老化程度对SBS改性生物沥青老化性能的影响研究

邵鹏坤

摘要：为研究老化程度对SBS改性生物沥青的老化性能影响，文章采用旋转薄膜烘箱（RTFO）试验和压力老化仪（PAV）试验，基于针入度、软化点、延度、车辙因子、芳烃基指数和亚砜基指数等指标，研究了SBS改性生物沥青在不同老化程度（RTFO、PAV10、PAV20、PAV30）下的老化特性。结果表明：SBS改性沥青的老化可分为两个阶段，第一阶段为轻质组分的挥发和丁二烯的热氧老化降解，导致SBS交联结构的解体；随着老化程度的加深，SBS改性生物沥青中的不饱和碳链和硫均发生氧化，导致树脂、饱和烃与芳烃均转化为沥青质，即为第二阶段；虽然SBS可以延缓生物沥青的短期老化，但并不能改变其老化演化过程。

关键词：道路工程；改性沥青；SBS；生物油；老化性能

中图分类号：U416.03 A 31 099 3

0 引言

近年来，生物质资源因就地取材、成本低廉、绿色环保等优点，逐渐成为道路工程路面材料的研究热点。生物沥青是一种具有代表性的生物质资源，主要来源于植物废弃物、动物粪便和城市垃圾［1］。常采用复合改性技术改善生物沥青的性能缺陷，如SBS、橡胶粉、岩沥青等［2-3］。因生物沥青具有高比例的轻质组分，因此老化性能是其关键性能指标［4］。沥青老化一般可分為短期老化和长期老化。短期老化可用旋转薄膜烘箱（RTFO）进行测试，而长期老化通常采用基于RTFO后沥青的压力老化仪（PAV）进行测试。由于沥青路面服役期的不可控性，若仅按照规范中的要求将PAV时间设置为20 h，无法真实表征沥青混合料的长期老化性能。

目前有许多研究致力于分析复合改性生物沥青的老化特性，结果表明老化程度对生物沥青的老化性能及其机理有显著影响［5-6］。虽然已有研究表征了SBS改性沥青和生物沥青的老化特性，但由于SBS和生物油均会影响沥青的老化过程，且二者在老化沥青基体中的相互作用还有待进一步研究。同时，关于SBS改性生物沥青的老化机制研究较少。因此，本文采用RTFO和PAV试验，基于一系列沥青性能指标，研究了不同老化程度下SBS改性生物沥青的老化性能。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

基质沥青选用70#A级道路石油沥青，而生物油是通过热解植物木屑得到的粘稠状液体，颜色为深棕色，其与SBS均由长沙某科技有限公司提供。基质沥青、生物油和SBS的技术指标见表1～3。

1.2 改性沥青的制备

SBS的掺量为基质沥青和生物沥青总质量的4.5%，而生物沥青的掺量为基质沥青质量的10%。SBS改性生物沥青的制备过程为：（1）将基质沥青加热至流动状态，然后在150 ℃～160 ℃的温度下，将生物沥青添加到基质沥青，用玻璃棒手动搅拌10 min；（2）将SBS添加到上述混合物中，并将温度提高到180 ℃，采用高速剪切仪以4 500 r/min的速度剪切≥45 min；（3）对基质沥青和生物沥青（基质沥青+10%生物油）分别采用上述剪切处理，以此减少剪切老化对试验结果对比的干扰。

1.3 试验方法

采用RTFO模拟沥青混合料施工过程中的短期老化，老化温度为163 ℃±0.5 ℃，老化时间为85 min。随后，采用PAV模拟沥青路面在服役期间的长期老化，将RTFO后的试样置于PAV中，在100 ℃下分别老化10 h、20 h和30 h，为方便表述长期老化沥青试样，将其缩写为PAV10、PAV20和PAV30。

基于三大指标表征不同老化程度下沥青的常规老化性能。采用动态剪切流变仪（DSR）的温度扫描试验，在30 ℃～80 ℃的温度以10 rad/s的角频率进行。采用弯曲梁流变仪（BBR）表征不同老化程度的沥青低温流变特性，将试验温度设置为-18 ℃和-12 ℃，且以蠕变刚度和蠕变速率作为BBR试验指标。最后，采用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）对老化沥青的官能团进行研究，FTIR波长范围为400～4 000 cm-1，分辨率为0.4 cm-1。

2 试验结果与分析

2.1 三大指标老化性能

沥青在老化过程中的三大指标会随之变化，因此，可考虑采用老化前后的三大指标变化程度来表征沥青的老化性能，即针入度老化指数（PAI）、软化点老化指数（SAI）和延度老化指数（DAI），三者的计算公式分别如式（1）～（3）所示。将三大指标结果代入上述公式，得到基质沥青、生物沥青和SBS改性生物沥青的三大指标老化指数，如表4所示。

PAI=老化后沥青的针入度老化前沥青的针入度×100%（1）

SAI=老化后沥青的软化点老化前沥青的软化点×100%（2）

DAI=老化后沥青的延度老化前沥青的延度×100%（3）

由表4可知，随着老化程度的加深，3种沥青的PAI和DAI均减少，而SAI则有所增加，表明沥青的抗老化性能均随老化程度的加深而逐渐降低。这是因为随着老化过程的加深，沥青的针入度和延度减少，而软化点增加，若老化前后变化程度不大，即PAI和DAI越大，SAI越小，则说明沥青的抗老化性能更佳。与基质沥青相比，生物沥青的PAI和DAI更小，而SAI更大，这说明生物油不利于沥青的抗老化性能。由表4还可发现，与生物沥青相比，SBS改性生物沥青的老化性能得到改善，这说明SBS可以增强生物沥青的老化抵抗力。因为在老化过程的发展中，SBS改性生物沥青的饱和烃与芳烃氧化形成沥青质，弥补了生物油的轻质组分挥发，延缓了短期老化的加深。

2.2 DSR老化性能

三大指标无法真实表征沥青的流变性能，因此，根据《沥青的复合模量（G*）及相位角测试方法》（AASHTO TP5-93）计算3种沥青在不同老化程度下的车辙老化指数（RAI），计算如式（4）所示，结果如表5所示。RAI可以表征老化前后沥青的永久变形抵抗力的变化程度。一般来说，RAI的值越小表明沥青的抗老化性能越好。

RAI=老化后沥青的车辙指数老化前沥青的车辙指数×100%（4）

由表5可知，随着测试温度的增加，不论老化程度如何，3种沥青的RAI均逐渐减小，这说明测试温度的增加可以略微降低老化对沥青高温性能的影响。此外，无论是短期老化还是长期老化，3种沥青的RAI的大小顺序为生物沥青>基质沥青>SBS改性生物沥青。结果表明，SBS改性生物沥青的老化性能优于生物沥青和基质沥青，这与三大指标老化试验结果一致。SBS改性生物沥青的老化性能得到改善，这主要是由于SBS改性生物沥青的聚合物量比生物沥青多，即聚合物相结构比生物沥青更丰富，SBS在生物沥青中的交联网络能在一定程度延缓短期老化的发展。

2.3 FTIR老化性能

在FTIR试验中，常采用芳烃基指数和亚砜基指数来评价沥青的老化程度［7］。芳烃基指数等于芳烃基峰（1 600 cm-1）面积除以所有特征峰（600～2 000 cm-1）的面积；亚砜基指数等于亚砜基峰（1 030 cm-1）面积除以所有特征峰（600～2 000 cm-1）的面积。如图1和图2所示为沥青的两种微观指数计算结果。

由图1和图2可知，随着老化程度的加深，3种沥青的芳烃基指数和亚砜基指数均有所增加。这是因为在老化过程中，沥青的不饱和基团在热氧作用下，发生了碳链等化学物的氧化反应，增加了分子间的作用力，加快了极性含氧官能团的形成，使树脂和油分逐渐转化为沥青质。在同等老化条件下，生物沥青的芳烃基指数和亚砜基指数均高于基质沥青，这说明生物油不利于沥青的老化性能。由短期老化过渡到长期老化阶段，SBS改性生物沥青的两种老化指标增长缓慢，说明SBS有助于改善生物沥青的短期老化性能，即SBS改性生物沥青的短期老化是沥青基体、SBS和生物油共同作用的结果。

2.4 老化机理分析

结合试验结果，可归纳SBS改性生物沥青的老化分为两个阶段：（1）短期老化向长期老化过渡的阶段，SBS在沥青中交联网络结构的氧化降解是其主要老化机制，而该机制补偿了轻质组分的挥发，改善了生物沥青的短期老化；（2）在长期老化阶段，SBS的降解已经基本完成，而不饱和碳链与硫的氧化生成芳烃基和亚砜基是其主要老化机制。在第一阶段中，SBS改性生物沥青的芳烃基指数和亚砜基指数变化较小，这是因为生物油能提供轻质组分，延缓了SBS交联结构的降解过程，從而改善其抗老化性能。同时，可以得出结论，SBS改性生物沥青的氧化主要发生在长期老化过程中，即经过长期老化后，降解后的SBS仍存在于沥青基体当中。然而，降解后的SBS无法继续维持交联网络结构，因此经过长期热老化后，SBS对生物沥青的老化性能的改善作用显著降低。

3 结语

（1）生物油因存在较多活性含氧官能团、轻质组分和不饱和链，使沥青的老化性能降低，而SBS形成的交联网络结构可改善生物沥青的抗老化性能。

（2）随着老化程度的加深，SBS改性生物沥青的老化分为两个阶段，即短期老化过程中SBS的降解和长期老化过程中树脂和油分转变为沥青质。

（3）生物油掺量、SBS种类和制备工艺对改性沥青的流变性能和老化性能的影响有待进一步研究。

参考文献

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［2］周 超.橡胶粉改性生物沥青的老化特性研究［J］.中外公路，2022，42（4）：237-243.

［3］赵建华，李小龙，吴博文，等.生物油/SBS改性沥青制备及性能研究［J］.化工新型材料，2020，48（5）：246-250.

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［5］张相泉，王 耀，彭 昌，等.生物沥青掺量对SBS复合生物改性沥青老化特征的影响规律［J］.山东理工大学学报（自然科学版），2022，36（6）：8-12.

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［7］宋 珲，陈小江，张新玉，等.采用衰减全反射红外光谱检测改性沥青的SBS掺量及其老化降解程度［J］.中南大学学报（自然科学版），2021，52（7）：2 211-2 220.

收稿日期：2023-09-10