时间和温度对短期老化SBS改性沥青官能团的影响

2019-06-18张建渊李延鑫

中国建材科技 2019年1期

张建渊李延鑫

（甘肃交通职业技术学院公路桥梁系，甘肃兰州 730070）

0 引言

SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青由于其良好的高温、低温、水稳等特性而被广泛应用。而氧化作为沥青老化的主要因素，使得沥青路面使用性能和服务功能显著下降[5-7]。因此，通过对SBS 改性沥青短期老化的影响因素进行探索，研究SBS 改性沥青的热氧老化过程，为制备优良的SBS 改性沥青有着至关重要的意义。

近年来，大量研究者研究了老化方式对SBS 改性沥青性能的影响：房士伟等为研究改性沥青性能随老化温度的变化规律，选取两种SBS 改性沥青分别进行了不同老化温度的薄膜烘箱试验发现针入度、延度、弹性恢复随老化温度的升高而降低，软化点随老化温度的变化没呈现出明显的规律，170℃老化温度是改性沥青老化性能的转折点[8]。黄卫东等采用低温小梁弯曲试验结合伯格斯模型对不同老化状态下的不同SBS 改性沥青进行低温性能分析，验证了PG 低温分级体系和粘弹性指标间的相适应性[9]。Airey 等人进行了大量的RTFOT 和PAV 实验讨论了SBS改性沥青与基质沥青老化性能的差异[10]。刘圣洁分析了沥青的老化行为及抗老化性能，利用灰色系统理论和突变理论考查了沥青老化过程中性能指标的变化规律，从突变理论的角度分析了不同时间沥青老化的性能变化规律[11]。陈守明对两种不同SBS 掺量的SBS 改性沥青进行了在不同温度和时间下的 RTFOT 老化试验，检测了残留物的软化点、针入度、延度、135℃ 运动粘度及车辙因子，探讨了RTFOT 与TFOT 在SBS 改性沥青老化试验中的可互相替代条件[12]。

目前虽然有大量学者分别对SBS 改性沥青老化性能做了相关研究，但鲜有研究综合考虑老化时间和温度对SBS 改性沥青短期老化过程中官能团的影响。因此，本文基于红外光谱试验，探索不同老化条件对沥青短期老化性能的影响，以期为SBS 改性沥青在后期沥青路面中的应用提供依据和参考。

1 原材料和试验方案

表1 SBS 改性沥青主要技术指标

1.1 原材料

选用SK90#基质沥青，添加3.5%糠醛抽出油，4.5%线型SBS 改性剂和0.2%的稳定剂经搅拌、剪切和发育等工艺制备得到SBS 改性沥青，其主要技术指标见表1。

1.2 试验方案

1）SBS 改性沥青的制备

SBS 改性沥青的制备选用高速剪切机，首先将一定量的相容剂（糠醛抽出油）加入基质沥青中并快速搅拌加热到175℃～180℃，然后加入设定掺量的线型SBS 改性剂并机械搅拌5min 后，以5500 转/min 的速度连续剪切25min 后，加入设定掺量的稳定剂并继续剪切10min。剪切完毕后，将沥青放在170℃的烘箱中静置发育2h，便可制得SBS 改性沥青。

2）RTFOT 老化试验条件的确定

RTFOT 试验根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）规定的方法进行老化，老化条件设置如下：温度条件为163℃、173℃、183℃，老化时间为1.5h、3h、4.5h。

3）红外光谱试验

采用Thermo Nicolet 红外光谱仪对短期老化的SBS改性沥青要试验参数包括：扫描范围400cm-1～4000 cm-1，扫描次数32 次，最小分辨率0.019 cm-1。

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4）官能团指数计算

为定量表征原样SBS 改性沥青、短期老化SBS 改性沥青以及再生过程中化学结构的变化，参考Wu 等人[19]的分析方法，选用亚砜基官能团和丁二烯基官能团作为老化定量表征的指标，其计算方法[20]如下：

亚砜基官能团指数：

丁二烯基官能团指数：

2 结果与讨论

2.1 红外光谱图分析

采用Thermo Nicolet 红外光谱仪对原样SBS 改性沥青、对不同老化时间(1.5h,3h,4.5h)、不同老化温度（163℃、173℃、183℃）旋转薄膜烘箱（RTFOT）的短期老化SBS 改性沥青进行红外光谱试验，试验结果如图1-2所示。

1）老化时间对SBS 改性沥青老化性能的影响

图1 SBS 改性沥青不同老化时间RTFOT 老化后的红外光谱图

由图1可以看出，SBS 改性沥青在老化前后沥青的化学组成结构发生了明显的变化。与原样沥青相比，RTFOT老化后的图谱中727 cm-1～868cm-1处代表芳香族分子的4 个吸收峰逐渐变小，表明老化后的原样沥青中芳香分等轻质组分减少[21]，主要是由于沥青在老化过程中，轻质组分会逐渐转化为沥青质等高分子重组分；在较高温度的老化环境中，沥青中的轻质组分存在挥发现象，从而导致沥青的质量损失；同时在本研究中的原样沥青为SBS 改性沥青，在老化初期，SBS 改性剂会在沥青中继续溶胀分散，从而吸收了部分轻质组分。此外，图1中可以看出，RTFOT 老化沥青在1030cm-1的吸收峰明显比未老化沥青的大，此处吸收峰代表亚砜基（S=O）含氧官能团的伸缩振动，表明沥青在老化过程中发生了氧化反应。与未老化沥青相比，老化后沥青在968 cm-1 和702 cm-1处的吸收峰明显变小，这意味着丁二烯官能团和聚苯乙烯官能团在老化后的浓度变小[21]，表明原样沥青中的SBS 改性剂在老化过程中发生了降解。而随着老化时间的增长，可以明显看到1700cm-1处的羰基（C=C）、1030 cm-1增大，尤其1700cm-1处在3h、4.5h RTFOT 老化后出现了明显的羰基（C=C）特征峰，968 cm-1和702 cm-1处特征峰减小，表明随着老化时间的增长，沥青的老化程度加深，SBS 改性剂的降解程度加深。

2）老化温度对老化SBS 改性沥青老化性能的影响

图2 SBS 改性沥青不同老化温度RTFOT 老化后的红外光谱图

分析图2可以看出，不同老化温度下的RTFOT 老化SBS 改性沥青在968 cm-1、702 cm-1、1030cm-1、1700cm-1处出现明显的特征峰，随着温度的增加，特征峰逐渐增大。表明温度对SBS改性沥青的老化有显著影响，温度越高，沥青老化越严重，SBS 改性剂降解越厉害，亚砜基的分解和丁二烯中含有不饱和的键，使得沥青在高温条件下遇氧极易发生氧化反应而老化，SBS 改性剂因高温遇氧发生氧化而降解，氧化交联降低了改性沥青原有的性能，当老化温度越高时，沥青更容易氧化，SBS 改性剂发生氧化降解的速度越快。

2.2 官能团指数分析

对原样SBS 改性沥青、不同老化条件的RTFOT 老化后的SBS 改性沥青红外光谱利用公式（1）、（2）进行官能团指数计算。其结果如表2所示。

表2 不同老化时间和温度的SBS 改性沥青官能团指数

结合表5进行官能团指数分析可知，SBS 改性沥青在不同老化条件的RTFOT老化过程中亚砜基指数明显增加，丁二烯基指数明显减少，随着老化时间的增长，亚砜基指数依次增加了5.5‰、7.1‰、17.7‰，丁二烯基指数依次减少了1.3‰、2.6‰、3.6‰；随着空气流速的增加，官能团指数基本未出现变化；随着老化温度的增加，亚砜基指数依次增加了5.5‰、7.8‰、23.0‰，丁二烯基指数依次减少了1.3‰、3.2‰、4.3‰；表明SBS 改性沥青随着老化时间和温度的增长，SBS 改性沥青老化程度明显加深，空气流速其老化影响甚微；老化温度提高10℃的RTFOT老化SBS 改性沥青老化程度高于老化时间延长1.5h 的RTFOT 老化SBS 改性沥青。