基于光谱分析的SBS改性沥青再生机理研究

何兆益，冉龙飞，2，曹青霞，3

（1.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074；2.重庆市公路工程质量检测中心，重庆 400060；3.甘肃省交通规划勘察设计院有限公司，甘肃 兰州 730030）

SBS改性沥青约占道路沥青总质量的15%，按此计算，10年后中国高速公路沥青路面大、中修产生的废旧SBS 改性沥青混合料预计将每年达到1 200万t左右.可见，SBS改性沥青混合料再生技术的研究对于环境保护、资源有效利用、实现路面的可持续发展具有重要的现实意义.对于沥青再生机理的研究，目前得到多数学者认可的有“相容性理论”［1］与“组分调节理论”［2］2 种.此 外，王 涛 等［3］提出了再生剂作用机理的“体积效应”和“屏蔽效应”，余国贤等［4］提出了再生剂作用的“增溶分散机理”、“稀释调和机理”和“蜡晶作用机理”.本文选择4种再生剂，通过红外光谱分析和美国SHRP试验研究了再生剂及再生SBS改性沥青的微观结构，从分子运动学角度，提出了“界面活性理论”，可为再生剂的研发提供一定的参考.

1 试验

1.1 试验材料

再生剂：ZZ，自主研发，RA－2，DN100，DN101均为某大学研制，4种再生剂的基本性能指标见表1.SBS 改性沥青，由70＃A 级中海油石油沥青加5%（质量分数）的线型SBS改性剂在（175±5）℃，3 000r／min的条件下剪切40min，并在（165±5）℃下溶胀2h得到，其技术性能指标见表2.

表1 再生剂基本性能指标对比Table 1 Basic performance index contrast of recycling agents

表2 SBS改性沥青性能指标Table 2 Performance index of SBS modified asphalt

1.2 试验仪器

BRL－WQF－600N 傅里叶变换近红外光谱仪，波数范围：4 000～400cm－1，分辨率优于4cm－1，北京恒奥德仪器仪表有限公司生产；DISCOVERY－HR3型动态剪切流变仪，美国TA 公司生产；M225832弯曲梁流变仪，北京中西选大科技有限公司生产.

1.3 试验方案

将4种再生剂分别涂于KBr晶片上进行红外光谱试验.通过旋转薄膜＋压力老化的方式对SBS改性沥青进行老化，再分别将4种再生剂按质量分数5%加入老化后的SBS改性沥青中，使之再生，并对这4种再生SBS改性沥青进行红外光谱试验和SHRP试验（即布氏旋转黏度试验RV，动态剪切流变试验DSR 和弯曲梁流变试验BBR）.

2 试验结果及分析

2.1 SBS改性沥青再生剂

再生剂能够增加老化沥青再生后胶体结构的稳定性，与老化沥青有较好的相容性，可溶解和分散其沥青质，改善黏度，调节流变性能.研究［5－6］表明，再生剂中占质量80%～90%的成分主要由富含芳烃的基础油分和增塑剂组成，因此，基础油分和增塑剂的存在决定了老化沥青的再生机理.

2.1.1 红外光谱分析

再生剂ZZ，RA－2，DN100，DN101 的红外光谱见图1.

图1 4种再生剂的红外光谱Fig.1 Infrared spectra of recycling agents

由图1可见：

（1）4种再生剂均在（1 600±10）cm－1，1 500～1 450cm－1和（1 380±10）cm－1处出现了3～4个芳烃 C═ C吸收峰，研究［7］表明，这4种再生剂均含有芳烃，其对沥青质具有良好的溶解能力，能有效调节沥青的黏度.

（2）4种再生剂均含有羟基 O═ H 振动吸收峰（3 430 cm－1）、CH3反对称和对称伸缩振动峰（2 958cm－1）、CH2反对称和对称伸缩振动峰（2 924，2 858cm－1）、酯羰基 C═ O 键伸缩振动峰（1 750cm－1）、亚砜基 S═ O（1 030cm－1）及苯环上的CH 面外弯曲振动吸收峰（870～670cm－1），说明再生剂中含有极性酯羰基、羟基、亚砜基及非极性的甲基、亚甲基，是1种一端由亲水基（极性部分）、一端由憎水基（非极性部分）组成的表面活性剂［8］.

2.2 再生SBS改性沥青

2.2.1 红外光谱分析

老化SBS改性沥青（LH）与再生SBS改性沥青的红外光谱见图2，其中Z，R，D0，D1分别表示加入再生剂ZZ，RA－2，DN100，DN101的再生SBS改性沥青.

图2 老化SBS改性沥青与再生SBS改性沥青的红外光谱Fig.2 Infrared spectra of aged and recycled SBS modified asphalt

由图2 可见：老化SBS 改性沥青和4 种再生SBS改性沥青的峰位基本一致，只是峰值明显不同，这主要是再生剂加入后，在沥青质与软沥青之间形成一层“界面膜”，由于分子间的不断运动，导致该膜的极性端与沥青质具有很好的相容性，而其非极性端则与软沥青相亲.具体的作用过程见图3.

图3 界面活性作用机理Fig.3 Mechanism diagrams of interfacial activity theory

为了定量研究再生SBS 改性沥青红外光谱峰的吸收强度，本文提出了4个评价指标，分别为羰基指数（CI）、亚砜基指数（SI）、芳烃基指数（FI）及丁二烯指数（DI），其计算式分别为：

式中：AC＝O为羰基吸收峰面积；AS＝O为亚砜基吸收峰面积；AF为芳烃基吸收峰面积；AD为丁二烯基吸收峰面积；A 为光谱总面积.

4种再生SBS改性沥青的羰基指数、亚砜基指数、芳烃指数、丁二烯指数见表3.

表3 再生SBS改性沥青指数Table 3 Four indexs of recycled SBS modified asphalt

由表3 可见：再生SBS 改性沥青的羰基指数、亚砜基指数、芳烃指数、丁二烯指数变化无规律性，这是由于4 种再生剂中所含基团的种类和含量不同，而且改性沥青老化会导致部分SBS改性剂发生裂变，使其对老化沥青的影响效果不同，因此不能从分子修复的角度来解释老化SBS改性沥青的再生机理，而应从分子运动学角度出发，运用“界面活性理论”来进行解释.

2.2.2 SHRP试验

通过布氏旋转黏度试验（RV），动态剪切流变试验（DSR）和弯曲梁流变试验（BBR）测试老化SBS改性沥青和再生SBS改性沥青的黏度，复数剪切动态模量G＊及相位角δ，－12℃低温蠕变劲度S 和蠕变劲度变化速率m.RV 试验结果如图4所示，DSR试验结果如图5～8所示，BBR试验结果如表4所示.

图4 老化SBS改性沥青和再生SBS改性沥青的黏温曲线Fig.4 Viscosity－temperature curve of aged and recycled SBS modified asphalt

图5 老化SBS改性沥青和再生SBS改性沥青的G＊－t变化曲线Fig.5 G＊－t curve of aged and recycled SBS modified asphalt

由图4可见，4种再生剂均使老化SBS改性沥青的黏度降低.依据“界面活性理论”可知，老化后SBS改性沥青发生了氧化、聚合反应，小分子聚合成大分子，使沥青分子的作用力增强，抵抗形变的刚性增大，再生剂加入后，在沥青质表面形成一层薄膜，促进聚合物大分子或链段运动，起到润滑和增溶作用.

图6 老化SBS改性沥青和再生SBS改性沥青的δ－t变化曲线Fig.6 δ－t curve of aged and recycled SBS modified asphalt

图7 老化SBS改性沥青和再生SBS改性沥青的G＊／sinδ－t变化曲线Fig.7 G＊／sinδ－t curve of aged and recycled SBS modified asphalt

图8 老化SBS改性沥青和再生SBS改性沥青的G＊sinδ－t变化曲线Fig.8 G＊sinδ－t curve of aged and recycled SBS modified asphalt

由图5，6可见，4种再生SBS改性沥青的G＊降低，δ 增大，黏性增加，弹性减小，流变性能得到恢复.由图7可见，4种再生SBS改性沥青的G＊／sinδ下降，流动性能增加.由图8可见，4种再生SBS改性沥青的G＊sinδ下降，抗疲劳性能增加，即4种再生剂均使老化SBS改性沥青的流动性增加，流变性能得到恢复.依据“界面活性理论”可知，再生剂的加入，不但起到润滑和增溶作用，使流动性增加，抗车辙能力下降，而且还由于“界面膜”的形成增强了分子间的作用力，使抗疲劳性能增加.

表4 SBS改性沥青老化及再生后－12℃BBR值Table 4 －12℃BBR values of SBS modified asphalt after aging and recycling

由表4可见，4种再生SBS改性沥青的S 均减小，m 均增大，说明4种再生剂的加入使老化沥青的低温性能提高，抵抗应力松弛的能力增加.这是由于沥青老化后极性增强，在加热过程中，沥青分子的作用力慢慢减弱，而再生剂中的极性基团与沥青极性基团相互作用，进一步削弱了沥青分子的作用力，使非极性分子填充在极性分子之间，增加了极性分子之间的距离，从而使沥青分子链容易运动，低温柔韧性增加.

3 结论

（1）再生剂是一种典型的表面活性剂，含有极性的酯羰基、羟基、亚砜基及非极性的甲基、亚甲基.

（2）再生SBS 改性沥青中羰基指数、亚砜基指数、芳烃指数、丁二烯指数的变化无规律性，不能从分子修复的角度解释这种沥青的再生机理.从分子运动学角度出发，提出了沥青再生机理的“界面活性理论”.

（3）运用“界面活性理论”可有效解释再生SBS改性沥青黏度降低、流变性能得到恢复、抗疲劳性能增加、低温变形能力增强机理.

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