邵鵬坤

摘要：為研究老化程度對(duì)SBS改性生物瀝青的老化性能影響，文章采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFO）試驗(yàn)和壓力老化儀（PAV）試驗(yàn)，基于針入度、軟化點(diǎn)、延度、車(chē)轍因子、芳烴基指數(shù)和亞砜基指數(shù)等指標(biāo)，研究了SBS改性生物瀝青在不同老化程度（RTFO、PAV10、PAV20、PAV30）下的老化特性。結(jié)果表明：SBS改性瀝青的老化可分為兩個(gè)階段，第一階段為輕質(zhì)組分的揮發(fā)和丁二烯的熱氧老化降解，導(dǎo)致SBS交聯(lián)結(jié)構(gòu)的解體；隨著老化程度的加深，SBS改性生物瀝青中的不飽和碳鏈和硫均發(fā)生氧化，導(dǎo)致樹(shù)脂、飽和烴與芳烴均轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，即為第二階段；雖然SBS可以延緩生物瀝青的短期老化，但并不能改變其老化演化過(guò)程。

關(guān)鍵詞：道路工程；改性瀝青；SBS；生物油；老化性能

中圖分類號(hào)：U416.03 A 31 099 3

0 引言

近年來(lái)，生物質(zhì)資源因就地取材、成本低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為道路工程路面材料的研究熱點(diǎn)。生物瀝青是一種具有代表性的生物質(zhì)資源，主要來(lái)源于植物廢棄物、動(dòng)物糞便和城市垃圾［1］。常采用復(fù)合改性技術(shù)改善生物瀝青的性能缺陷，如SBS、橡膠粉、巖瀝青等［2-3］。因生物瀝青具有高比例的輕質(zhì)組分，因此老化性能是其關(guān)鍵性能指標(biāo)［4］。瀝青老化一般可分為短期老化和長(zhǎng)期老化。短期老化可用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFO）進(jìn)行測(cè)試，而長(zhǎng)期老化通常采用基于RTFO后瀝青的壓力老化儀（PAV）進(jìn)行測(cè)試。由于瀝青路面服役期的不可控性，若僅按照規(guī)范中的要求將PAV時(shí)間設(shè)置為20 h，無(wú)法真實(shí)表征瀝青混合料的長(zhǎng)期老化性能。

目前有許多研究致力于分析復(fù)合改性生物瀝青的老化特性，結(jié)果表明老化程度對(duì)生物瀝青的老化性能及其機(jī)理有顯著影響［5-6］。雖然已有研究表征了SBS改性瀝青和生物瀝青的老化特性，但由于SBS和生物油均會(huì)影響瀝青的老化過(guò)程，且二者在老化瀝青基體中的相互作用還有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，關(guān)于SBS改性生物瀝青的老化機(jī)制研究較少。因此，本文采用RTFO和PAV試驗(yàn)，基于一系列瀝青性能指標(biāo)，研究了不同老化程度下SBS改性生物瀝青的老化性能。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青選用70#A級(jí)道路石油瀝青，而生物油是通過(guò)熱解植物木屑得到的粘稠狀液體，顏色為深棕色，其與SBS均由長(zhǎng)沙某科技有限公司提供?；|(zhì)瀝青、生物油和SBS的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1～3。

1.2 改性瀝青的制備

SBS的摻量為基質(zhì)瀝青和生物瀝青總質(zhì)量的4.5%，而生物瀝青的摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的10%。SBS改性生物瀝青的制備過(guò)程為：（1）將基質(zhì)瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)，然后在150 ℃～160 ℃的溫度下，將生物瀝青添加到基質(zhì)瀝青，用玻璃棒手動(dòng)攪拌10 min；（2）將SBS添加到上述混合物中，并將溫度提高到180 ℃，采用高速剪切儀以4 500 r/min的速度剪切≥45 min；（3）對(duì)基質(zhì)瀝青和生物瀝青（基質(zhì)瀝青+10%生物油）分別采用上述剪切處理，以此減少剪切老化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的干擾。

1.3 試驗(yàn)方法

采用RTFO模擬瀝青混合料施工過(guò)程中的短期老化，老化溫度為163 ℃±0.5 ℃，老化時(shí)間為85 min。隨后，采用PAV模擬瀝青路面在服役期間的長(zhǎng)期老化，將RTFO后的試樣置于PAV中，在100 ℃下分別老化10 h、20 h和30 h，為方便表述長(zhǎng)期老化瀝青試樣，將其縮寫(xiě)為PAV10、PAV20和PAV30。

基于三大指標(biāo)表征不同老化程度下瀝青的常規(guī)老化性能。采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）的溫度掃描試驗(yàn)，在30 ℃～80 ℃的溫度以10 rad/s的角頻率進(jìn)行。采用彎曲梁流變儀（BBR）表征不同老化程度的瀝青低溫流變特性，將試驗(yàn)溫度設(shè)置為-18 ℃和-12 ℃，且以蠕變剛度和蠕變速率作為BBR試驗(yàn)指標(biāo)。最后，采用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）對(duì)老化瀝青的官能團(tuán)進(jìn)行研究，F(xiàn)TIR波長(zhǎng)范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為0.4 cm-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三大指標(biāo)老化性能

瀝青在老化過(guò)程中的三大指標(biāo)會(huì)隨之變化，因此，可考慮采用老化前后的三大指標(biāo)變化程度來(lái)表征瀝青的老化性能，即針入度老化指數(shù)（PAI）、軟化點(diǎn)老化指數(shù)（SAI）和延度老化指數(shù)（DAI），三者的計(jì)算公式分別如式（1）～（3）所示。將三大指標(biāo)結(jié)果代入上述公式，得到基質(zhì)瀝青、生物瀝青和SBS改性生物瀝青的三大指標(biāo)老化指數(shù)，如表4所示。

PAI=老化后瀝青的針入度老化前瀝青的針入度×100%（1）

SAI=老化后瀝青的軟化點(diǎn)老化前瀝青的軟化點(diǎn)×100%（2）

DAI=老化后瀝青的延度老化前瀝青的延度×100%（3）

由表4可知，隨著老化程度的加深，3種瀝青的PAI和DAI均減少，而SAI則有所增加，表明瀝青的抗老化性能均隨老化程度的加深而逐漸降低。這是因?yàn)殡S著老化過(guò)程的加深，瀝青的針入度和延度減少，而軟化點(diǎn)增加，若老化前后變化程度不大，即PAI和DAI越大，SAI越小，則說(shuō)明瀝青的抗老化性能更佳。與基質(zhì)瀝青相比，生物瀝青的PAI和DAI更小，而SAI更大，這說(shuō)明生物油不利于瀝青的抗老化性能。由表4還可發(fā)現(xiàn)，與生物瀝青相比，SBS改性生物瀝青的老化性能得到改善，這說(shuō)明SBS可以增強(qiáng)生物瀝青的老化抵抗力。因?yàn)樵诶匣^(guò)程的發(fā)展中，SBS改性生物瀝青的飽和烴與芳烴氧化形成瀝青質(zhì)，彌補(bǔ)了生物油的輕質(zhì)組分揮發(fā)，延緩了短期老化的加深。

2.2 DSR老化性能

三大指標(biāo)無(wú)法真實(shí)表征瀝青的流變性能，因此，根據(jù)《瀝青的復(fù)合模量（G*）及相位角測(cè)試方法》（AASHTO TP5-93）計(jì)算3種瀝青在不同老化程度下的車(chē)轍老化指數(shù)（RAI），計(jì)算如式（4）所示，結(jié)果如表5所示。RAI可以表征老化前后瀝青的永久變形抵抗力的變化程度。一般來(lái)說(shuō)，RAI的值越小表明瀝青的抗老化性能越好。

RAI=老化后瀝青的車(chē)轍指數(shù)老化前瀝青的車(chē)轍指數(shù)×100%（4）

由表5可知，隨著測(cè)試溫度的增加，不論老化程度如何，3種瀝青的RAI均逐漸減小，這說(shuō)明測(cè)試溫度的增加可以略微降低老化對(duì)瀝青高溫性能的影響。此外，無(wú)論是短期老化還是長(zhǎng)期老化，3種瀝青的RAI的大小順序?yàn)樯餅r青>基質(zhì)瀝青>SBS改性生物瀝青。結(jié)果表明，SBS改性生物瀝青的老化性能優(yōu)于生物瀝青和基質(zhì)瀝青，這與三大指標(biāo)老化試驗(yàn)結(jié)果一致。SBS改性生物瀝青的老化性能得到改善，這主要是由于SBS改性生物瀝青的聚合物量比生物瀝青多，即聚合物相結(jié)構(gòu)比生物瀝青更豐富，SBS在生物瀝青中的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)能在一定程度延緩短期老化的發(fā)展。

2.3 FTIR老化性能

在FTIR試驗(yàn)中，常采用芳烴基指數(shù)和亞砜基指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的老化程度［7］。芳烴基指數(shù)等于芳烴基峰（1 600 cm-1）面積除以所有特征峰（600～2 000 cm-1）的面積；亞砜基指數(shù)等于亞砜基峰（1 030 cm-1）面積除以所有特征峰（600～2 000 cm-1）的面積。如圖1和圖2所示為瀝青的兩種微觀指數(shù)計(jì)算結(jié)果。

由圖1和圖2可知，隨著老化程度的加深，3種瀝青的芳烴基指數(shù)和亞砜基指數(shù)均有所增加。這是因?yàn)樵诶匣^(guò)程中，瀝青的不飽和基團(tuán)在熱氧作用下，發(fā)生了碳鏈等化學(xué)物的氧化反應(yīng)，增加了分子間的作用力，加快了極性含氧官能團(tuán)的形成，使樹(shù)脂和油分逐漸轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)。在同等老化條件下，生物瀝青的芳烴基指數(shù)和亞砜基指數(shù)均高于基質(zhì)瀝青，這說(shuō)明生物油不利于瀝青的老化性能。由短期老化過(guò)渡到長(zhǎng)期老化階段，SBS改性生物瀝青的兩種老化指標(biāo)增長(zhǎng)緩慢，說(shuō)明SBS有助于改善生物瀝青的短期老化性能，即SBS改性生物瀝青的短期老化是瀝青基體、SBS和生物油共同作用的結(jié)果。

2.4 老化機(jī)理分析

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，可歸納SBS改性生物瀝青的老化分為兩個(gè)階段：（1）短期老化向長(zhǎng)期老化過(guò)渡的階段，SBS在瀝青中交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化降解是其主要老化機(jī)制，而該機(jī)制補(bǔ)償了輕質(zhì)組分的揮發(fā)，改善了生物瀝青的短期老化；（2）在長(zhǎng)期老化階段，SBS的降解已經(jīng)基本完成，而不飽和碳鏈與硫的氧化生成芳烴基和亞砜基是其主要老化機(jī)制。在第一階段中，SBS改性生物瀝青的芳烴基指數(shù)和亞砜基指數(shù)變化較小，這是因?yàn)樯镉湍芴峁┹p質(zhì)組分，延緩了SBS交聯(lián)結(jié)構(gòu)的降解過(guò)程，從而改善其抗老化性能。同時(shí)，可以得出結(jié)論，SBS改性生物瀝青的氧化主要發(fā)生在長(zhǎng)期老化過(guò)程中，即經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化后，降解后的SBS仍存在于瀝青基體當(dāng)中。然而，降解后的SBS無(wú)法繼續(xù)維持交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期熱老化后，SBS對(duì)生物瀝青的老化性能的改善作用顯著降低。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）生物油因存在較多活性含氧官能團(tuán)、輕質(zhì)組分和不飽和鏈，使瀝青的老化性能降低，而SBS形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可改善生物瀝青的抗老化性能。

（2）隨著老化程度的加深，SBS改性生物瀝青的老化分為兩個(gè)階段，即短期老化過(guò)程中SBS的降解和長(zhǎng)期老化過(guò)程中樹(shù)脂和油分轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青質(zhì)。

（3）生物油摻量、SBS種類和制備工藝對(duì)改性瀝青的流變性能和老化性能的影響有待進(jìn)一步研究。

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收稿日期：2023-09-10