SBS改性沥青老化分级及差异化再生技术研究

陈修和，任 园，张玉斌

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，合肥 230088)

SBS改性沥青具有优良的路用性能，目前被广泛应用于我国的公路和市政道路中。既有道路改造和养护维修时，旧路面挖除、铣刨产生的废旧沥青料中，SBS改性沥青混合料占比在60%以上。为响应国家节能环保、绿色公路等政策的号召，亟需对旧路面材料进行资源化利用。因此，如何将旧SBS改性沥青混合料高价值、高品质地再生使用一直是研究的热点和难点。

近年来，国内外已有大量关于SBS改性沥青老化机理和再生技术的研究。SBS改性沥青的老化过程是SBS颗粒降解、逆溶胀的过程[1]，沥青软化点、针入度、延度、指标、复数模量和相位角等指标的变化特征[2,3]均无法有效地显示SBS掺量和老化程度对SBS改性沥青性能的影响，且尚未有RAP(再生沥青混合料)中SBS改性沥青老化程度的快速检测与评定方法[4]。现有规范和相关技术仅提到通过添加再生剂或新沥青[5-7]实现SBS改性沥青再生，并未根据SBS改性沥青老化程度的不同给出差异化的再生技术与性能提升方案，因此，并没有发挥出旧SBS改性沥青的优良性能。

当前，在国家提出“双碳”目标的大背景下，旧SBS改性沥青的再生使用和公路工程的材料应用也面临着转型升级。基于此，本文对旧SBS改性沥青混合料进行老化程度评级，并针对性地提供再生方案，实现旧SBS改性沥青混合料高价值、高品质的再利用，不仅能够降低公路建设成本，同时可以变废为宝，具有较高的经济价值和社会效益。

本文选用安徽某公司生产的SBS改性沥青，原样SBS改性沥青性能指标如表1所示。

表1 原样SBS改性沥青性能指标

采用OLMPUS(奥林巴斯)荧光显微镜对不同老化程度的SBS改性沥青的微观相态结构进行观测，主要观测SBS改性颗粒状态。SBS改性沥青老化过程微观结构分析如图1所示。

由图1可知，在SBS改性沥青老化5～15 h时，SBS颗粒尺寸逐渐变小；
老化20 h时，SBS颗粒数量减少、分布不均匀；
老化24 h时，SBS颗粒呈絮状不均匀分布，且出现凝聚、离析特征。SBS改性沥青老化是SBS颗粒降解、逆溶胀的过程，SBS颗粒会随老化进程发展消融在沥青中，失去胶体间的联系，导致SBS改性沥青性能大幅度降低。

公路沥青路面设计与施工等相关规范中，一般采用针入度、软化点、延度、车辙因子等指标对沥青性能进行评价。为进一步分析SBS改性沥青老化过程中SBS掺量和老化时间对其性能的影响，对不同SBS掺量和老化时间的沥青性能进行测定，不同老化时间与SBS掺量下沥青性能变化规律如图2所示。

由图2可知，软化点、针入度、车辙因子指标随着SBS改性剂掺量和老化时间变化规律具有一致性，无法有效地鉴别SBS改性沥青的老化；
延度指标可以在一定程度上区分老化时间和SBS掺量的影响，然而当SBS掺量超过5%时，延度指标就无法体现SBS改性沥青的性能变化。

测力延度能够反映沥青拉伸过程中位移与拉力的变化规律。在10 ℃条件下进行试验，对SBS改性沥青进行拉力-位移曲线分析，不同老化时间与SBS掺量下沥青测力延度试验结果如图3所示。

由图3可知，测力延度试验结果有明显的三阶段特征。对不同老化时间和SBS掺量下改性沥青韧性指标变化规律展开研究，不同老化时间与SBS掺量韧性值计算如图4所示。

图中，SBC为韧性，N·cm；
D为位移，cm；
a、b、c为回归参数；
SBC计算公式为

(1)

由图4和式(1)可知，韧性与SBS掺量为正相关、与老化时间为负相关，可以区分老化时间与SBS掺量影响，因此，以针入度、韧性作为旧SBS改性沥青老化过程评价指标。

按照式(1)计算SBS改性沥青的韧性指标值，SBS改性沥青测力延度三个阶段的韧性值分别为0、0～400、≥400。《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)(以下简称“规范”)以针入度作为沥青再生评判标准，统计近30组不同老化程度下针入度、韧性值关联关系，老化SBS改性沥青针入度、韧性值关联分析如图5所示；
规范提出的不同SBS改性沥青老化程度判定标准如表2所示。

表2 不同SBS改性沥青老化程度判定标准

SBS改性沥青老化过程包括沥青老化和SBS改性剂降解、逆溶胀的过程。对老化的SBS改性沥青进行再生，一方面需要通过调节沥青组分构成，降低老化沥青的稠度、提升其延展性，使老化沥青常规技术性能得以恢复，即实现老化的SBS改性沥青中基质沥青的再生；
另一方面需要在对老化的SBS改性沥青进行再生的基础上，恢复老化的SBS改性沥青的韧性，即实现再生沥青性能的提升。

沥青再生的原理是向老化沥青中添加再生剂，补充老化沥青中缺失的轻质油分、调节沥青组分构成。为进一步提升SBS改性沥青再生性能，设计出再生剂、再生剂+基质沥青、再生剂+岩沥青、再生剂+SBS改性沥青、再生剂+RST高黏改性沥青5种再生方案，分别用5种再生方案对不同老化程度的SBS改性沥青进行再生性能检测，不同再生方案下沥青性能如表3所示。

表3 不同再生方案下沥青性能

由表3可知，5种再生方案均能使再生沥青软化点和黏度有所降低，延度有所提升。采用OLMPUS荧光显微镜观察不同再生方案下SBS改性沥青微观结构变化，老化的SBS改性沥青性能恢复微观结构状态如图6所示。

由图6可知，添加再生剂或岩沥青后，老化的SBS改性沥青微观相态仍为絮状分布状态，岩沥青的加入使得SBS凝聚特征更为明显，当加入再生剂及SBS改性沥青或RST高黏改性沥青时，SBS颗粒状均匀分布，微观相态结构存在明显改变。

进一步对测力延度行为下的韧性指标进行分析，不同再生方案下老化SBS改性沥青韧性值变化如图7所示。对于老化导致的SBS降解反应，补充一定量SBS改性沥青或RST高黏改性沥青，对其韧性有改善作用，韧性指标可作为再生方案选择的重要依据。

上述几种再生方案作用于轻度老化的SBS改性沥青后，其常规性能指标可恢复至原样沥青水平，而对中度、重度老化的SBS改性沥青，再生剂+SBS改性沥青或RST高黏改性沥青的方案，可将其常规性能恢复至原样沥青水平；
仅加入再生剂+RST高黏改性沥青或SBS改性沥青的再生方案，可以使不同老化程度的沥青韧性指标达到甚至超过原样SBS改性沥青韧性指标的水平。

(1) 本文从SBS改性沥青的老化机理出发，研究不同老化时间、SBS掺量下沥青宏观性能及微观结构的变化特征，采用韧性指标、测力延度曲线特征和针入度指标来界定SBS改性沥青的老化程度，将其分为轻度老化、中度老化、重度老化三个等级。

(2) 再生剂、基质沥青或岩沥青的加入仅在宏观上降低了老化SBS改性沥青的黏度，提升了其延展性，但SBS颗粒仍然呈现老化后的絮状分布状态，并没有真正有效地改善SBS改性沥青的结构特征。

(3) 再生沥青的韧性指标能够反映微观结构变化规律，对不同老化程度的SBS改性沥青进行再生时，在考虑SBS改性沥青稠度、延展性等基本性能时，可结合韧性指标恢复程度，选择或调整再生方案，以实现老化SBS改性沥青功能提升。

(4) 本文只进行了一种SBS改性沥青的试验分析，因此所得结论的普遍性有待后续进一步研究。

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