（道路与铁道工程专业论文）SBS改性沥青老化及再生规律研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：薤弛虱 日期：兰竺：! ? ； 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生 摘要 摘要 s b s 改性沥青是我国高速公路表面层最主要的胶结料，随着使用年限的增加，s b s 改性 沥青也会出现老化现象，但目前尚未有针对s b s 改性沥青的再生技术。对于沥青再生剂的开 发研究，我国在上世纪八十年代曾针对低等级路面开发了一些轻油型再生剂。随着高等级公 路维修需求的增加，国内一些单位也进行了开发研究尝试，取得了一定的成果。本文在继承 原有部分研究成果的基础上，分析现有再生剂的不足，结合对再生剂功能需求的重新确定， 提出了s b s 改性沥青专用再生剂开发方案，并进行了相关性能研究。 论文通过大量的室内老化模拟实验分析了s b s 改性沥青的热氧、光、水老化的规律，发 现了其不同于基质沥青老化的特点，并通过测力延度指标定量分析了这种老化特点。通过 d s r 、b b r 、沥青常规指标分析了基质沥青和s b s 改性沥青的老化机理。同时通过不同老化 状态的s b s 改性剂和基质沥青相互组合来分析s b s 改性沥青老化过程中，s b s 与基质沥青的 相互作用，从而为老化s b s 改性沥青的再生及性能评价提供理论基础。 本文通过试验证明，对于老化的基质沥青，普通再生剂可以较好的加以再生。而对于老 化的s b s 改性沥青，普通再生剂则不能有效的恢复其性能，而只是软化了其中的老化基质沥 青，并且其成分存在扩散不均匀现象。 本文根据s b s 改性沥青老化特点及现有再生剂存在的不足，提出了s b s 改性沥青专用再 生剂的开发思路，分别按照一定的技术要求选择材料，自制成了s b s 改性沥青专用再生剂。 在保证成分均匀扩散和高温性能的情况下，提高了再生s b s 老化沥青的低温性能和抗老化性 能。 关键字：s b s 改性沥青低温性能高温性能老化再生 a b s t r a c t a b s t r a c t s b sm o d i f i e da s p h a l tb i n d e ri sm a i n l yu s e di nt o ps u r f a c eo fh i g h w a yi nc h i n a , i sa l s oa g i n g d u r i n gi t ss e r v i c el i f e b u tt h er e c y c l i n gt e c h n o l o g yf o ri th a sn o tb e e nm a d e f o rt h er e s e a r c ho f a s p h a l tr e j u v e n a t ea g e n t , s o m ea t t e m p t sa r eu s e dt ob em a d ea i m i n ga tl o w - g r a d ep a v e m e n t si n 19 8 0 si no u rc o u n t r y w i t ht h ei n c r e a s i n gm a i n t e n a n c er e q u i r e m e n t so fh i g h g r a d eh i g h w a y , s o m e o r g a n i z a t i o n sh a v em a d es o m ee f f o r t st or e s e a r c h ，a n da c h i e v e ds o m ef i n d i n g s b a s e do ns o m e p o r t i o no fo r i g i n a lr e s e a r c hf i n d i n g s ，t h es h o r t c o m i n g so fc o m m o na s p h a l tr e j u v e n a t ea g e n ti nb e i n g a r e a n a l y z e d ，a n dr e f i n e d t h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so fr e j u v e n a t ea g e n t ，ar e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tm e t h o do fs p e c i a ls b sm o d i f i e da s p h a l tr e j u v e n a t ea g e n tf o rh i g h - g r a d ep a v e m e n t si s g i v e ni nt h i sp a p e r , a n dt h er e l a t i v es t u d i e sa r ec a r r i e do u ta tt h es a n l et i m e t h el a wo ft h e r m o - o x i d a t i v e 、u l t r a v i o l e ta n dw a t e ra g i n gf o rs b sm o d i f i e da s p h a l ti sa n a l y z e d a c c o r d i n gt oal a r g en u m b e ro fi n d o o rs i m u l a t i o nt e s t s ，s o m ea g i n gp r o p e r t i e sd i f f e r e n tf r o mt h a to f o r i g i n a la s p h a l ta r ef o u n d t h ed u c t i l i t y 、 ，i mf o r c eh a sb e e na n a l y z e dt h ep r o p e r t i e sq u a n t i t a t i v e l y t h ea g i n gm e c h a n i s mo fs b sm o d i f i e da n do r i g i n a la s p h a l ti sa n a l y z e db yt h et e s t so fd s r 、b b r a n dc o m m o ni n d e x d i f f e r e n ta g i n gs t a t e so fs b sa r ea l s oc o m b i n e dw i t hd i f f e r e n ta g i n gs t a t e so f o r i g i n a la s p h a l ti no r d e rt os t u d y t h ea g i n gi n f l u e n c ef o rt h ec o m p o s i t i o np r o d u c e db yt h e c o m b i n a t i o n t h i sm a yg i v et h et h e o r e t i c a lb a s i st ot h er e j u v e n a t i o no fs b sm o d i f i e da s p h a l t t h ec o m m o nr e j u v e n a t ea g e n tc a ni m p r o v et h eo r i g i n a la s p h a l tb e t t e r ，b u ti tc a n te f f e c t i v e l y i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea g e ds b sm o d i f i e da s p h a l ta n do n l ys o f t e ni n n e ra g e do r i g i n a l a s p h a l t t h ec o m p o n e n t so fc o m r n o nr e j u v e n a t ea g e n th a v ep r o b l e m si ne q u a b l ed i f f u s i o n a c c o r d i n gt ot h ea g i n gl a wo fs b sm o d i f i e da s p h a l ta g e n ta n dt h ed e f e c t so fc u r r e n ta s p h a l t a g e n t , t h em e t h o do fi n v e n t i n gs p e c i a la s p h a l ta g e n ti sg i v e ni nt h i sp a p e r t h em a t e r i a l sa l ec h o s e n a c c o r d i n ga sc e r t a i nt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sr e s p e c t i v e l ya n dt h e ns p e c i a lr e j u v e n a t ea g e n ti sm a d e t h es p e c i a lr e j u v e n a t ea g e n ti m p r o v e st h el o wt e m p e r a t u r ea n da n t i a g i n gp e r f o r m a n c ef o ra g e d s b sm o d i f i e d a s p h a l t k e y w o r d s ：s b sm o d i f i e da s p h a l tl o w - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eh i g h t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c ea g i n gr e g e n e r a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 再生剂的研究现状4 1 4 本文研究的内容与技术路线6 第二章s b s 改性沥青老化评价方法及指标研究8 2 1s b s 改性沥青老化的基本规律8 2 1 1 热氧老化规律分析8 2 1 2 光老化规律分析：9 2 1 3 水老化规律分析1 0 2 2s b s 改性沥青老化的评价指标1 1 2 2 1 测力延度的阶段划分1 2 2 2 2s b s 的含量对测力延度的影响1 3 2 2 3s b s 改性沥青老化的测力延度指标分析1 4 2 3 本章小节1 8 第三章s b s 改性沥青老化机理研究1 9 3 1s b s 改性沥青老化机理分析1 9 3 1 1 基质沥青老化机理分析1 9 3 1 2 改性沥青溶液相容理论2 0 3 2s b s 改性剂与基质沥青的老化对s b s 改性沥青的影响2 1 3 2 1s b s 改性剂与基质沥青老化对s b s 改性沥青的影响2 l 3 2 2 老化试样的红外光谱分析2 4 3 2 3s b s 改性剂的老化对s b s 改性沥青的影响2 8 3 3 本章小节3 l 第四章普通再生剂的再生效果评价3 2 4 1 再生剂的分类与性能分析3 2 4 1 1 再生剂的分类与性能要求3 2 4 1 2 再生剂作用特性分析3 5 4 1 3 再生剂作用机理分析3 7 4 1 4 再生剂扩散机理分析3 8 4 2 普通再生剂对老化基质沥青的再生性能3 9 4 2 1 试验准备3 9 4 2 2 温度敏感性4 0 4 2 3 高温性能4 4 4 2 4 低温流变性能4 7 4 2 5 抗老化性能4 8 4 3 普通再生剂对老化s b s 改性沥青的再生性能4 9 4 3 1 普通再生剂对老化s b s 改性沥青的再生效果4 9 4 3 2 普通再生剂的扩散效果5 2 目录 4 4 本章小节5 2 第五章专用再生剂的开发与性能评价5 4 5 1 基于路用性能的再生剂功能与技术要求5 4 5 1 1 再生剂的功能5 4 5 1 2 再生剂的技术要求5 5 5 2 再生剂开发思路5 6 5 3 浸润扩散组分5 7 5 3 1 扩散组分的选择5 7 5 3 2 添加量初步确定5 7 5 4 结构调节组分5 8 5 5 增粘改性组分6 0 5 5 1 材料选择6 0 5 5 2 改性剂添量的确定6 0 5 6 专用再生剂对老化s b s 改性沥青的再生性能6 2 5 6 1 专用再生剂的性能试验6 2 5 6 2 专用再生剂的扩散性能6 4 5 6 3 再生剂再生老化s b s 改性沥青的抗老化性能6 5 5 7 本章小节6 6 第六章结论与建议6 8 6 1 本文的主要结论6 8 6 2 尚待解决的问题6 8 参考文献7 0 致谢7 2 攻读硕士学位期间发表论文7 3 第一章绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 第一章绪论 近年来，随着世界各国道路界对沥青路面研究的深入，沥青路面新结构、新工艺、新材 料等不断涌现，而它们的出现促进了沥青路面使用场合的进一步扩大，沥青路面技术应用水 平和研究水平达到了空前的广度和深度。其中改性沥青技术的发展最为瞩目，改性沥青对沥 青路面的作用受到了越来越多的重视和肯定，正是由于有了改性沥青的参与，才使s m a 、 o g f c 等具有了更为优良的路用品质。改性沥青的出现使沥青路面的应用场合越来越多，沥 青路面可被应用在过去认为不能适用的地方，如机场道面、桥面铺装、气候极端炎热或极端 寒冷地区的道路。改性沥青己经逐渐形成一门独立的学科。当前，聚合物改性沥青己成为改 善沥青路用品质的有效途径和发展方向，其使用比例将达道路沥青总量的1 5 左右。而s b s 改性沥青以其优良的路用性能在我国及世界范围内的沥青改性剂中所占的比例高达5 0 以 上，市场前景广阔。随着改性沥青混合料的广泛应用，它的老化过程及其性能恢复的研究日 益引起广泛的关注。另外，从实践应用上来讲，改性沥青从生产到使用，必然要经过施工和 应用阶段，这两阶段中各种因素的作用使改性沥青发生变化，并最终体现为改性沥青路用性 能，因此改性沥青老化后的性质更重要。目前对改性沥青的研究虽较多，但有关改性沥青老 化特点的研究甚少。 沥青老化是路面发生破坏的主要原因之一，沥青混合料的老化分为2 个阶段：短期老化 和长期老化。短期老化是沥青路面铺装时沥青因受热引起的老化，开始于拌和厂，终止于沥 青路面压实后温度降至自然温度；长期老化是沥青路面使用期内沥青混合料因光照、温度、 降水和交通荷载的综合作用导致的老化，开始于路面建成之后终止于路面服务性能下降直至 不能满足行车的要求。对于改性沥青来说，老化不仅包括沥青的老化还包括改性剂的老化。 以前对基质沥青的老化研究较多【l 3 1 ，而对改性沥青的老化报道较少。目前常用的改性剂是热 塑性弹性体苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物( s b s ) 。 s b s 沥青的抗老化性能是影响路面寿命的主要因素之一。关于s b s 沥青老化的研究，国 内外多采用薄膜烘箱试验或人工模拟自然老化试验。试验方法缺乏快速、简捷、直观性。因 此，研究建立快速简捷直观的沥青老化试验方法，定量描述沥青的老化，从本质上揭示沥青 老化的原因，探讨提高沥青耐久性的途径，系统评价s b s 沥青的抗老化性能，对于指导s b s 沥青的生产和废旧s b s 沥青混合料的再生具有重要的意义。 我国高等级沥青路面经一定年限的使用后己相继进入维修时期，大、中修将翻挖出大量 的旧沥青混合料。废旧沥青混合料不可用于其他工程，进而造成三大问题：一是堆放场地， 二是污染环境，三是浪费了大量的不可再生资源。由于沥青混合料的不可降解性，利用深埋 的办法处理就会严重污染浅层的地下水资源。旧沥青路面再生利用可以节约大量的砂石材料， 降低工程成本。因此，废旧混合料的再生利用，既可以保护环境又可以节约自然资源，当今 普通沥青混凝土的再生研究已较多，而s b s 沥青混合料的再生研究内容较少，这极大的阻碍 l 东南大学硕士学位论文 了其再生的广泛应用。 1 2 国内外研究现状 沥青老化问题一直是国内外学术界研究的重点内容。5 0 年代后期就得到高度重视，美国、 加拿大、日本、北欧等地区的学者对沥青老化问题进行了研究，他们认为：沥青老化主要有 四个方面，即氧化老化，挥发物的衰减，自然硬化和渗流硬化。当沥青与空气接触时会慢慢 氧化，形成的极性含氧基团逐渐联结成高分子量的胶团，促使沥青的粘度提高。氧化主要依 赖于温度、时间和沥青膜的厚度，并与沥青的组成与结构有关。 按照短期老化和长期老化，可把老化研究分为如下两类： ( 1 ) 通过薄膜烘箱老化模拟沥青的短期老化 w r i g h t 等【4 】通过瓜光谱进行沥青氧化动力学研究。p e t e r s o n 等采用沥青6 0 。c 动力粘度的 变化来研究沥青老化。国内对沥青老化性能的研究还是比较多的。沥青在老化过程中，各组 分间的变化属于顺序连串反应，即芳香份向胶质转变，胶质向沥青质转变，沥青质向甲苯不 溶物转变，但他们的研究只是定性分析，未对各组分间的转变进行定量研究；亓玉柱，王明 刚等【5 】研究了石油沥青在连续的热和空气老化中化学族组成的变化，并建立了沥青老化的连 串反应模型，求得了有关的动力学参数，并对几种沥青进行老化性能评价；周安娜，朱静【6 j 通过薄膜烘箱老化，对沥青进行不同温度，不同时间的老化，并测定了所得老化沥青分子量 及分子量分布的变化，他们的研究表明，沥青在老化过程中平均分子量与分散度显著增加； 戴跃玲，刘道胜，杨鹏等【_ 7 】通过薄膜烘箱实验，研究了沥青老化后组成与使用性能间的关系； 闫锋等【8 】对沥青进行不同温度下的薄膜烘箱老化，并根据老化过程中，正戊烷沥青质的变化， 进行了沥青老化动力学研究，计算得出了有关动力学参数，得到了沥青老化动力学方程。水 恒福等【9 】通过1 h - n m r 结合取对沥青老化进行了探究。 张俊等【l o 】借助红外光谱分析研究了基质沥青与s b s 沥青的老化性能认为基质沥青的老化 主要是吸氧氧化反应；而改性沥青的老化除了具有基质沥青的老化反应外，还存在sb s 中 聚丁二烯链段的断裂和氧化反应。张争奇等【l l 】采用s h r p 指标对2 种改性剂、3 种基质沥青 组合的改性沥青在不同老化状态的高、低温性能进行了研究，试验结果表明改性沥青经老化 后，高温性能提高，而低温性能有好有差，取决于改性沥青组合及其相容性，而且线型和星型 s b s 改性剂在改善效果上不存在孰优孰劣，基质沥青是影响改性沥青效果和相容性的重要因 素。陈华鑫，王秉纲【1 2 】通过1 种基质沥青、4 种苯乙烯丁二烯苯乙烯( s b s ) 改性剂制备的1 3 种改性沥青的动态力学试验，分析比较了原样沥青和旋转薄膜烘箱试验( r t f o t ) 老化沥青的 动态力学温度谱试验结果，讨论了s b s 改性沥青动态力学性能的变化机理，得出了改性剂的 种类和剂量对其动态力学性能的影响。结果表明：低温下改性沥青的动态力学性能与基质沥 青性能有关，高温时则取决于s b s 改性剂的性质，r t f o t 老化后因s b s 的裂化与降解使改 性沥青的弹性成分产生损失，其性能向基质沥青特性转变。 s b s 改性沥青的低温测力延度试验( 图1 ) 表明了随着老化程度的加深，表征s b s 改性 沥青变形特点的第三阶段逐渐减少以至消失。 2 第一章绪论 图1s b s 改性沥青测力延度图2s b s 改性沥青和相应基质沥青复数模量 s b s 改性沥青复数模量g 木试验( 图2 ) 表明其老化特性，即：不同于基质沥青随着老化 程度加深其g 逐渐增大，s b s 改性沥青经过p a v 老化5 h 后g 木反而出现暂时的下降。这主 要因为改性沥青经短期老化后，其动态力学性能的改变主要是基质沥青中小分子成分的减少、 与基质沥青的相互作用增强( 溶胀作用更加充分) ，因而老化后沥青分子和分子链段间的约束 作用增强，使得改性沥青的模量值大幅度增加。而随着老化的深入，在热氧的作用下s b s 改 性剂结构会出现裂解，因而造成改性效果下降，这一点可以用来解释为何p a v 老化5 h 后改 性沥青的弹性性能反而出现下降。而随着老化的进一步深入，基质沥青的老化程度加大，基 质沥青对改性沥青性能的影响开始占据主动，在s b s 改性剂和基质沥青老化的影响下，改性 沥青的弹性性能进一步增大。 ( 2 ) 长期热氧老化 c h a r r e i d u h a u t 等【1 3 1 研究了轻组分挥发、雨水冲洗以及氧化对沥青性能的影响，并进行了 g c m s ( g a sc h r o m a t o g r a p h y m a s s s p e c t r o m e t r y ) 分析，结果表明：水洗、挥发导致1 5 个碳原子 以下小分子物质的减少；氧化反应主要生成了酮、梭酸和亚矾等。y o n g h n o gr u n a t l 4 】等研究了 长期热氧老化对沥青流变性能的影响。p e t e r s e nj e 研究了沥青在长期老化过程中物理化学变 化。在1 9 8 7 1 9 9 3 年间，美国s h r p ( 战略性公路研究计划) 沥青项目的研究者以s u p e r p a v e 作为s h r p 沥青项目的最终产品，集成了基于沥青性能的沥青规范、试验方法、试验标准和 混合料设计系统，其中的沥青结合料规范( 简称p g 分级) 作为s u p e r p a v e 的主要内容之一引 起广泛关注，并被认为是s h r p 成果中最为成熟的部分，p g 规范中首次采用压力老化( p a v ) 容器来模拟结合料在实际路用中的长期老化状态，并通过老化后沥青的高温车辙因子来衡量 沥青的高温性能，低温性能主要通过沥青结合料的低温开裂指标一蠕变劲度模量s 和劲度模 量的变化率m 来衡量。 迄今为止，国内外的研究一般都是利用薄膜烘箱老化，模拟沥青在铺筑和拌和过程中热 和空气中的氧对沥青的老化，研究了沥青在短期的热氧老化过程中组分、结构、性能等的变 化。而长期老化研究，则采用压力老化( p ! a v ) 主要考虑到了动态车载、氧、热对沥青性能的影 响。 3 东南大学硕士学位论文 1 3 再生剂的研究现状 对旧沥青混合料的再生利用过程主要是恢复其路用性能的过程，而此过程通常是借助再 生剂实现的，再生剂性能的优劣关系到整个再生工艺的成败。因此，国内外道路工作者进行 了大量深入的尝试，取得了可喜的成绩。 国外在上世纪七八十年代石油危机就开始再生剂的研制工作。美国s h r p 计划之初，曾 花费很大精力进行沥青化学成分分析，希望从化学组分角度理解沥青的老化机理，进而寻求 沥青再生方法：通过对老化沥青和优质沥青组分的比较，向老化沥青中添加所缺失的组分， 使组分重新协调。然而这种从组分角度寻求再生剂的方法并没有成功，因为沥青的化学结构 极其复杂，即便化学组分相同的沥青，因油源基属、生产工艺的不同，其路用性能可能相差 很远，因此必须寻找其它有效再生途径指导再生剂开发。 随着对沥青结构体系认识的深入，人们逐渐摒弃将沥青作为以沥青质为核心、逐层包裹 胶质、油分的胶体结构理论，而将它视为一种高分子溶液，沥青质与软沥青质之间的相溶性 决定了其高分子溶液结构稳定性，这就是沥青相溶性理论。相溶性理论采用沥青组分溶解度 参数为评价指标，不仅与沥青宏观路用性能有较好的关联性，可更好地指导并控制沥青再生 剂开发。目前工程使用的再生剂多是以沥青相溶性理论为指导，借助沥青组分调节的方法进 行开发的。 在这种再生剂开发理论的指导下，迄今为止国外已研制出多种沥青再生剂，并取得了良 好的工程效果。美国专利【1 5 1 u s 7 3 5 7 5 9 4 介绍了一种由极性树脂、芳香分和饱和烷烃溶剂组成 的再生组分，饱和烃溶剂的含量很少；u s 5 7 6 6 3 3 3 采用一种页岩油( s h a l eo i l ) 作为再生组分； u s 5 2 3 4 4 9 4 使用一种矿( 煤) 泥油( s e w a g es l u d g e d e r i v e do i l ) 作为再生组分，这种物质为饱 和脂肪族、单环芳烃、二环芳烃、多环芳烃的混合物；u s 3 7 9 3 1 8 9 介绍了一种含有脱丙烷沥 青、液体石油衍生物( 残油的重馏分) 的物质作为再生组分。从合成再生剂的成分看来，国 外再生剂多使用一些工业废油或石化油份作为再生剂主要成分，这些油分有个共同的特点就 是富含芳香分。 表1 1 前苏联再生剂质量标准 表1 2 日本再生剂质量标准 4 第一苹绪论 国外对再生剂的研究较为深入，不仅形成了较为成熟的再生剂开发技术，可以为不同沥 青路面进行再生剂配制，而且还制定了相应的规范，如表1 1 表1 3 所示。除对再生剂施工 安全性、抗老化性有一定限制外，主要还对再生剂的饱和分含量及芳香分含量有一定要求， 以保证再生剂对旧沥青性能具有较高的恢复能力。 表1 3 美国再生剂质量标准( 威特克公司) 我国在八十年代初曾研制过再生剂，如上海市政工程研究所、云南交通科研所等，取得 了一定的成就，但当时所研制的再生剂主要是针对等级较低的渣油路面，多是一些轻质油分 按不同比例混合组成，自然因素作用下易挥发、氧化，且与老化沥青的相容性差，抗老化性 能不理想，多已不再使用。但从八十年代至今，随着国内大规模公路建设，对再生剂的需求 不大，很少有单位研制再生剂，基本处于停滞状态。 随着高等级沥青路面维修阶段的到来，部分高校及科研单位开始致力于再生剂开发，但 多是根据国外的经验，采用富含芳香分的油分和一些合成树脂制备再生剂。沈阳建筑工程学 院【1 6 】依据化学组分的配伍型理论，按一定比例在旧沥青中加入含沥青质少、含芳香分高的再 生剂，调和沥青组分，形成稳定的胶体结构，开发出四种富芳贫蜡的添加剂：抽出油、重方 烃、添加剂r 和催化油浆。浙江兰亭高科有限公司【1 7 】开发的一种废沥青再生剂中，含有高达 7 5 9 0 的轻质油分及l o 2 5 的树脂。专利c n 2 0 0 4 1 0 0 8 4 4 5 【l 玎介绍了轻质油分( 环烷油、 糠醛油、芳烃油、润滑油、玉米油等) ，焦油提取物或石油树脂提取物树脂作为再生组分。这 些再生剂还有较高的芳香分，而芳香分易挥发、聚合，造成再生沥青抗老化性能较差。 为改善再生沥青抗老化性能，东南大学江斟1 8 l 通过引入增粘树脂提高轻质油分的稳定性， 增加与老化沥青的相容性，取得了较明显的效果。余国贤【l 州更进一步根据老化沥青的不同组 分的性能，将再生剂成分分为增溶分散组分、稀释调和组分及蜡晶分散组分，有针对性地提 高和改善旧沥青的某些性能。 在国外，再生剂往往专门由化工部门研究提供，而我国再生剂的研究多是由院校道路研 究所提供，缺乏专业的化工部门协作。开发再生剂的机理多是基于对老化沥青的理解，恢复 老化沥青的组分结构，而对沥青混合料再生工艺考虑不足、对沥青路面病害针对性不强。对 再生剂的质量评价也多是根据国外经验标准，相关部门尚未制定适合我国国情的再生剂质量 评价标准和体系。几年来，同济大学、山西公路局、湖北省公路局科研所、西安公路研究所、 河南省交通厅科研所、河北省交通科研所、山东省济宁市公路总段、东南大学、江西省公路 局以及湖南省公路局等单位，已经在再生机理的理论、设计方法、再生剂的质量技术指标等 5 东南大学硕士学位论文 诸方面的研究，取得了一定的成果。 随着对沥青老化机理认识的深入和实践经验，国内外再生剂的开发逐渐从单一再生组分 向复杂体系发展，分别经历了轻质油、重质油+ 简单聚合物、再生组分+ 热塑性弹性体或热固 性高分子聚合物这几个阶段。 目前，国内再生剂存在的主要问题有：1 ) 富含大量的轻质或重质油，因此在再生沥青的 同时给沥青混合料带来了很多负面的影响，如沥青路面的抗车辙性能大大降低：2 ) 市场的再 生剂只针对普通沥青而开发的，对改性沥青的老化问题没有深入的研究和具体的措施；3 ) 对 沥青路面的常见病害如水损害、开裂等问题没有相应的组分对其进行改善或提高；4 ) 对再生 路面的容易再度老化的问题没有采取相应的措施。 总体来看目前对普通沥青的老化和再生研究比较深入了，而对改性沥青老化和再生研究 却少见，并且没有专门针对改性沥青的老化和路面病害而开发的系统的改性再生剂，因此针 对改性沥青老化和沥青路面病害并存的现象，研制同时具有再生老化沥青和提高沥青路面抗 病害性双重作用的改性再生剂意义重大。 目前国内外对再生剂质量技术要求仅包括对再生剂本身的性能如闪点、粘度和耐老化性 能等提出规定，而没有对其再生效果作任何要求或规定。同时就再生剂本身的性能要求而言， 也存在一些不太合理的要求指标，如对芳香分、饱和分等成分的含量提出了具体的指标，这 些指标对目前的普通再生剂而言比较合理，但是对改性再生剂就太不合理，应该规定其性能 而不应改限制其组成。 因此需要建立一套适合于改性再生剂的、既对再生剂本身性能作要求，又对其再生沥青 和再生混合料性能作出要求或规定的系统的评价方法和指标。 1 4 本文研究的内容与技术路线 ( 1 ) s b s 改性沥青老化评价方法及指标研究 s b s 改性沥青的老化包括其中的基质沥青和s b s 改性剂的老化，从s b s 改性沥青的短期 和长期老化入手，在热氧、光、水等不利条件下进行试样的老化分析得出了s b s 改性沥青老 化的基本规律。用测力延度试验来定量分析s b s 改性沥青老化过程，得出s b s 改性沥青老化 的特点。 ( 2 ) s b s 改性沥青老化机理研究 对比基质沥青和s b s 改性沥青的老化分析，组合不同老化程度的s b s 改性剂和不同的基 质沥青，结合瓜试验以分析其结构的具体变化，从而得出老化机理。 研究和分析对比试样复数模量g 宰的变化及测力延度数据，以分析s b s 改性沥青老化过 程中其中的s b s 改性剂对基质沥青改性作用的变化，从而定量得出s b s 改性沥青的老化的评 价指标。通过不同老化程度的s b s 基材与一定老化程度基质沥青的组合来分析s b s 改性剂在 裸露状态下的老化与在s b s 改性沥青中的老化的对应关系。 ( 3 ) 普通再生剂的再生效果研究 验证普通再生剂对老化基质沥青的再生效果，通过普通再生对老化s b s 改性沥青的再生 6 7 东南大学硕士学位论文 第二章s b s 改性沥青老化评价方法及指标研究 s b s 改性沥青路面经一定年限的使用后，在各种因素的综合作用下导致路面出现多种病 害，严重影响行车的舒适性和安全性，需要进行再生维修。沥青胶结料老化是造成沥青混合 料性能衰减的一个重要原因，恢复老化沥青的性能是沥青路面再生技术的一个重要目标，但 我国沥青路面病害多出现在早期，具有其特殊性，分析s b s 改性沥青老化规律及评价指标对 我国s b s 改性沥青路面再生特点具有重要意义。 2 1s b s 改性沥青老化的基本规律 s b s 改性沥青是公认的综合改性性能较为优越的改性沥青之一，在目前的改性沥青中， 使用最为广泛。相关研究认为聚合物改性沥青的改性剂与沥青并没有发生明显的化学反应， 而是均匀的分散、吸附在沥青中，以物理意义的共存共融为主，因此s b s 改性剂对基质沥青 性能的改善仍然依赖于基质沥青本身的微观结构和性能。而s b s 改性沥青的抗老化性能则取 决于s b s 改性剂结构的抗老化性能和基质沥青自身的抗老化性能。所以可以认为s b s 改性沥 青的老化主要是由于s b s 改性剂的失效和基质沥青的老化造成。本文将在已有研究成果的基 础上，进行s b s 改性沥青老化规律与指标分析。 2 1 1 热氧老化规律分析 高温和氧化作用是造成沥青老化的主要原因。在沥青混合料热拌和及运输过程中，沥青 同时承受高温和氧气作用，一方面高温造成沥青中轻质组分挥发，另一方面高温还促进了沥 青的氧化，但该过程较短，产生的老化并不是十分显著。而在长期使用过程中沥青各组分的 氧化才是沥青老化的主导因素。 ( 1 ) 短期老化试验 取壳牌7 0 # a 基质沥青，并对其进行s b s 改性，各自进行旋转薄膜烘箱老化试验。为了 进行对比分析，采用两种试验方法，一种是正常的旋转薄膜烘箱试验以分析改性沥青的高温 氧化性能，另一种是将旋转薄膜烘箱温度提高至1 8 0 c ，同时用氮气取代空气，以验证改性 沥青的高温老化性能。测试高温氧化老化和单独高温老化后沥青试样的5 8 c 的高温车辙因子 g * s i n 8 和一1 8 的低温劲度s ，相应的试验结果如图2 1 所示。 b a s es b s b a s es b s ( a ) 5 8 ( 2 车辙因子g s i n 8( b ) 1 8 1 2 低温劲度s 图2 1高温氧化与高温热老化的对比试验 8 第二章s b s 改性沥首的老化评价方法及指标研究 经s b s 改性后，不论是高温抗车辙能力还是低温抗开裂性能都有较大改善，且抗老化性 能得到大幅提高。同时可以看到，基质沥青与改性沥青具有基本相同的热氧老化规律。单独 高温加热主要是造成沥青中的轻质油分挥发，因此，与高温氧化相比，单独高温老化所造成 的沥青性能的损失相对较小，高温在沥青老化过程中主要起到两个作用，一是造成轻质组分 挥发，二是在沥青氧化过程中使沥青分子的活动加剧，氧化程度加深，从而起到催化作用。 所以，从这个意义上来说，高温是催化剂，氧化才是老化的本质。 ( 2 ) 长期老化试验 为进一步对比基质沥青与s b s 改性沥青老化后的性能变化规律，对选用的7 0 # a 进行s b s 改性，然后对两种沥青进行r t f o t 短期老化和p a v 压力长期老化试验，压力老化时间分别 取5 h 、1 0 h 、1 5 h 、2 0 h 、2 5 h ，并对各老化阶段的试样进行测定，试验结果分析如下。 3 5 量3 0 2 5 芝2 0 蕾1 5 21 0 5 d a 一 世 桀 原样p 5 hp i 卟p 1 5 hp 2 0 hp 2 5 h 老化时间h 0 1 0 2 0 蠢 3 0 罗 4 02 5 0 图2 2 沥青试样 - 一a h 粘度 + s b s 粘度 = i = 守 | 卜a l lg * s i n5 丁 s b sg 木s i n6 7 聋z 一 。芦 z 卢 。 ，二7 ，r 。：卜一 y 、- j ，r _ 厂 奇 + a h 软化点 支 + s b s 软化点 、 + a h 质量损失 一声一s b s 质量损失 ， 。 原样p 5 hp i o h p l 5 hp 2 0 h p 2 5 h 老化时间h 随老化时间的变化 o 一0 一0 一0 一0 - 0 一0 一o 一o 一o - 0 一万一： 八 。7 9 - y ， _： 一譬一i 一a hs 1 卜s b ss 卜a hm * s b sm x 水 强 翊 餐 0 4 o 3 5 0 3 0 2 5 o 2 昌 o 1 5 0 1 0 0 5 0 原样rp s hp 1 0 hp l s hp 2 0 hp 2 5 h 原样p 5 hp 1 0 h p 1 5 hp 2 0 h p 2 5 h 老化时间h老化时间h 图2 3 沥青试样s h r p 指标随老化时间的变化 从上面沥青试样性能指标随老化时间变化曲线中可以看出，改性沥青性能变化趋势与基 质沥青基本相同，基本上表现为，随着老化进程的加深，沥青变得更为粘稠，硬度增大。同 时可以看出，随着老化的不断深入，改性沥青与基质沥青老化性能有趋于相同的趋势，但也 不难看出，s b s 改性后，沥青的抗老化性能得到大幅提高，经同样时间老化后，改性沥青的 性能优于基质沥青，老化前后性能改变相对较少。以低温劲度为例，根据s h r p 规范要求， 设计低温下沥青试样劲度模量小于3 0 0 m p a 时，斜率m 应大于0 3 ，基质沥青在老化5 h 后基， 本不满足上述要求，而改性沥青在老化1 5 h 后还基本能满足。 2 1 2 光老化规律分析 s b s 是一种热塑性弹性体苯乙烯一丁二烯苯乙烯嵌段共聚物，根据高分子科学的研究， s b s 主链上聚丁二烯链段上的双键和c h 2 c h 2 键很脆弱，仅有2 2 3 k j t o o l ，很容易在热氧和 9 矾h鹃晒眈蝎们 p 晕铎 一不 书o 0 o o o o o o o o 匕日5 o 5 0 5 o 5 o 5 于4 4 3 3 2 2 1 1 能眦 l = 生 肿 山墨的c_*o 癌505 0 5 0 5 0 5 0 善5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 5 0 东南大学硕士学位论文 光氧作用下发生断裂，而c = c 双键也容易断裂而降低主链上的不饱和度，因此，s b s 在光氧 化作用下性能迅速变坏，对紫外线辐射极为敏感，对s b s 改性沥青受紫外辐射后性能变化情 况进行研究显得十分必要，有助于探讨s b s 改性沥青的老化规律。 试验时取s b s 添加量为5 的改性沥青及相应基质沥青进行对比试验，相应的试验结果 如图2 - 4 所示。 1 2 0 1 0 0 量8 0 66 0 瑙4 0 妥2 0 0 弋f 一一 3 垒 + a h 针入度 + s b s 针入度 + a l 软化点 ，( s b s 软化点 丫u 6 0 5 0p 4 0 违 3 0 s 2 0 餐 l o o 1 8 时1 5 山 1 2 o 羞9 6 木 o3 o o 2 0 皇 4 0 姗| 6 0 薰 8 0 星 1 0 0 1 2 0 老化时间h 老化时间h 图2 4 紫外线对改性沥青性能的影响 试验结果表明，在紫外线的辐射下，存在s b s 改性剂失效问题，随着s b s 改性剂的老化 裂解，经过长时间的老化后，s b s 改性沥青性能最终变化趋势基本接近基质沥青。可以看出