812 0干法改性瀝青66 2709 341 0658.389 4

將式(2)代入老化動(dòng)力學(xué)方程式(1)中，得到式(3)。

(3)

代入表4的動(dòng)力學(xué)參數(shù)即可得到70#瀝青(式4)、干法改性瀝青(式5)老化動(dòng)力學(xué)方程。

(4)

(5)

由上可知，根據(jù)一級(jí)老化動(dòng)力學(xué)公式可以得到較好的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明干法SBS改性瀝青的老化反應(yīng)與基質(zhì)瀝青相同，仍為一級(jí)反應(yīng)，采用復(fù)數(shù)模量的變化可以較好地表征其動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

通過(guò)對(duì)比還可以發(fā)現(xiàn)，干法改性瀝青的老化反應(yīng)活化能要大于70#重交瀝青，根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，反應(yīng)的活化能越大則反應(yīng)速率越慢；因?yàn)闉r青經(jīng)過(guò)改性后，老化反應(yīng)深度較改性前有所降低，說(shuō)明瀝青的抗老化能力得到改善。這可能是受多方面原因所影響，一方面，所加入的SBS改性劑與基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)油分相互吸收滲透并形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在提高路用性能的同時(shí)，還在一定程度上減少了瀝青中輕質(zhì)油分的揮發(fā)以及活性自由基的數(shù)量；另一方面改性劑的加入改變了基質(zhì)瀝青的組分組成，打破了原瀝青的化學(xué)平衡，在受熱時(shí)延緩了反應(yīng)向正反應(yīng)進(jìn)行的速率，提高了體系組分組成的穩(wěn)定性[8-9]。

3 結(jié)論

1)與基質(zhì)瀝青相比，干法SBS改性瀝青具有更高的反應(yīng)活化能，它的老化反應(yīng)速率更低，抗老化能力得到改善。

2)研究結(jié)果顯示lnK與1/T曲線具有良好的

線性關(guān)系，驗(yàn)證了采取復(fù)數(shù)模量參數(shù)為基礎(chǔ)的老化動(dòng)力學(xué)研究的可行性。