基于流變性能的SBS 改性瀝青老化動力性能研究

歐陽君，孫大權，章 毅

(同濟大學道路與交通工程教育部重點試驗室，上海 201804)

基于流變性能的SBS 改性瀝青老化動力性能研究

歐陽君，孫大權，章 毅

(同濟大學道路與交通工程教育部重點試驗室，上海 201804)

應用老化動力學模型，建立了基于復數模量的老化動力學方程。通過對SBS改性瀝青和基質瀝青的流變性能試驗，驗證了在瀝青材料老化過程當中，復數模量與老化反應的反應物濃度成反比的假設。根據假設求得了基于復數模量的老化動力學常數，并采用實測數據對老化動力學方程進行檢驗。結果表明:SBS改性瀝青具有較高的反應活化能，具有較好的抗老化性能，實測數據能夠較好的與理論計算數據吻合，采用復數模量建立老化動力學方程是合理的，并且更能反映瀝青在老化過程當中流變學狀態的變化。

道路工程;改性瀝青;老化動力學;流變性能;復數模量

瀝青老化動力性能研究是了解瀝青老化機理，認識其老化過程，評價和預測瀝青老化性能的主要途徑，其研究內容能夠為提高瀝青材料抗老化性能提供理論依據。瀝青老化動力性能研究主要采用老化反應動力學方程，通過材料參數在已知溫度和時間條件下的參數值，對特定未知溫度和時間條件下的參數值進行預測。目前，國內外均已廣泛開展了相關方面的研究并取得了一定的成果。但是，這些研究主要以瀝青材料軟化點、瀝青質含量(羰基含量)為參數，建立相應的老化動力學方程［1-5］。然而，瀝青作為一種路用黏彈性材料，采用流變學參數才能更好地描述其使用性能，而軟化點和瀝青質含量參數則不具備這一特性。因此，筆者應用基于流變學原理的復數剪切模量(G*)參數，建立瀝青材料的老化動力學方程，對瀝青材料老化前后的流變性能進行評價和預測。

1 化學反應動力學模型

化學反應動力學模型是用于定量描述反應速率與影響反應速率因素之間的關系式，即稱為化學反應動力學方程。試驗表明，在均相反應(在均一液液相或者氣相中發生的化學反應)中，反應物的反應速率與反應物系組成、溫度和壓力相關，而反應壓力又取決于反應物系組成和反應溫度。因此，反應物的反應速率主要與反應物系組成和反應溫度有關。

對于均相反應，化學反應動力學方程多數可寫成冪函數形式，且反應速率與反應物的濃度的次方成正比［6］，如式(1):

式中:rA為反應速率;K為以濃度表示的反應速率常數，在一般情況下，符合Arrhrenius方程，如式(2);K0為指前因子;cA為反應物濃度(反應物的物質的量與參與反應的所有物質的體積的比值)，mol/m3;m為反應物組分的反應級數;Ea為反應物活化能(分子從常態轉變為容易發生化學反應的活躍狀態所需要的能量稱為活化能)，kJ/mol;R為普適氣體常量，R=8.31 J/(mol·K);T 為開爾文溫度，K。

大量研究認為瀝青老化符合一級動力學模型的假設［7］，即瀝青材料的反應速率與生成瀝青質的反應物濃度的一次方成正比，在式(1)中m=1，得式(3):

結合式(3)和反應速率的定義式(式(4))，可得到一級反應動力學方程的微分形式，如式(5):

式中:nA為反應物物質的量，mol;V為反應體系的體積;t為反應時間。

對式(5)積分得到一級反應的積分式，如式(6):

式(6)中的反應速率常數KT可根據不同時刻反應物濃度的變化回歸得到，再根據不同溫度下KT回歸得到關于溫度的反應速率函數K，利用式(2)，求得材料的活化能E，繼而得到完整的反應速率常數表達式。最后，結合式(6)，得到最終需要的動力學方程。

研究結果表明，瀝青老化過程中，反應物濃度與軟化點、黏度等宏觀參數成反比［6，8］，因此，可采用軟化點、黏度等參數建立老化反應動力學方程。在本文的研究中，為能夠建立基于瀝青復數模量G*的老化反應動力學方程，首先假設復數模量G*與生成瀝青質的反應物濃度成反比，通過試驗對其進行驗證。若復數模量G*與反應物濃度成反比，則有c=，代入式(6)中，得到式(7)。式(7)即為以復數模量為參數的老化反應動力學方程。

將瀝青材料的復數模量代入式(7)中，得到不同溫度條件下的老化反應速率常數KT，最后求得老化速率常數表達式K和基于復數模量的瀝青老化動力學方程的完整表達式。

2 試驗

2.1材 料

瀝青材料采用韓國SK瀝青，其主要性能指標見表1。

表1 SK瀝青主要技術指標Tab.1 SK asphalt main technical index

SBS改性瀝青采用湖南生產的線型SBS 791-H。在175℃條件下與SK基質瀝青經60 min互溶高速剪切制得。

2.2 方 法

瀝青老化試樣的制備，采用薄膜烘箱老化試驗儀(82A，無錫市石油儀器設備有限公司)，按照JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對瀝青進行薄膜烘箱老化，老化時間分別為5，10，15和20 h，老化溫度分別為 150，163，170和 180℃。共計獲得32種老化瀝青樣品。

瀝青動態剪切試驗，采用動態流變剪切試驗儀(AR1500EX，美國TA儀器有限公司)，按照AASHTO MP1a-04方法測試原樣瀝青與老化瀝青試樣的復數模量(G*)，取64℃條件下得到的G*進行分析。

3 試驗結果及分析

3.1 老化溫度與時間對瀝青流變性能的影響

瀝青復數模量隨老化溫度和老化時間變化趨勢見圖1、圖2。

由圖1和圖2可知，瀝青材料的復數模量隨著老化時間的延長呈指數增長。在相同的老化時間下，溫度越高基質瀝青復數模量的增幅越大。雖然SBS改性瀝青也表現出了上述規律，但其復數模量增幅受溫度的影響要小于基質瀝青。說明SBS抗老化性能要優于基質瀝青。

3.2 瀝青老化反應動力學方程

根據試驗當中得到的不同老化時間以及不同老化溫度條件下的瀝青復數模量，以公式(7)為基準，回歸得到不同溫度下ln( G*/)與時間t的關系曲線，見圖3、圖4。回歸曲線的斜率即為對應溫度條件下的反應速率常數K。

圖3 基質瀝青的ln(G*/G*0)與老化時間的關系Fig.3 Relation between ln(G*/G*0)and ageing time of base asphalt

由于老化反應速率常數是老化溫度的函數，根據公式(2)，對-lnK和試驗溫度的倒數1/T進行線性回歸，見圖5。回歸得到直線斜率即為E/R(E為反應活化能，R為普朗克常數)，將直線外推至1/T=0，直線與Y軸的截距即為lnK0(K0為指前因子)。得到瀝青老化動力學常數E和K0見表2。

表2 兩種瀝青老化動力學參數Tab.2 Ageing kinetics parameter of the two kinds of asphalt

一般而言，活化能E越高的材料，化學反應速率越慢。由表2可知，SBS改性瀝青相對于基質瀝青具有較高的活化能，表明SBS改性瀝青化學反應速率要小于基質瀝青。因此也從另外一個方面證實了SBS改性劑增強了基質瀝青的抗老化性能。

為了得到具有普遍意義上的動力學方程，將式(2)代入老化動力學方程(式(7))當中，得到式(8)。

將表2中的老化動力學常數代入式(8)，得到基質瀝青和SBS改性瀝青的老化動力學方程分別如式(9)、式(10)。

式(9)和式(10)中:符號意義同式(7)。

利用試驗得到的老化動力學方程，分別對170℃溫度條件下，基質瀝青和SBS改性瀝青經歷不同老化時間之后，復數模量的變化值進行預測。將理論計算值與實測值進行比較，結果見表3。

表3 瀝青老化動力模型擬合值Tab.3 Asphalt ageing kinetics fitting value

由表3可知，理論值與實測值之間的誤差較小，表明理論值能夠較好的與實測數據吻合，說明反應物濃度與復數模量G*成反比的假設是合理的。瀝青材料的復數模量能夠滿足熱化學反應一級動力學方程，可以建立基于瀝青材料復數模量參數的老化動力學模型。

4 結論

1)隨著老化時間的增長，瀝青材料的復數模量呈現指數增長;SBS改性瀝青增長幅度要小于基質瀝青。

2)SBS改性瀝青要比基質瀝青具有更高的反應活化能，它的老化反應速率要低于基質瀝青，表明SBS具有更好的抗老化性能。

3)反應物濃度與復數模量G*成反比的假設是合理的，可以建立基于瀝青材料復數模量參數的熱老化動力學模型。突破了以往只能以軟化點和瀝青質含量為參數建立動力學方程的限制。

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Investigation of Aging Kinetics of SBS Modified Asphalt Based on Rheological Properties

OUYANG Jun，SUN Da-quan，ZHANG Yi
(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China)

Through the application of ageing kinetics model，ageing kinetics equation has been established on the basis of complex modulus.Rheological properties test have been carried out on SBS modified asphalt and base asphalt.The results demonstrate that when asphalt material in ageing process，the hypothesis that complex modulus is inversely proportional to the concentration of reactant assumptions of ageing reaction is established，on the basis of which，ageing kinetics constant has been obtained.Ageing kinetics equation has been validated by using measured data，it shows that，SBS modified asphalt owns higher reaction activation energy，a good anti-ageing property as well，that the measured data can keep accordance with calculated data，which demonstrates ageing kinetics equation is established reasonably on the basis of complex modulus.The equation can well describe rheological state changes of asphalt in ageing process.

road engineering;modified asphalt;ageing Kinetics;rheological properties;complex modulus

U414

A

1674-0696(2011)03-0411-04

2011-02-25;

2011-03-27

歐陽君(1985-)，男，江西吉安人，碩士研究生，主要從事路面材料方面的研究。E-mail:joylovecl@163.com。