SBS改性沥青在不同老化状态下的多次再生评价

黄晓

（成都师范学院 物理与工程技术学院，四川 成都 611130）

0 引言

近年来，我国高速公路发展由新建为主转为建养并重，并逐渐发展到养护为主的时代，2000年以后修建的高速公路已经服役了10余年，据统计全国范围内通车10年以上的公路里程占30%以上。SBS改性沥青广泛应用于高等级公路沥青路面，改性沥青路面已经逐渐进入了大中修期，预计每年产生的废旧SBS改性沥青混合料上千万吨，再生利用迫在眉睫，而旧SBS改性沥青混合料热再生是其价值最大化的技术途径。目前国内外学者对SBS改性沥青的老化和再生机理、再生剂对SBS改性热再生混合料路用性能及疲劳性能等方面开展了大量研究，也研发了大量沥青再生剂产品。祁文洋等[1]研究了SBS改性沥青的老化特征与再生机理。郑传峰等[2]研究了再生SBS改性沥青混合料的路用性能和疲劳性能，结果表明，再生SBS改性沥青混合料可用于高等级公路面层，但再生沥青混合料的低温性能和疲劳性能降低。何兆益等[3]基于红外光谱分析了不同再生剂对SBS改性沥青的再生机理，结果表明，掺加再生剂促进了聚合物大分子链段的运动，起到了增溶和润滑作用。赵永利等[4]研究了SBS改性沥青的老化特征，对比了再生剂再生和调和再生方式对老化SBS改性沥青性能的恢复效果，结果表明，利用软沥青和老化沥青相互调和不可能实现老化沥青再生，使用再生剂是对老化沥青性能恢复的必要手段，在再生技术中，软沥青不能代替再生剂。马涛等[5]研究了再生剂和新沥青对老化SBS改性沥青低温性能的影响，结果表明，再生剂与新沥青对再生沥青的作用机理不同，对严重老化后的SBS改性沥青，为保证再生沥青在长期老化条件下的抗裂性，必须使用最佳掺量的再生剂。甘新立等[6]基于复合材料理论研究了再生剂与新沥青对老化SBS改性沥青的再生规律，结果表明再生剂再生与新旧沥青调和再生二者作用规律基本相同，但新旧沥青调和再生对老化沥青低温性能改善效果较差，再生剂再生后再生沥青的温度敏感性优于新沥青。郑南翔等[7]研究了再生剂和新沥青对老化SBS改性沥青再生性能，结果表明，老化沥青的延度较难恢复到新沥青水平，高标号沥青比低标号沥青有更好的再生效果，老化沥青的再生性能满足复合律方程。

综上，国内外学者采用室内试验和微细观分析等手段对热老化作用下SBS改性沥青的老化与再生机理进行的研究较多，但不同老化状态下SBS改性沥青多次再生评价方面研究较少。本文针对轻微老化、PAV压力老化及介于轻度与重度老化之间的临界老化状态的SBS改性沥青开展多次老化与再生试验研究，通过针入度试验、测力延度试验、弹性恢复率试验评价多次老化与再生SBS改性沥青的性能，为多次再生沥青的研究与应有提供参考。

1 试验方案

1.1 原材料

（1）再生剂：YCLOGEN-L型，美德维实伟克（中国）投资有限公司（MWV）生产，其主要技术指标见表1，各项技术指标符合JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》要求。

表1 YCLOGEN-L型再生剂的主要技术指标

（2）SBS改性沥青：I-D类，中石化生产，其主要技术指标见表2。

表2 SBS改性沥青的主要技术指标

1.2 老化沥青的制备

为了最大限度模拟沥青混凝土在施工阶段和路面服役期间所受到的热老化与紫外光老化作用，室内试验采用紫外光与热老化耦合老化方式对SBS改性沥青进行模拟老化试验。研究表明，旋转薄膜烘箱老化（RTFOT）试验能够较好模拟施工过程沥青的热老化，PAV压力老化能够模拟沥青路面承受自然条件5～8年的老化作用。本文采用自制的紫外线模拟老化环境箱进行紫外光、热老化试验，环境箱加热温度为60～175℃，试验时将SBS改性沥青（质量为35 g）注入盛样瓶中，每组8个平行试样，进行以下3种形式的沥青老化试验：

轻度老化、临界老化：试样以（15±0.2）r/min速度转动，同时开始以流速4000 ml/min将热空气喷入转动的盛样瓶的试样中，使沥青试样在（163±0.5）℃环境温度中受热，分别加热12 h、24 h后完成沥青热老化试验，以老化12 h、24 h分别模拟轻度老化、介于轻度与重度老化之间的临界状态。

重度老化：重度老化试验温度为60℃，盛样瓶转动速度（15±0.2）r/min，紫外光强度为1000 W/m2（紫外光波长350 nm，由汞灯发射），对经历RTFOT后的沥青进行PAV压力老化，PAV压力老化试验严格按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行。

1.3 再生沥青的制备

根据室内初步试验结果和国内工程实践情况，在老化沥青中掺加再生剂+SBS改性沥青对老化沥青进行再生。经历老化试验后，首先在老化沥青中掺入再生剂，再生剂掺量为12%（再生剂与老化沥青质量的百分比），然后再掺入新SBS改性沥青，新加SBS改性沥青与老化SBS改性沥青质量比为1∶1，制备完成再生沥青后备用。对经历不同老化与再生后的SBS改性沥青进行25℃针入度试验、测力延度试验、弹性恢复率试验。

2 多次老化与再生后SBS改性沥青性能

2.1 针入度试验

针入度试验温度为25℃，试验严格按照JTG E20—2011进行，试验结果见表3。

表3 多次老化与再生后SBS改性沥青的针入度 0.1 mm

由表3可见，相同老化、再生次数，PAV压力老化方式下的沥青针入度值最小，可见沥青老化越严重，再生后越难以恢复到老化前的针入度水平。随着老化与再生次数增加，沥青的针入度减小，对于轻微老化的SBS改性沥青，第2次再生后的沥青针入度基本可恢复到原样沥青的水平，经历4次老化与再生后，热老化24 h、PVA老化后的SBS改性沥青针入度值明显小于轻微老化后再生的SBS改性沥青，可见老化次数越多，越难恢复到老化前的针入度水平，轻微老化后的SBS改性沥青再生后相对更易于还原到原样沥青的针入度水平。

2.2 测力延度试验

研究表明[2-4]，SBS改性沥青具有极强的应力敏感性，老化作用显著改变了SBS改性沥青的流变特性，增加了胶体结构的复杂性，经历老化与再生后的SBS改性沥青在常规低温延度试验过程中易产生脆断现象，延度值大小区分度不高，很难准确评价沥青的低温性能，而测力延度试验可较好地区分老化后不同改性沥青的低温性能差异，试验合理可行，有助于对改性沥青进行全面的评价。因此本文采用测力延度试验（FDT试验）评价多次再生后SBS改性沥青的低温性能。FDT荷载-延伸度示意见图1，评价指标有峰值拉力（Fmax）、延伸度D（为峰值力对应的试件拉伸长度）、拉伸柔量f（峰值拉力Fmax/延伸度D）、韧性ST（为测力延度试验第三阶段FDT曲线与x轴包络线面积，即图1所示CH、CF与x轴的包围面积）、韧性比RT/V（韧性ST/粘弹性面积，即ST/Sv，其中Sv为FDT试验OABCD曲线、DE曲线延长线与x轴交点形成的DH曲线、x轴OH曲线所包围的面积）。试验采用普通8字型延度试模，拉伸速度5 cm/min，试验温度为10℃，试验数据由计算机自动采集，结果见表4。

图1 FDT试验荷载-延伸度示意

表4 FDT试验结果

由表4可见，FDT试验峰值拉力随老化和再生次数增加而增大，延伸度D随老化和再生次数增大而减小，相同老化与再生次数下的峰值拉力PAV压力老化＞临界老化＞轻度老化，再生后的SBS改性沥青峰值拉力小于再生前老化沥青，再生后SBS改性沥青的延伸度大于再生前老化沥青。再生剂再生+SBS改性沥青调和再生后，SBS改性沥青延伸度较难恢复到原样沥青水平，随着老化次数增大，再生后的SBS改性沥青延伸度降低幅度越大。SBS改性沥青老化越严重，沥青越黏稠，抵抗塑性变形的能力越强，FDT试验峰值拉力越大，达到峰值拉力时的延展性越小，低温抗裂性能越差，经历二次再生后，SBS改性沥青的延展性大幅度降低，再生效果已经不明显。拉伸柔量随老化次数增大而增大，再生剂+SBS改性沥青复合再生后能延缓拉伸柔量的增加趋势，老化条件越苛刻，老化与再生后SBS改性沥青的拉伸柔量越大。韧性是聚合物改性沥青的显著特征之一，FDT试验达到峰值拉力过后经过短暂的屈服阶段进入应力松弛阶段，拉力衰减速率和衰减幅度越小，蠕变稳定阶段持续时间越长，韧性值越大，SBS改性剂分子间的交联作用越强，SBS改性沥青的凝聚力和握裹力越大，材料在荷载作用下的应力敏感性越低，低温性能越好。韧性随老化次数增大而减小，且老化条件越苛刻韧性下降幅度越大，老化作用显著降低了SBS改性沥青的低温性能，相比老化前，掺加再生剂+SBS改性沥青后韧性增大，但老化次数越多，复合式再生后的韧性值越小，老化次数越多、老化条件越苛刻，再生后的沥青越难恢复到原样沥青水平。韧性比与弯曲梁流变试验蠕变斜率m之间具有良好的正线性关系，其值越大，SBS改性沥青在蠕变稳定阶段、屈服阶段的应力敏感性越低，相应的SBS改性沥青释放荷载的能力越强，经历多次老化与再生后SBS改性沥青的韧性比RT/V降低，经历轻微老化、临界老化、PAV压力老化后，老化与再生沥青的RT/V随老化再生次数增大而降低，临界老化、PAV压力老化再生3次后RT/V降低为0，表明多次老化后，老化SBS改性沥青韧性成分和黏性成分已经较难恢复到原样沥青水平。

2.3 弹性恢复率试验

JTG E20—2011规定，弹性恢复率试验，要求将8字型延度试样以5 cm/min拉伸速率拉伸至10 cm后剪短，测试试样在25℃水浴中恢复弹性变形1 h后的弹性恢复率。ASTM D6084—97规定，弹性恢复率试验将试样拉伸至20 cm后，保持10 s后剪短，测试试样在25℃水浴中恢复30 min后的弹性恢复率。AASHTO 301—95规定，试样拉伸20 cm后继续保持20 cm，然后剪短并放置30 min后测试弹性恢复率。为了揭示试样放置期间多次老化再生后SBS改性沥青流变特性，以综合反映沥青在某时刻的瞬时弹性恢复率及延迟弹性恢复率，试验时将延度试样拉伸至10 cm后保持10 min再剪短，测试0～60 min间每隔5 min各时间点的弹性恢复长度，试验结果如图2所示。

图2 弹性恢复率试验结果

由图2可见，随着弹性恢复时间延长，弹性恢复率先显著增大后缓慢增加，最终趋于平缓，弹性恢复率随恢复时间延长呈现出非线性变化趋势，弹性恢复0～20 min，原样沥青和经历不同老化再生后SBS改性沥青的弹性恢复率显著增大，前20 min主要发生瞬时弹性恢复变形，20 min以后主要体现延迟弹性恢复特性。对于轻微老化条件，再生4次后，再生沥青的弹性恢复率基本可恢复至原样沥青的80%左右，而临界老化与PAV压力老化条件下，再生沥青弹性恢复率明显小于原样沥青，老化作用对SBS改性沥青的弹性恢复率影响较大，随着老化次数的增加弹性恢复率显著减小，掺加再生剂+SBS改性沥青再生后，弹性恢复率有一定程度提高，但随着再生次数增加弹性恢复率逐渐减小，且老化越严重、老化条件越苛刻，再生后的SBS改性沥青弹性恢复率越小。由此可见，随着老化再生次数增加，再生沥青中的有效弹性成分减少，再生沥青的弹性恢复性能越难恢复到原样沥青水平。

3 结语

（1）SBS改性沥青经轻度老化、临界老化及PAV压力老化状态重复老化与再生后，针入度和低温性能降低，再生沥青的典型流变特性随老化再生次数增加逐渐消失，多次老化再生后SBS改性沥青较难恢复到原样沥青的针入度水平、低温性能及弹性恢复性能。

（2）测力延度试验拉伸柔量、延伸度、韧性比及弹性恢复率指标对老化条件、老化再生次数较为敏感，可采用测力延度试验评价多次再生沥青的低温性能。多次老化与再生后SBS改性沥青的低温性能、弹性恢复性能显著降低，老化越严重，再生SBS改性沥青的低温性能降低幅度越大。

（3）工程实践中应采取一定措施提高多次再生SBS改性沥青的低温抗裂性能，建议对轻微老化和临界老化状态的SBS改性沥青经过3次以上再生及严重老化状态的SBS改性沥青经过2次以上再生时，可作为老化的普通沥青使用。