欧阳君，孙大权，章 毅

(同济大学道路与交通工程教育部重点试验室，上海 201804)

基于流变性能的SBS 改性沥青老化动力性能研究

欧阳君，孙大权，章 毅

(同济大学道路与交通工程教育部重点试验室，上海 201804)

应用老化动力学模型，建立了基于复数模量的老化动力学方程。通过对SBS改性沥青和基质沥青的流变性能试验，验证了在沥青材料老化过程当中，复数模量与老化反应的反应物浓度成反比的假设。根据假设求得了基于复数模量的老化动力学常数，并采用实测数据对老化动力学方程进行检验。结果表明:SBS改性沥青具有较高的反应活化能，具有较好的抗老化性能，实测数据能够较好的与理论计算数据吻合，采用复数模量建立老化动力学方程是合理的，并且更能反映沥青在老化过程当中流变学状态的变化。

道路工程;改性沥青;老化动力学;流变性能;复数模量

沥青老化动力性能研究是了解沥青老化机理，认识其老化过程，评价和预测沥青老化性能的主要途径，其研究内容能够为提高沥青材料抗老化性能提供理论依据。沥青老化动力性能研究主要采用老化反应动力学方程，通过材料参数在已知温度和时间条件下的参数值，对特定未知温度和时间条件下的参数值进行预测。目前，国内外均已广泛开展了相关方面的研究并取得了一定的成果。但是，这些研究主要以沥青材料软化点、沥青质含量(羰基含量)为参数，建立相应的老化动力学方程［1-5］。然而，沥青作为一种路用黏弹性材料，采用流变学参数才能更好地描述其使用性能，而软化点和沥青质含量参数则不具备这一特性。因此，笔者应用基于流变学原理的复数剪切模量(G*)参数，建立沥青材料的老化动力学方程，对沥青材料老化前后的流变性能进行评价和预测。

1 化学反应动力学模型

化学反应动力学模型是用于定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式，即称为化学反应动力学方程。试验表明，在均相反应(在均一液液相或者气相中发生的化学反应)中，反应物的反应速率与反应物系组成、温度和压力相关，而反应压力又取决于反应物系组成和反应温度。因此，反应物的反应速率主要与反应物系组成和反应温度有关。

对于均相反应，化学反应动力学方程多数可写成幂函数形式，且反应速率与反应物的浓度的次方成正比［6］，如式(1):

式中:rA为反应速率;K为以浓度表示的反应速率常数，在一般情况下，符合Arrhrenius方程，如式(2);K0为指前因子;cA为反应物浓度(反应物的物质的量与参与反应的所有物质的体积的比值)，mol/m3;m为反应物组分的反应级数;Ea为反应物活化能(分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量称为活化能)，kJ/mol;R为普适气体常量，R=8.31 J/(mol·K);T 为开尔文温度，K。

大量研究认为沥青老化符合一级动力学模型的假设［7］，即沥青材料的反应速率与生成沥青质的反应物浓度的一次方成正比，在式(1)中m=1，得式(3):

结合式(3)和反应速率的定义式(式(4))，可得到一级反应动力学方程的微分形式，如式(5):

式中:nA为反应物物质的量，mol;V为反应体系的体积;t为反应时间。

对式(5)积分得到一级反应的积分式，如式(6):

式(6)中的反应速率常数KT可根据不同时刻反应物浓度的变化回归得到，再根据不同温度下KT回归得到关于温度的反应速率函数K，利用式(2)，求得材料的活化能E，继而得到完整的反应速率常数表达式。最后，结合式(6)，得到最终需要的动力学方程。

研究结果表明，沥青老化过程中，反应物浓度与软化点、黏度等宏观参数成反比［6，8］，因此，可采用软化点、黏度等参数建立老化反应动力学方程。在本文的研究中，为能够建立基于沥青复数模量G*的老化反应动力学方程，首先假设复数模量G*与生成沥青质的反应物浓度成反比，通过试验对其进行验证。若复数模量G*与反应物浓度成反比，则有c=，代入式(6)中，得到式(7)。式(7)即为以复数模量为参数的老化反应动力学方程。

将沥青材料的复数模量代入式(7)中，得到不同温度条件下的老化反应速率常数KT，最后求得老化速率常数表达式K和基于复数模量的沥青老化动力学方程的完整表达式。

2 试验

2.1材 料

沥青材料采用韩国SK沥青，其主要性能指标见表1。

表1 SK沥青主要技术指标Tab.1 SK asphalt main technical index

SBS改性沥青采用湖南生产的线型SBS 791-H。在175℃条件下与SK基质沥青经60 min互溶高速剪切制得。

2.2 方 法

沥青老化试样的制备，采用薄膜烘箱老化试验仪(82A，无锡市石油仪器设备有限公司)，按照JTJ 052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对沥青进行薄膜烘箱老化，老化时间分别为5，10，15和20 h，老化温度分别为 150，163，170和 180℃。共计获得32种老化沥青样品。

沥青动态剪切试验，采用动态流变剪切试验仪(AR1500EX，美国TA仪器有限公司)，按照AASHTO MP1a-04方法测试原样沥青与老化沥青试样的复数模量(G*)，取64℃条件下得到的G*进行分析。

3 试验结果及分析

3.1 老化温度与时间对沥青流变性能的影响

沥青复数模量随老化温度和老化时间变化趋势见图1、图2。

由图1和图2可知，沥青材料的复数模量随着老化时间的延长呈指数增长。在相同的老化时间下，温度越高基质沥青复数模量的增幅越大。虽然SBS改性沥青也表现出了上述规律，但其复数模量增幅受温度的影响要小于基质沥青。说明SBS抗老化性能要优于基质沥青。

3.2 沥青老化反应动力学方程

根据试验当中得到的不同老化时间以及不同老化温度条件下的沥青复数模量，以公式(7)为基准，回归得到不同温度下ln( G*/)与时间t的关系曲线，见图3、图4。回归曲线的斜率即为对应温度条件下的反应速率常数K。

图3 基质沥青的ln(G*/G*0)与老化时间的关系Fig.3 Relation between ln(G*/G*0)and ageing time of base asphalt

由于老化反应速率常数是老化温度的函数，根据公式(2)，对-lnK和试验温度的倒数1/T进行线性回归，见图5。回归得到直线斜率即为E/R(E为反应活化能，R为普朗克常数)，将直线外推至1/T=0，直线与Y轴的截距即为lnK0(K0为指前因子)。得到沥青老化动力学常数E和K0见表2。

表2 两种沥青老化动力学参数Tab.2 Ageing kinetics parameter of the two kinds of asphalt

一般而言，活化能E越高的材料，化学反应速率越慢。由表2可知，SBS改性沥青相对于基质沥青具有较高的活化能，表明SBS改性沥青化学反应速率要小于基质沥青。因此也从另外一个方面证实了SBS改性剂增强了基质沥青的抗老化性能。

为了得到具有普遍意义上的动力学方程，将式(2)代入老化动力学方程(式(7))当中，得到式(8)。

将表2中的老化动力学常数代入式(8)，得到基质沥青和SBS改性沥青的老化动力学方程分别如式(9)、式(10)。

式(9)和式(10)中:符号意义同式(7)。

利用试验得到的老化动力学方程，分别对170℃温度条件下，基质沥青和SBS改性沥青经历不同老化时间之后，复数模量的变化值进行预测。将理论计算值与实测值进行比较，结果见表3。

表3 沥青老化动力模型拟合值Tab.3 Asphalt ageing kinetics fitting value

由表3可知，理论值与实测值之间的误差较小，表明理论值能够较好的与实测数据吻合，说明反应物浓度与复数模量G*成反比的假设是合理的。沥青材料的复数模量能够满足热化学反应一级动力学方程，可以建立基于沥青材料复数模量参数的老化动力学模型。

4 结论

1)随着老化时间的增长，沥青材料的复数模量呈现指数增长;SBS改性沥青增长幅度要小于基质沥青。

2)SBS改性沥青要比基质沥青具有更高的反应活化能，它的老化反应速率要低于基质沥青，表明SBS具有更好的抗老化性能。

3)反应物浓度与复数模量G*成反比的假设是合理的，可以建立基于沥青材料复数模量参数的热老化动力学模型。突破了以往只能以软化点和沥青质含量为参数建立动力学方程的限制。

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Investigation of Aging Kinetics of SBS Modified Asphalt Based on Rheological Properties

OUYANG Jun，SUN Da-quan，ZHANG Yi
(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China)

Through the application of ageing kinetics model，ageing kinetics equation has been established on the basis of complex modulus.Rheological properties test have been carried out on SBS modified asphalt and base asphalt.The results demonstrate that when asphalt material in ageing process，the hypothesis that complex modulus is inversely proportional to the concentration of reactant assumptions of ageing reaction is established，on the basis of which，ageing kinetics constant has been obtained.Ageing kinetics equation has been validated by using measured data，it shows that，SBS modified asphalt owns higher reaction activation energy，a good anti-ageing property as well，that the measured data can keep accordance with calculated data，which demonstrates ageing kinetics equation is established reasonably on the basis of complex modulus.The equation can well describe rheological state changes of asphalt in ageing process.

road engineering;modified asphalt;ageing Kinetics;rheological properties;complex modulus

U414

A

1674-0696(2011)03-0411-04

2011-02-25;

2011-03-27

欧阳君(1985-)，男，江西吉安人，硕士研究生，主要从事路面材料方面的研究。E-mail:joylovecl@163.com。