工程科技SBS改性沥青老化及再生技术

工程科技SBS改性沥青老化及再生技术第1页/共50页

主要内容1.背景2.普通沥青的老化特性3.SBS改性沥青的老化特性4.再生剂的研发5.结论第2页/共50页1.背景截止2009年底，我国公路里程：

全长约38,608,000km高速公路65,100km一级公路59,500km第3页/共50页1.背景第4页/共50页稳定基层稳定底基层面层

路基

StructureⅠ路面类型1.背景沥青稳定基层

稳定底基层面层路基级配碎石StructureⅢ稳定底基层面层路基StructureⅡ沥青稳定基层

沥青稳定基层

底基层面层路基StructureⅣ级配碎石沥青层厚度=16-20cm沥青层厚度=20-22cm沥青层厚度=28-30cm沥青层厚度=28-30cm第5页/共50页1.背景上面层中面层下面层沥青稳定基层

SMA、OGFC密级配沥青混合料Superpave35mm-45mm最大公称粒径为13.2mm密级配沥青混合料或Superpave60mm-80mm最大公称粒径为19mm或26.5mm密级配沥青混合料或Superpave70mm-80mm最大公称粒径为19mm或26.5mm沥青稳定基层或沥青稳定排水基层100mm-120mm最大公称粒径为26.5mm或31.5mm路面结构常用沥青混合料类型包括SMA，OGFC，密级配沥青混合料，沥青稳定基层和沥青稳定排水基层。第6页/共50页1.背景上面层中面层下面层沥青稳定基层

大部分使用改性沥青部分使用改性沥青基质沥青基质沥青SBS改性沥青在上面层的使用率约为80%，而中面层的使用率也占了30%左右，由此可见，SBS改性沥青路面得到了普遍应用。第7页/共50页1.背景部分改性沥青路面出现破坏，沥青路面再生是大势所趋。网裂车辙第8页/共50页1.背景我国公路的特点：我国路面结构大部分属于半刚性基层；道路超载、重载严重，路面结构出现结构性损坏。半刚性基层和沥青面层均有重复利用的价值；当沥青路面使用能能降低到一定程度时必须进行旧路改造，再生利用是其中的一种有效途径。第9页/共50页1.背景沥青路面设计与使用－使用年限－2006年规范我国沥青路面的破坏特征与设计实践表明：沥青路面的结构性养护改造必须引起大家的重视，而结构性养护改造过程中材料再生利用和合理的结构组合十分重要。第10页/共50页1.背景沥青路面再生技术适用于处理半刚性基层沥青路面的早期破坏。常见沥青路面再生技术:就地热再生技术厂拌热再生技术就地冷再生技术厂拌冷再生技术沥青路面再生是其老化的“逆过程”，沥青的老化特性是其再生技术的基础，因此有必要对沥青老化特性进行深入探讨。第11页/共50页1.背景再生利用的必然性和必要性：按照沥青的设计寿命（10~15年），我国在上世纪90年代陆续建成的公路已进入大修、中修期；从现在起，每年有12%的沥青路面需要翻修，旧沥青废弃量将达到每年220万吨之巨；如能加以利用，每年可节省材料费3.5亿元人民币，而这个数字将以每年15%的速度增长。10年以后，沥青路面的大修、中修产生的旧沥青混合料将达到1000万吨，届时通过再生利用每年可节约材料费15亿元。第12页/共50页薄层再生处理厚层再生处理表面病害结构整体病害1.背景第13页/共50页1.背景两种热再生设备第14页/共50页1.背景沥青路面再生利用规范进展1966年，前苏联出版《沥青混凝土废料再生利用技术》；1981年，美国出版《路面废料再生指南》1981年，德国出版《热拌再生沥青混凝土施工规范》1983年，英国出版《热拌沥青混凝土基本规范》1984年，日本出版《路面废料再生利用技术指南》1997年，澳大利亚出版《沥青混凝土路面再生指南》第15页/共50页1.背景2007年，中国制定《沥青路面再生应用技术规范》；2007年12月，东南大学负责编写了《就地热再生技术指南》。第16页/共50页2.普通沥青的老化特性老化因素：温度、氧气、紫外线、水分、空气流速老化时间：TFOT短期老化、PAV长期老化（5~20h）、紫外线加速老化（720~2880h）老化指标：常规指标、SHRP指标、组分分析第17页/共50页2.普通沥青的老化特性普通沥青老化的常规表现为变硬、变脆第18页/共50页2.普通沥青的老化特性水和空气流速具有明显的加速老化作用第19页/共50页2.普通沥青的老化特性紫外线是引起沥青老化的重要原因第20页/共50页2.普通沥青的老化特性紫外线是引起沥青老化的重要原因第21页/共50页2.普通沥青的老化特性造成沥青老化的根本原因是其组分的变化沥青的老化过程即是轻质组分的减少和沥青质的增加过程。第22页/共50页3.SBS改性沥青老化特性SBS改性沥青和普通沥青的宏观试验比较SBS改性沥青的老化规律与基质沥青基本相同，即主要表现为沥青胶结料的粘度增加和变形能力的下降。

现有的沥青胶结料常规指标侧重于评价沥青材料的宏观路用性能，因此难以细致区分改性沥青中的沥青相和SBS两种材料的各自老化特性。

引入微观方法分析SBS改性沥青的老化特性第23页/共50页3.SBS改性沥青老化特性主要采用的微观分析方法介绍傅里叶红外光谱分析：鉴定沥青的原子化合物及聚合物中特征官能团，判别老化前后沥青中特征官能团的变化情况；测定聚合物改性沥青中聚合物含量。凝胶渗透色谱分析：得到改性沥青分子量的连续分布，从老化前后分子量变化情况，进行SBS改性沥青老化的定量评价。第24页/共50页3.SBS改性沥青老化特性傅里叶红外光谱仪第25页/共50页3.SBS改性沥青老化特性凝胶渗透色谱仪第26页/共50页3.SBS改性沥青老化特性SBS改性剂的介绍SBS改性剂全称聚苯乙烯（S）-丁二烯（B）嵌段共聚物，化学式为：苯乙烯丁二烯苯乙烯丁二烯中C=C键不稳定，在老化过程中，易发生断裂。SBS改性剂中S段主要改善沥青基体的高温稳定，B段主要改善沥青的低温抗裂性能。SBS改性沥青的老化不仅包括沥青基体的老化，还包括SBS改性剂的老化。第27页/共50页改性沥青不仅包括了基质沥青的所有特征峰，而且还在指纹区966cm-1、723cm-1处存在特征峰。2920cm-1处谱峰对应C-H键的伸缩振动，C-H键的变形振动发生在1460cm-1处，1600cm-1处谱峰对应苯环上C=C键和C-H键的骨架振动，非苯环的C=C键所对应的谱峰出现在966cm-1处。推断966cm-1处谱峰为丁二烯中C=C键所对应的特征峰，700cm-1处为苯乙烯所对应的特征峰。SBS改性沥青的红外光谱分析29201600146013809667234000350030002500200015001000500020406080100TransmitanceWavenumber改性沥青基质沥青400035003000250020001500100050002040608010012029201450966700TransmitanceWavenumber原样SBS第28页/共50页3.SBS改性沥青老化特性沥青在老化过程中主要发生了吸氧反应，1650-1700cm-1处产生的C=O键为沥青组分中不饱和碳链吸氧所致，1030cm-1处对应的亚砜基为沥青中的硫元素吸氧产生。根据LambertBeer定律可知，官能团的吸收峰大小可以表征该基团的含量，因此也能借此对SBS改性沥青的老化程度进行定量分析。SBS改性沥青老化的红外光谱分析16501700103096672340003000200010000020406080100TransmitanceWavenumber原样短期老化长期老化第29页/共50页3.SBS改性沥青老化特性将上述各沥青样的透射谱转化为吸收谱，并通过积分计算羰基、亚砜基、丁二烯中C=C键以及饱和C-H键的吸收峰面积，同时引入羰基指数(CI)、亚砜指数(SI)、B链指数(BI):BI指数减少，说明SBS中丁二烯的C=C键含量不断减小，即丁二烯段含量逐渐减小，改性剂对沥青低温性能的改性效果显著下降。老化类别CISIBI原样0.0000.0110.281短期老化0.1490.0410.192长期老化0.6470.0460.064随着老化程度的增加，CI、SI上升，而BI指数却在减少。羰基的产生伴随着整个老化过程，沥青中的不饱和碳原子在氧气的作用下发生吸氧反应，产生C=O键；而亚砜的产生则集中于短期老化阶段，这说明硫原子比碳原子具有更强的夺氧能力第30页/共50页3.SBS改性沥青老化特性SBS改性沥青的凝胶渗透色谱分析改性沥青的GPC图谱明显存在双峰。根据凝胶渗透色谱的原理，最先淋出的应为SBS高分子物质，后淋出的为沥青中的小分子物质。可以从图谱中区分出SBS相和沥青相

SBS相沥青相第31页/共50页样品名称d原样SBS改性沥青833.31484217.81短期老化SBS改性沥青943.41274613.51长期老化SBS改性沥青980.41107311.29数均分子量往往反映小分子物质的变化趋势。重均分子量则反映大分子的变化情况。16182022242628303234-0.000020.000000.000020.000040.000060.000080.000100.000120.000140.00016分子浓度体积（ml）原样短期老化长期老化MwMnSBS改性沥青老化的凝胶渗透色谱分析数均分子量在不断增加即小分子物质在不断向大分子靠拢，而重均分子量在不断减小，说明高分子物质的分子量有变小的趋势。这也证明了SBS改性沥青老化过程中部分轻质油分等小分子不断挥发，沥青质增加，SBS高分子则发生降解，生成小分子物质。分散度第32页/共50页16182022242628303234-0.000020.000000.000020.000040.000060.000080.000100.000120.000140.00016R.I.U.V(ml)原样短期老化长期老化3.SBS改性沥青老化特性1.5911007369147SBS长期老化1.29153462118941SBS短期老化1.17186120159312SBS原样dMwMn样品名称SBS改性沥青老化过程中SBS改性剂的分子量减小趋势明显，即SBS高分子在老化过程中发生了明显的降解，从分散度角度分析，SBS高分子在改性沥青老化过程中分散度在变大，即SBS高分子不仅发生了降解，也有部分了交联反应。取16~22ml段为SBS相分子量分布，单独计算161718192021220.0000000.0000020.0000040.0000060.0000080.0000100.0000120.000014原样短期老化长期老化R.I.U.V(ml)第33页/共50页3.SBS改性沥青老化特性SBS本身的抗老化性能远低于沥青本身SBS老化时间(h)质量增加（%）10.7720.9531.3851.65101.83《公路沥青路面施工技术规范》中对基质沥青在老化过程中允许的质量变化的上限为0.8%

第34页/共50页3.SBS改性沥青老化特性

SBS的隔氧老化表明，隔氧老化1h的SBS分子中丁二烯中C=C键的含量约为原样的97.3%，表明引起老化的主要因素是氧气。SBS隔氧老化1hSBS改性剂的隔氧老化SBS改性剂隔氧老化1hSBS隔氧老化1h的红外光谱第35页/共50页3.SBS改性沥青老化特性红外光谱微观分析红外光谱分析（面积）AC=CAC=O原样自制SBS(8%)0.1760.5611基质沥青5h+原样SBS(8%)0.1790.5591原样自制SBS(8%)老化5h0.1670.6411基质沥青老化5h+SBS老化5h(8%)0.0740.7524SBS改性剂与沥青基体相互作用特性沥青基体对SBS的保护作用第36页/共50页试样编号总面积(N·CM)延度(cm)最大拉力(N)70#A基质沥青原样868317.21原样自制SBS(8%)441310038.12基质沥青老化5h+原样SBS(8%)452272.275.22原样自制SBS(8%)老化5h244975.848.23基质沥青老化5h+SBS老化5h(8%)2778.252.09测力延度试验分析表征断裂能第37页/共50页4.再生剂的研发再生剂研发的初始思想

将老化沥青和原沥青的组分进行比较后，向老化沥青中加入所缺少的那部分组分，使组分重新协调，从而恢复其原有性能。然而，沥青化学结构的复杂性使得企图以化学组分为指标来控制老化沥青再生是不现实的。提出以沥青路用性能恢复为控制指标的再生剂研发第38页/共50页4.再生剂的研发再生剂应满足的要求再生剂应具有的组成满足再生剂的技术要求恢复老化沥青性能提高再生路面性能满足施工要求改性组分抗剥落组分渗透组分再生组分目的原则研发思路第39页/共50页4.再生剂的研发再生剂的研发再生组分的优选渗透组分的优选改性组分的优选抗剥落组分的优选选取多种不同再生组分，通过对不同老化程度的改性沥青再生效果进行优选。控制渗透组分闪点，选择渗透性强的渗透组分。提高再生路面的抗低温开裂和抗高温车辙的性能。提高再生路面的抗水损害性能，抗剥落剂种类为AS-P，掺量约占老化沥青的0.4%。第40页/共50页4.再生剂的研发搅拌并冷却40-60

℃再生组分改性组分抗剥落组分组分渗透组分预热80-120℃150-180

℃高速剪切30-60min剪切均匀后，逐渐冷却至80-100℃搅拌并冷却至室温产品工艺流程第41页/共50页4.再生剂的研发检验项目1＃2#3#60℃粘度(cSt)512.142039.361598.10闪点(℃)227242244薄膜烘箱试验前后粘度比1.161.051.20薄膜烘箱试验前后质量变化(%)-0.22-0.13-0.15密度0.970.990.99改性再生剂的基本性能第42页/共50页4.再生剂的研发试样编号总面积（N·cm)延度(cm)第三阶段对应延度(cm)第三阶段延度所占比例(%)SBS改性沥青老化15h+8%专用1#再生剂781.1111.94.437.0SBS改性沥青老化15h+8%专用2#再生剂946.0113.97.856.1SBS改性沥青老化15h+8%专用3#再生剂1104.6815.410.165.6SBS改性沥青老化15h+8%普通再生剂C560.4510.62.624.5SBS改性沥青老化15h+8%普通再生剂B554.008.300第43页/共50页4.再生剂的研发沥青种类S(Mpa)mSBS改性沥青老化15h115.70.201C#再生剂再生沥青71.40.3171#再生剂再生沥青50.30.3623#再生剂再生沥青39.30.401再生沥青低温劈裂性能第44页/共50页4.再生剂的研发再生沥青再度老化后的5℃延度再生沥青再度老化总面积(N·CM)延度(cm)第三阶段对应延度（cm）最大拉力(N)C＃403.396.10.0100.771#673.488.93.0128.123#833.2410.45.1154.37第45页/共50页DSR(52℃）δG*（kpa）G*/sin(δ)SBS改性沥青原样63.829.87333.294老化SBS改性沥青5971.62783.562老化SBS沥青+C号再生剂扩散1小时60.130.61635.317老化SBS沥青15h+C号再生剂扩散4小时63.420.17822.567老化SBS沥青+C号再生剂搅匀62.928.69232.230DSR(52℃）δG*（kpa）G*/sin(δ)S