老化程度對SBS改性生物瀝青老化性能的影響研究

邵鵬坤

摘要：為研究老化程度對SBS改性生物瀝青的老化性能影響，文章采用旋轉薄膜烘箱（RTFO）試驗和壓力老化儀（PAV）試驗，基于針入度、軟化點、延度、車轍因子、芳烴基指數和亞砜基指數等指標，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。結果表明：SBS改性瀝青的老化可分為兩個階段，第一階段為輕質組分的揮發和丁二烯的熱氧老化降解，導致SBS交聯結構的解體；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生氧化，導致樹脂、飽和烴與芳烴均轉化為瀝青質，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程。

關鍵詞：道路工程；改性瀝青；SBS；生物油；老化性能

中圖分類號：U416.03 A 31 099 3

0 引言

近年來，生物質資源因就地取材、成本低廉、綠色環保等優點，逐漸成為道路工程路面材料的研究熱點。生物瀝青是一種具有代表性的生物質資源，主要來源于植物廢棄物、動物糞便和城市垃圾［1］。常采用復合改性技術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組分，因此老化性能是其關鍵性能指標［4］。瀝青老化一般可分為短期老化和長期老化。短期老化可用旋轉薄膜烘箱（RTFO）進行測試，而長期老化通常采用基于RTFO后瀝青的壓力老化儀（PAV）進行測試。由于瀝青路面服役期的不可控性，若僅按照規范中的要求將PAV時間設置為20 h，無法真實表征瀝青混合料的長期老化性能。

目前有許多研究致力于分析復合改性生物瀝青的老化特性，結果表明老化程度對生物瀝青的老化性能及其機理有顯著影響［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和生物油均會影響瀝青的老化過程，且二者在老化瀝青基體中的相互作用還有待進一步研究。同時，關于SBS改性生物瀝青的老化機制研究較少。因此，本文采用RTFO和PAV試驗，基于一系列瀝青性能指標，研究了不同老化程度下SBS改性生物瀝青的老化性能。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

基質瀝青選用70#A級道路石油瀝青，而生物油是通過熱解植物木屑得到的粘稠狀液體，顏色為深棕色，其與SBS均由長沙某科技有限公司提供?；|瀝青、生物油和SBS的技術指標見表1～3。

1.2 改性瀝青的制備

SBS的摻量為基質瀝青和生物瀝青總質量的4.5%，而生物瀝青的摻量為基質瀝青質量的10%。SBS改性生物瀝青的制備過程為：（1）將基質瀝青加熱至流動狀態，然后在150 ℃～160 ℃的溫度下，將生物瀝青添加到基質瀝青，用玻璃棒手動攪拌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）對基質瀝青和生物瀝青（基質瀝青+10%生物油）分別采用上述剪切處理，以此減少剪切老化對試驗結果對比的干擾。

1.3 試驗方法

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

基于三大指標表征不同老化程度下瀝青的常規老化性能。采用動態剪切流變儀（DSR）的溫度掃描試驗，在30 ℃～80 ℃的溫度以10 rad/s的角頻率進行。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，將試驗溫度設置為-18 ℃和-12 ℃，且以蠕變剛度和蠕變速率作為BBR試驗指標。最后，采用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）對老化瀝青的官能團進行研究，FTIR波長范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為0.4 cm-1。

2 試驗結果與分析

2.1 三大指標老化性能

瀝青在老化過程中的三大指標會隨之變化，因此，可考慮采用老化前后的三大指標變化程度來表征瀝青的老化性能，即針入度老化指數（PAI）、軟化點老化指數（SAI）和延度老化指數（DAI），三者的計算公式分別如式（1）～（3）所示。將三大指標結果代入上述公式，得到基質瀝青、生物瀝青和SBS改性生物瀝青的三大指標老化指數，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老化前瀝青的軟化點×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。這是因為隨著老化過程的加深，瀝青的針入度和延度減少，而軟化點增加，若老化前后變化程度不大，即PAI和DAI越大，SAI越小，則說明瀝青的抗老化性能更佳。與基質瀝青相比，生物瀝青的PAI和DAI更小，而SAI更大，這說明生物油不利于瀝青的抗老化性能。由表4還可發現，與生物瀝青相比，SBS改性生物瀝青的老化性能得到改善，這說明SBS可以增強生物瀝青的老化抵抗力。因為在老化過程的發展中，SBS改性生物瀝青的飽和烴與芳烴氧化形成瀝青質，彌補了生物油的輕質組分揮發，延緩了短期老化的加深。

2.2 DSR老化性能

三大指標無法真實表征瀝青的流變性能，因此，根據《瀝青的復合模量（G*）及相位角測試方法》（AASHTO TP5-93）計算3種瀝青在不同老化程度下的車轍老化指數（RAI），計算如式（4）所示，結果如表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。一般來說，RAI的值越小表明瀝青的抗老化性能越好。

RAI=老化后瀝青的車轍指數老化前瀝青的車轍指數×100%（4）

由表5可知，隨著測試溫度的增加，不論老化程度如何，3種瀝青的RAI均逐漸減小，這說明測試溫度的增加可以略微降低老化對瀝青高溫性能的影響。此外，無論是短期老化還是長期老化，3種瀝青的RAI的大小順序為生物瀝青>基質瀝青>SBS改性生物瀝青。結果表明，SBS改性生物瀝青的老化性能優于生物瀝青和基質瀝青，這與三大指標老化試驗結果一致。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，即聚合物相結構比生物瀝青更豐富，SBS在生物瀝青中的交聯網絡能在一定程度延緩短期老化的發展。

2.3 FTIR老化性能

在FTIR試驗中，常采用芳烴基指數和亞砜基指數來評價瀝青的老化程度［7］。芳烴基指數等于芳烴基峰（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計算結果。

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和亞砜基指數均有所增加。這是因為在老化過程中，瀝青的不飽和基團在熱氧作用下，發生了碳鏈等化學物的氧化反應，增加了分子間的作用力，加快了極性含氧官能團的形成，使樹脂和油分逐漸轉化為瀝青質。在同等老化條件下，生物瀝青的芳烴基指數和亞砜基指數均高于基質瀝青，這說明生物油不利于瀝青的老化性能。由短期老化過渡到長期老化階段，SBS改性生物瀝青的兩種老化指標增長緩慢，說明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果。

2.4 老化機理分析

結合試驗結果，可歸納SBS改性生物瀝青的老化分為兩個階段：（1）短期老化向長期老化過渡的階段，SBS在瀝青中交聯網絡結構的氧化降解是其主要老化機制，而該機制補償了輕質組分的揮發，改善了生物瀝青的短期老化；（2）在長期老化階段，SBS的降解已經基本完成，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制。在第一階段中，SBS改性生物瀝青的芳烴基指數和亞砜基指數變化較小，這是因為生物油能提供輕質組分，延緩了SBS交聯結構的降解過程，從而改善其抗老化性能。同時，可以得出結論，SBS改性生物瀝青的氧化主要發生在長期老化過程中，即經過長期老化后，降解后的SBS仍存在于瀝青基體當中。然而，降解后的SBS無法繼續維持交聯網絡結構，因此經過長期熱老化后，SBS對生物瀝青的老化性能的改善作用顯著降低。

3 結語

（1）生物油因存在較多活性含氧官能團、輕質組分和不飽和鏈，使瀝青的老化性能降低，而SBS形成的交聯網絡結構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階段，即短期老化過程中SBS的降解和長期老化過程中樹脂和油分轉變為瀝青質。

（3）生物油摻量、SBS種類和制備工藝對改性瀝青的流變性能和老化性能的影響有待進一步研究。

參考文獻

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收稿日期：2023-09-10