基于复数模量的干法改性沥青老化动力学研究

董元帅, 唐国奇, 侯 芸, 王 涵, 田佳磊, 魏艳萍

[1.中咨公路养护检测技术有限公司， 北京 100089； 2.中国公路工程咨询集团有限公司， 北京 100089；3.公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心， 北京 100089；4.国路高科(北京)工程技术研究院有限公司， 北京 100083]

0 引言

干法SBS改性技术是指将干法SBS改性剂、基质沥青一同加入拌和楼中，在拌和过程中对基质沥青进行改性的技术，该方法避免了湿法改性工艺存在的SBS改性剂离析、降解导致的性能变异，可以显著提高沥青混合料路用性能。但目前对干法SBS改性技术抗老化性方面的研究仍然较少。

沥青老化可理解为沥青中的活性基团与空气中的氧在一定温度条件下进行的化学反应，通过老化动力学性能研究可以了解沥青老化的机理和过程，评价和预测沥青的抗老化能力，为抗老化性能的改善提供理论支撑。

目前，沥青老化动力学研究主要有软化点法、沥青质含量法、复数模量法等[1-4]，均以假设宏观参数与反应物浓度呈正比为基础。其中，沥青质含量法以沥青四组分中沥青质的组分变化表征其反应程度，虽然结果较为直观，但测量过程复杂，重复性较差，应用较少。软化点法以软化点的升高幅度来表征反应的深度，是目前最常见的老化动力学研究方法。但相关研究表明，不同于基质沥青，SBS改性沥青在老化过程中，随着SBS改性剂的降解，软化点可能会出现先降低后升高的现象，因此，软化点法不适用于改性沥青的老化动力学研究[5-6]。复数模量法是通过动态剪切流变仪(DSR)测试沥青经过不同老化时间的复数模量，并进行数据拟合得到老化动力学方程，以此来评价沥青的抗老化性。该方法能够反映沥青的高温特性，比较适合用于SBS改性沥青的抗老化评价。

为了深入考察干法改性技术对沥青抗老化性的影响，本文通过复数模量法对基质沥青、干法SBS改性沥青的老化动力学进行了研究。

1 原材料和试验方案

1.1 试验原料

选用某进口品牌70#基质沥青，性能指标如表1所示。选用SBS-T为干法SBS改性剂，参考中国公路学会标准《公路干法SBS改性沥青路面技术指南》(T/CHTS 20003)附录C的要求，以基质沥青和6.5%掺量的SBS-T为原料通过剪切法制备得到干法改性沥青，其性能指标如表2所示。

表1 70#基质沥青主要性能指标软化点 /℃针入度 (25 ℃) /0.1 mm延度(15 ℃) /cm47.269>150

表2 干法SBS改性沥青性能指标新鲜沥青RTFOTPAV车辙因子(76 ℃) /kPa旋转黏度/(Pa·s)车辙因子(76 ℃) /kPa质量损失 /%车辙因子(28 ℃) /kPaS (-18 ℃)/MPam (-18 ℃)1.651.812.64-0.013542270.347

1.2 试验方法

将2种试样分别在不同温度(150、160、170 ℃)下进行不同时间(5、10、15、20 h)TFOT短期老化试验，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)T0628的要求测试新鲜样品及老化残余物的复数模量。

复数模量(G*)使用动态剪切流变仪，按照AASHTO MP1a-04方法测试得到，测试温度为64℃。以复数模量为参数的老化反应动力学方程见式(1)。

(1)

2 结果与分析

2.1 老化温度及时间对复数模量的影响

70#沥青、干法 SBS改性沥青复数模量随老化时间的变化趋势如图1所示。由图可以看出，2种沥青的复数模量均随着老化时间增加而呈现指数增

(a) 70#沥青(b) 干法SBS改性沥青

长趋势，在同一老化时间下，老化温度越高，复数模量增幅越大。

2.2 老化动力学方程

(a) 70#沥青

(b) 干法SBS改性沥青

表3 2种沥青样品的老化速率常数温度/℃70# 沥青干法SBS改性沥青Kln KR2Kln KR21500.107 2-2.232 60.997 80.061 6-2.787 40.998 71600.164 4-1.805 30.998 90.095 1-2.352 50.9921700.247 3-1.397 30.999 10.144 1-1.937 20.993

其中，老化反应速率常数K符合阿伦尼乌斯方程：

(2)

式中：K0为指前因子；Ea为反应物活化能，kJ /mol；R为普适气体常量；T为开尔文温度。

根据式(2)对-lnK和1/T进行线性回归，如图3所示。

(a) 70#沥青

(b) 干法BS改性沥青

图3所得直线具有良好的相关性，通过线性回归得到直线的斜率即为相应的E/R，与Y轴的截距即为lnK0，结果如表4所示。

表4 两种沥青样品的老化反应动力学参数沥青种类Ea/ (kJ·mol-1)A/hln G*070#沥青65 11511 712 6657.812 0干法改性沥青66 2709 341 0658.389 4

将式(2)代入老化动力学方程式(1)中，得到式(3)。

(3)

代入表4的动力学参数即可得到70#沥青(式4)、干法改性沥青(式5)老化动力学方程。

(4)

(5)

由上可知，根据一级老化动力学公式可以得到较好的相关系数，说明干法SBS改性沥青的老化反应与基质沥青相同，仍为一级反应，采用复数模量的变化可以较好地表征其动力学过程。

通过对比还可以发现，干法改性沥青的老化反应活化能要大于70#重交沥青，根据反应动力学理论，反应的活化能越大则反应速率越慢；因为沥青经过改性后，老化反应深度较改性前有所降低，说明沥青的抗老化能力得到改善。这可能是受多方面原因所影响，一方面，所加入的SBS改性剂与基质沥青中的轻质油分相互吸收渗透并形成稳定的网状结构，这种网状结构在提高路用性能的同时，还在一定程度上减少了沥青中轻质油分的挥发以及活性自由基的数量；另一方面改性剂的加入改变了基质沥青的组分组成，打破了原沥青的化学平衡，在受热时延缓了反应向正反应进行的速率，提高了体系组分组成的稳定性[8-9]。

3 结论

1)与基质沥青相比，干法SBS改性沥青具有更高的反应活化能，它的老化反应速率更低，抗老化能力得到改善。

2)研究结果显示lnK与1/T曲线具有良好的

线性关系，验证了采取复数模量参数为基础的老化动力学研究的可行性。