基于SBS改性瀝青特征指標的多次再生評價

鄒桂蓮，鄢 然，張 陳

(華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510641)

基于SBS改性瀝青特征指標的多次再生評價

鄒桂蓮，鄢 然，張 陳

(華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510641)

為更好地對回收的SBS改性瀝青路面材料進行循環利用，采用延度、彈性恢復率、黏度、黏韌性等特征性指標對改性瀝青多次老化再生效果進行評價。結果表明:隨著老化與再生次數增多，各指標對老化與再生的敏感性不同，延度、韌性指標最敏感;多次老化再生的效果逐漸變差，典型的流變特性逐漸喪失，建議對SBS改性瀝青進行3次以上再生時，可考慮將之作為老化的普通瀝青使用。

SBS改性瀝青;多次再生;效果評價;特征指標

1 試驗材料與研究方法

1．1 試驗材料

試驗采用某國產品牌SBS(I-D)改性瀝青，主要性能指標如表1所示。再生劑技術指標如表2所示，其滿足《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG F41—2008)的相關要求。

表1 SBS改性瀝青主要技術指標

表2 再生劑主要技術指標

1．2 老化方法與再生劑摻量

研究采用室內模擬老化試驗對SBS改性瀝青進行老化，這種方式獲得的老化瀝青性能穩定、易于操作、可重復性好。大量研究表明，旋轉薄膜烘箱能夠很好地模擬施工過程的老化，再經過壓力老化容器(PAV)老化后，瀝青的老化程度相當于路面使用5～8年。

研究表明，再生劑對瀝青各技術指標的恢復不是同步的，因此以25℃針入度恢復至原樣瀝青水平來確定再生劑的摻量(表3)。再生劑摻量為9%(占瀝青的質量百分數)時老化后瀝青針入度水平恢復到與原樣瀝青相當，故選定9%為再生劑摻量，后續的二次再生、三次再生均采用相同的再生劑摻量以便對比分析。

2 多次再生對針入度的影響

中國采用針入度分級體系評價瀝青，針入度反映的是一種條件黏度，針入度指數反映瀝青的感溫特性。本試驗中SBS改性瀝青多次老化及再生后的針入度及針入度指數如表4所示。

試驗結果表明，隨著老化與再生次數增多，瀝青越來越難以完全恢復到老化前的針入度水平，再生效果越來越差，瀝青越來越硬，感溫性隨之降低。

3 多次再生對延度的影響

延度反映瀝青在受到外力拉伸作用時的塑性變形能力。規范中規定測試SBS改性瀝青延度的溫度為5℃，但多次深度老化使得瀝青延展性迅速下降，難以測定5℃延度，因此將試驗溫度提升至10℃，試驗結果如表5所示。從表5可見，隨著再生次數增加，瀝青延度逐漸下降，而延度與瀝青的低溫性能相關，延度下降，瀝青變脆，低溫性能變差［18］。延度指標對老化與再生很敏感，一次老化與再生已經使延度迅速下降。

表3 再生前后瀝青的針入度和軟化點

表4 針入度試驗結果

4 多次再生對彈性恢復性能的影響

彈性恢復率是反映SBS改性瀝青的特征性指標之一，與SBS改性瀝青抵抗永久變形能力密切相關。作為典型的流變材料，SBS改性瀝青受力產生變形，外力撤銷后，將產生瞬時彈性恢復、延遲彈性恢復以及不可恢復的永久變形。彈性恢復試驗是檢測瀝青流變特性的方法，但具體試驗規程各國有所不同:德國、法國是將SBS改性瀝青拉伸20 cm后10 s時剪斷，測定30 min恢復率;美國的AASHTO 301-95是在拉伸20 cm并持載5 min后剪斷，測定1 h的恢復率;ASTM D 6084-97以及中國的現行規程采用拉伸10 cm后立即剪斷，測定1 h的恢復率。為更好地反映SBS改性瀝青的流變特性，本研究設計的延性測試方法為:在25℃下將瀝青試件拉伸至10 cm后，保持10 min再剪斷，測試瀝青試件剪斷后各時間點的彈性恢復率，如果試件在持載等待時間內斷裂，則從斷裂時開始計時，試驗結果如圖1所示。試驗中，二次老化樣品在拉至10 cm并保持3 min后自行斷裂，三次老化樣品在拉伸過程中已斷裂，說明瀝青持載能力越來越差。試驗結果表明，卸載剪斷后SBS改性瀝青的前10 min主要體現瞬時彈性恢復能力，10 min后彈性恢復逐漸減緩，主要體現延遲彈性恢復特性。老化對SBS改性瀝青的彈性恢復率影響顯著，一次老化后彈性恢復率下降最明顯，隨著老化次數的增加，彈性恢復率越來越小，但是下降趨勢減緩。一次再生后彈性恢復率的恢復明顯，與原樣瀝青差別不顯著，但是二次、三次再生后，恢復能力逐漸下降;二次再生SBS改性瀝青的瞬時彈性恢復能力損失較小，但是延遲彈性回復能力下降明顯;三次再生后，SBS改性瀝青的瞬時彈性恢復能力以及延遲彈性恢復能力均顯著持續下降。這說明隨著老化程度加深，SBS改性瀝青中有效的彈性成分越來越少，而流變特性的改變必將影響路面抵抗永久變形的能力。

表5 延度試驗結果

圖1 老化再生次數與恢復時間對彈性恢復率的影響

5 多次再生對瀝青黏韌性的影響

黏韌性是改性瀝青的特征性指標之一，用以評價改性瀝青的黏結力和握裹力。SBS改性瀝青具有較大的黏韌性，尤其是較大的韌性。韌性反映了內聚黏結強度，韌性部分越大，凝聚力越大，材料在荷載作用下抵抗剪切變形的能力越強，高溫性能越好。另一方面，韌性越大，材料發生破壞時需要消耗的能量越大，因而材料的疲勞性能越好。多次老化再生SBS改性瀝青的黏韌性試驗結果如表6所示。

試驗結果表明:老化對SBS改性瀝青的黏韌性影響較大，隨著老化次數的增加黏韌性迅速下降，其中韌性下降更加明顯;再生后，黏韌性有所恢復，但韌性部分恢復較小;三次老化與再生后，改性瀝青的韌性部分幾乎消失。

表6 黏韌性試驗結果

圖2是SBS改性瀝青與70#普通瀝青的荷載變形曲線，可見SBS改性瀝青具有明顯的韌性部分，70#普通瀝青則接近于針形，幾乎沒有韌性部分，主要體現為黏性。

圖3為二次老化與再生后的SBS改性瀝青的黏韌性試驗結果。從圖3可以看出，二次老化后SBS改性瀝青的韌性消失，二次再生后黏韌性得到一些恢復，但是韌性部分已經不明顯，隨著三次老化與再生，曲線形態基本與70#普通瀝青一致，呈針狀，沒有明顯的韌性部分［19］。

圖2 SBS改性瀝青與70#基質瀝青荷載變形曲線

圖3 SBS改性瀝青二次老化與二次再生荷載變形曲線

6 多次再生對瀝青黏度的影響

黏度是反映瀝青流變性能的重要指標，60℃黏度與瀝青在工作溫度范圍內的高溫抗車轍能力相關聯，而高溫黏度可以反映瀝青的泵送性能與施工和易性，一般采用135℃作為測試溫度［20］。本文采用毛細管動力黏度與Brookfield旋轉黏度計分別測定SBS瀝青多次老化及再生前后的60℃黏度與100℃以上的高溫黏度。試驗結果表明，原樣瀝青的60℃動力黏度為16206 Pa·s，一次老化后黏度增大為48倍，達到776880 Pa·s，一次再生后黏度恢復至100347 Pa·s，是原樣瀝青的6倍多，瀝青老化性能得到明顯恢復，但無法恢復至原有黏度水平。高溫黏度測試結果如圖4所示。從圖4可以看出，SBS改性瀝青黏度隨著老化次數增加而增加，第三次老化后瀝青的黏溫曲線要明顯高于二次老化和一次老化瀝青的黏溫曲線;隨著再生次數增加，高溫黏度指標的恢復效果變差，一次再生黏度恢復較好，二次再生的黏度恢復效果顯著下降，三次再生黏度恢復最不顯著，說明多次老化后的SBS改性瀝青與再生劑的相容性越來越差。

圖4 多次老化與再生對高溫黏度的影響

7 結語

本文通過針入度指標確定再生劑用量，然后采用延度、彈性恢復率、黏度、黏韌性等指標對SBS改性瀝青的多次老化與再生效果進行評價，主要結論如下。

(1)隨著老化與再生次數增多，瀝青越來越難以完全恢復到老化前的技術指標水平，但是各指標的敏感程度不一，其中延度、黏韌性、韌性指標對老化影響最敏感，一次老化后迅速下降，一次再生的效果表現不佳。針入度、黏度、彈性恢復率指標雖然也隨著老化次數與再生次數增多越來越差，但第一次再生指標恢復效果較好，針入度以及針入度指數的顯著下降發生在第三次老化與再生。

(2)SBS改性瀝青一次再生后彈性恢復明顯，與原樣瀝青差別不顯著，但是二次再生、三次再生后，恢復能力逐漸下降，二次再生SBS改性瀝青的瞬時彈性恢復能力損失較小，而延遲彈性回復能力下降明顯，三次再生后，SBS改性瀝青的瞬時彈性恢復能力以及延遲彈性恢復能力均顯著持續下降。

(3)隨著再生次數增加，高溫黏度指標的恢復效果變差，一次再生黏度恢復較好，二次再生的黏度恢復效果顯著下降，三次再生黏度恢復最不顯著，說明多次老化后的SBS改性瀝青與再生劑的相容性越來越差，施工和易性與碾壓特性將受到負面影響。

(4)SBS瀝青多次老化再生的效果逐漸變差，SBS典型的流變特性逐漸喪失，總體而言，一次、二次再生指標恢復相對較好，三次再生指標已經顯著衰減，因此建議對SBS改性瀝青進行三次或三次以上的再生時可考慮將之作為老化的普通瀝青進行應用。

研究中，瀝青與再生劑的混合充分，但在實際工程中，舊SBS瀝青混合料與再生劑得不到如此充分的混合，因此再生效果將進一步下降，后續將通過老化的瀝青膠砂以及瀝青混合料進一步評價SBS改性瀝青的多次再生效果。

［1］ 張爭奇，李 平，王秉綱．SBS改性瀝青性能及老化的影響［J］．公路，2005(9):150-155．

［2］ 尹應梅．基于DMA法的瀝青混合料動態粘彈特性及剪切模量預估方法研究［D］．廣州:華南理工大學，2011．

［3］ 李從光．舊瀝青混合料再生利用技術探索與實踐［J］．筑路機械與施工機械化，2002，19(2):34-35．

［4］ HANYU A，ITO T，KASAHARA A，et al．Effect of The Morphology of SBS Modified Asphalt on Mechanical Properties of Binder and Mixture［J］．Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies，2004(9):65-72．

［5］ AIREY G D．Rheological Properties of Styrene Butadiene Styrene Polymer Modified Road Bitumens［J］．Fuel，2003，82(14):1709-1719．

［6］ SHEN D H，DU J C．Application of Gray Relational Analysis to E-valuate HMA with Reclaimed Building Materials［J］．Journal of Materials in Civil Engineering，2005，17(4):400-406．

［7］ SUN L，WANG Y，ZHANG Y．Yanyan．Aging Mechanism and Effective Recycling Ratio of SBS Modified Asphalt［J］．Construction＆ Building Materials，2014(70):26-35．

［8］ 徐 靜，洪錦祥，趙永利，等．改性瀝青老化機理及再生劑的研究［J］．石油瀝青，2011，25(3):19-23．

［9］ 竇剛玉，陳靜云．SBS改性瀝青老化及再生技術研究［J］．北方交通，2011(10):6-9．

［10］ 漆 萌，張新天．改性瀝青再生特性的試驗研究［J］．北京建筑工程學院學報，2011，27(1):60-64．

［11］ 何兆益，冉龍飛，曹青霞，等．基于光譜分析的SBS改性瀝青再生機理研究［J］．建筑材料學報，2015，18(5):900-904．

［12］ 甘新立，鄭南翔，紀小平．老化SBS改性瀝青再生性能預估分析［J］．江蘇大學學報:自然科學版，2014，35(6):715-718．

［13］ 陳華鑫，周 燕，王秉綱．SBS改性瀝青老化后的動態力學性能［J］．長安大學學報:自然科學版，2009，29(1):1-5．

［14］ 徐世法，徐立庭，鄭 偉，等．熱再生瀝青混合料新技術及其發展展望［J］．筑路機械與施工機械化，2013，30(6):39-43．

［15］ 苗其東，姚 強，戴 鑫．淺論模擬瀝青加熱拌和老化的兩種試驗方法［J］．石油瀝青，2009，23(5):62-67．

［16］ 陸晶晶．橡膠瀝青性能影響因素與改性機理研究［D］．西安:長安大學，2010．

［17］ 栗培龍，張爭奇，王秉綱，等．道路瀝青熱氧老化模擬試驗研究［J］．鄭州大學學報:工學版，2008，29(1):119-123．

［18］ 王笑風，曹榮吉．橡膠瀝青的改性機理［J］．長安大學學報:自然科學版，2011，31(2):6-11．

［19］ 趙志軍，陳明宇，吳少鵬，等．瀝青的老化機理與性能研究［J］．建材世界，2009，30(2):159-162．

［20］ 高 榕，趙 樂，房士偉．基于灰色理論的SBS改性瀝青老化性能的評價方法［J］．筑路機械與施工機械化，2016，33(9):57-61．

Evaluation of Effect of Repeated Recycling on Properties of SBS Modified Asphalt

ZOU Gui-lian，YAN Ran，ZHANG Chen
(School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510641，Guangdong，China)

In order to better recycle SBS modified asphalt pavement materials，the effects of repeated aging and recycling on the modified asphalt were evaluated by the characteristic indices such as ductility，elastic recovery rate，viscosity and tenacity．The results show that with the increase of the times of aging and recycling，the sensitivity of each index differs，and the ductility and tenacity were the most sensitive;the effect of repeated recycling gradually deteriorates，and the typical rheological properties are gradually lost．It is recommended that SBS asphalt which has been recycled for more than three times should be regarded as ordinary aged asphalt．

SBS modified asphalt;repeated recycling;effect evaluation;characteristic index

U414．03

B

1000-033X(2017)09-0059-05

0 引 言

目前，國內首批大規模使用SBS改性瀝青鋪筑的瀝青路面已經使用超過20年，2000年后大量鋪筑的SBS改性瀝青路面也已使用十幾年，這些路面已經進入大修、重建階段，這將產生大量的廢舊SBS改性瀝青路面材料。為更好地對材料進行循環利用，研究SBS改性瀝青的再生及多次再生機理與效果具有重要意義［1-3］。

國外對SBS改性瀝青再生機理與效果開展了大量的研究［4-7］，但是結論并不統一，有研究認為老化過程使得SBS改性劑明顯降解，再生并不能恢復改性瀝青的特有性質，再生SBS改性瀝青混合料抗疲勞能力較差;也有研究認為，通過對老化SBS改性瀝青進行再生試驗，發現老化SBS改性瀝青性能得到恢復，SBS改性瀝青再生是可行的。國內的一些學者與道路工作者也相繼開展了SBS改性瀝青及其混合料的再生性與機理研究［8-12］，有學者認為通過恰當的方式可以實現SBS改性瀝青的完全再生;也有研究認為再生劑對SBS改性瀝青的再生效果不佳，再生SBS改性瀝青的耐久性與低溫性能較差［13-17］。本文采用針入度、延度、彈性恢復率、黏度、黏韌性等指標評價SBS改性瀝青的多次老化與再生恢復效果。

2017-03-04

國家科技支撐課題項目(2014BAC07B01)

鄒桂蓮(1971-)，女，黑龍江牡丹江人，博士，教授，研究方向為道路材料、路面工程、橋面鋪裝等。

［責任編輯:高 甜］