环烷油再生SBS改性沥青性能及机理研究

环烷油再生SBS改性沥青性能及机理研究

李贺

重庆交通大学 材料科学与工程学院 重庆 400074

摘 要：研究了环烷油作为沥青再生剂对老化SBS改性沥青的再生效果，结果表明环烷油对老化SBS改性沥青的针入度、低温延度有较好的恢复效果，恢复程度随着掺量的增加而提高。采用FTIR对再生SBS改性沥青的官能团分析表明，环烷油的再生机理仅为物理增塑作用，并没有化学反应发生。

关 键 词：环烷油；再生SBS沥青；傅立叶红外光谱分析（FTIR）；多重应力蠕变恢复试验（MSCR）

近年来发现芳烃油作为再生剂，在沥青拌和施工过程中会产生严重污染，随着人们对环保与健康要求的日益严苛，以传统芳烃油为基础油的再生剂将会受到限制甚至遭到淘汰[1]。故研究者们开始考虑生物油或者其它不含芳烃的轻质油分作为再生剂。环烷基橡胶油（简称“环烷油”）是一种由饱和烃、无害芳烃以及沥青质组成的混合物，能够增加橡胶的抗老化性能，也能改善SBS等聚合物的性能。目前已有研究表明[2,3]环烷油对SBS改性沥青的低温抗裂性、抗车辙能力、短期抗老化能力有所改善。

因此本文采用三大指标试验对环烷油再生SBS改性沥青的宏观性能进行分析，并通过傅立叶红外光谱试验（FITR）对环烷油的再生机理进行分析，进一步探讨环烷油对老化SBS改性沥青的再生效果，为沥青再生剂的相关研究提供一定参考内容。

1 试验材料和方法

1.1 沥青

1.1.1 SBS改性沥青

本文选用重庆某公司生产的SBS改性沥青，其针入度为5.51mm，5℃延度为25.5cm，软化点为83.3℃，可以确定该SBS改性沥青等级为I-D。采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[4]沥青薄膜加热试验进行老化，将试验条件改进为加热温度180℃，老化时间5h。

沥青老化后针入度为3.91mm，5℃延度为10.7cm，软化点为77.5℃。可以发现针入度、延度下降较为严重，这是因为沥青中大量轻质组分挥发，沥青变硬变稠；软化点也有所下降，SBS改性沥青的老化受改性剂和基质沥青两部分老化的影响，老化前期改性剂降解对软化点降低的作用大于基质沥青老化对软化点升高的作用，因此软化点呈现下降的趋势[5]。

1.1.2 SBS改性沥青再生

将老化沥青在180℃油浴锅中预热5min，添加不同掺量的环烷油作为再生剂，采用电动搅拌机在速度为200r/min的条件下，搅拌混合15min，再在油浴锅中保温发育10min制得再生SBS改性沥青。

1.2 环烷油

本文选用环烷油（KN-4010）为广东某化工公司所生产，产品名称为KN-4010环烷基橡胶油，40℃运动粘度为172.2 mm2/s，密度为0.880g/cm3，闪点为211℃，饱和烃含量为97.59%，芳烃含量为2.31%。可以发现环烷油主要由饱和烃构成，芳烃含量极低。

1.3 试验方法

采用傅立叶红外光谱仪对老化前后SBS改性沥青、环烷油再生SBS改性沥青进行测试分析，通过特征官能团的种类以及变化情况分析其再生机理。

2 试验结果与分析

2.1 三大指标

2.1.1 针入度

沥青针入度反映了在一定条件下沥青软硬程度和稠度、抵抗剪切破坏的能力。分别采用3%、4%、5%、6%、7%五种环烷油掺量对老化SBS改性沥青进行再生。

试验结果发现在掺量为3%、4%时沥青针入度为5.04mm、5.25mm，低于原样SBS改性沥青的针入度；而在5%掺量时达到了5.58mm，与原有水平相一致；此后掺量为6%、7%时则达到了6.03mm和6.56mm。说明环烷油可将老化SBS改性沥青的针入度恢复至原有水平，并且随着环烷油掺量的增加而提高，且提高程度越来越大。以恢复至SBS改性沥青针入度原有水平为最佳掺量，可以确定环烷油作为再生剂的最佳掺量为5%。

2.1.2 延度

沥青延度是指在外力作用下沥青所能承受的塑性变形能力，延度越大，表明沥青塑性越好，在5℃的试验环境下，低温延度可以在一定程度上评价沥青的低温抗裂性能。

采用环烷油5%最佳掺量对老化SBS改性沥青进行再生，结果表明环烷油对老化SBS改性沥青的低温延度有较好的恢复效果，延度从10.8cm增长到了23.2cm，但再生SBS改性沥青的延度略低于原有水平，不过还是在规范要求之内。

2.1.3 软化点

沥青软化点则主要反映了其高温稳定性及感温性。在环烷油掺量为5%时，再生SBS改性沥青的软化点相比之前有所下降，由77.5℃下降到69.3℃，说明环烷油的加入对SBS改性沥青的高温性能有不利影响，但仅凭软化点来评价再生沥青的高温性能较为片面，需要深入研究。

2.2 FTIR图谱分析

原样、老化和再生SBS改性沥青的红外光谱图如下。

原样、老化、再生SBS改性沥青FTIR图

由上图可得，在2920cm-1和2850cm-1附近出现的红外吸收峰是由甲基和亚甲基的反对称和对称伸缩振动引起的，在1455cm-1和1373 cm

-1附近的红外吸收峰则是由甲基和亚甲基的反对称和对称变形振动引起的，是沥青及大部分有机材料含有的吸收峰。1025cm-1处为沥青亚砜基，由硫化物氧化形成，可以作为沥青老化过程中氧化程度的指标；1700cm-1附近的吸收峰为沥青老化后羰基的形成标志，也可作为评价老化的特征峰，在图谱中显示不明显；966cm-1和757cm-1处由SBS改性剂中丁二烯嵌段化合物的弯曲振动所引起[6]。通过对各个特征峰的分析可得，环烷油再生SBS改性沥青并没有出现新的吸收峰，也没有吸收峰消失，可以初步判断其再生机理只是物理增塑作用，是否发生化学反应有待进一步研究。

3 结论

1、环烷油对老化SBS改性沥青具有一定的再生效果，能够较好地恢复沥青针入度、延度指标，但同时降低了沥青软化点。

2、环烷油作为沥青再生剂的再生机理为物理增塑作用，仅是补充了老化SBS改性沥青缺少的轻质组分，并没有发生化学反应。

参考文献

[1]唐伯明,曹芯芯,朱洪洲,曹雪娟.生物油再生沥青胶结料路用性能分析[J].中国公路学报,2019,32(04):207-214.

[2]王子枫,董元帅,侯芸.环烷油添加剂在SBS改性沥青中应用研究[J].公路,2020,65(07):267-270.

[3]王枫成,朱建平,孙培等.环烷油对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性沥青低温性能的影响[J].弹性体,2022,32(01):27-32.

[4]JTG E20-2011,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[5]彭剑,孙宁,凌俊,周志刚.SBS改性沥青老化特性及模拟老化试验方法研究[J].公路工程,2019,44(01):63-69+119.

[6]杨兴. SBS改性沥青紫外老化研究[D].武汉工程大学,2014.