SBS改性沥青路面可持续再生利用综述

【摘要】 废旧SBS改性沥青路面的再生利用对高质量路面的可持续发展具有重要的实际工程意义。本文系统综述了国内外对SBS改性沥青路面的再生研究现状，分析探讨了SBS改性沥青老化机理、再生机理以及再生途径。鉴于此，本文指出了SBS改性沥青的老化特点，并建议在传统老化沥青的再生基础上，结合化学反应修复作用，制备具有修复老化SBS分子结构与还原老化沥青化学组分的再生剂，以对老化SBS改性沥青及混合料进行反应再生，获得具有高质量的再生SBS改性沥青路面材料，促进老化SBS改性沥青路面的再生利用，为进一步改善沥青路面修复技术提供理论及应用基础。

【关键词】 老化SBS改性沥青；再生；化学修复；可持续发展

随着我国公路建设的不断推进，早期建设的SBS改性沥青路面受到自然环境和交通荷载的长期作用，已发生严重的老化，导致路面产生大量裂缝和坑槽等常见病害。针对这种情况，破损路面会通过铣刨等机械回收处理，被堆弃或填埋于远郊地区。这种处理方式一定程度上造成了资源的浪费和环境的污染，显然不符合环境友好型和资源节约型社会的终极目标。

在我国公路行业的发展中，沥青路面再利用问题一定是未来研究和应用实践的大热点。近二十几年来，国内外研究专家和学者已开展了大量相关再生研究，取得了沥青路面再生利用的经验。现如今，在我国交通强国的整体发展形势下，高等级公路新建、改扩建等工程的快速推进，所面临的则是旧SBS改性沥青混合料的大量产生。因此，如何高质量回收利用废旧SBS改性沥青混合料是公路行业的重要问题。

1.1 SBS改性沥青路面概述

沥青因其质地柔软、耐磨耗、噪声低、施工方便等优势，被广泛应用于城市道路和高速公路路面之中。在我国，随着交通强国的不断发展，沥青路面的铺筑里程持续大幅增加[1]。截至2019年，我国高速公路总里程已居世界首位，达到14.26万公里，其中沥青路面占90%以上。

近十几年来，随着交通事业的进一步发展，交通运输量急剧增长，车辆的大型化问题也日趋严峻，导致沥青路面早期破坏相较提前。为延长沥青路面的使用寿命，在20世纪90年代国际上就已开始研究和应用改性沥青，并将其用于路面磨耗层中。SBS是国内外目前应用最为广泛的改性剂，其是由丁二烯和苯乙烯通过聚合反应形成的三嵌段结构的热塑性共聚物。在室温条件下，SBS共聚结构中聚苯乙烯硬段（PS段）会相互聚集、缠结而形成物理交联中心，促使SBS表现出塑料的高温稳定性，而聚丁二烯软段（PB段）则相互缠绕，表现出较好的橡胶弹性。正因如此，将SBS用于沥青改性后，沥青的整体路用性能，包括主要表现在低温抗开裂性、高温稳定性、水稳定性、耐疲劳性与高温抗车辙性等方面，都能得到显著改善。

1.2　国内外SBS改性沥青路面再生状况

SBS改性沥青同普通沥青一样也会面临老化问题，其路面在长期使用后会发生荷载性破坏[2]，需要及时进行翻修、改造，同时也会导致废旧SBS改性沥青混合料的大量产生。因此，废旧SBS改性沥青混合料的回收利用对沥青路面的可持续发展具有重要意义。

在许多国家中，沥青路面再生技术已有较为成熟的应用。针对日本对废旧沥青路面材料的再生利用情况，由于其资源与能源相对匮乏的基本国情，从1976年开始，就已开展了废旧沥青材料的再生利用研究，其废料利用率一直达到70%以上。在20世纪80年代末，美国开展了有关废旧沥青混合料的再生应用研究工作，并使80%废旧沥青混合料得到了再利用。对于欧洲沥青路面协会（EAPA）的各成员国（如法国、德国、英国等），早已开展废旧沥青路面材料再生技术的研究，并将其回收利用率提升至100%。在20世纪中期，我国也曾采用废旧沥青路面材料来重新铺筑路面，但基于多重风险因素的考虑，再生沥青材料一般只用于低等级路面（如轻交通道路、人行道等）或高等级公路的垫层中。随着研究和应用的不断开展，我国经济建设的大需求促进了公路路面的大规模建设，特别是高速公路的新建。然而，对于沥青路面再生技术的研究与应用方面，始终没能进入实质性进展阶段。

近20多年来，我国公路建设持续发展，早期建设的公路路面，特别是20世纪90年代建成的高速公路已逐步进入大、中修养护期。据不确定统计，我国每年需要翻修、重建的旧沥青路面占15%以上，由此产生的废旧沥青混合料预计将超过2000万吨[3]。其中，SBS改性沥青路面因约占沥青路面总量的15%，其产生的废料也十分庞大，亟需高质量回收利用。然而，我国目前并未颁布相关标准，以科学地指导废旧SBS改性沥青路面材料的综合再生利用。

截至目前，国内外相关研究人员已开展了大量废旧基质沥青材料的再生技术研究，但SBS改性沥青再生技术研究并不成熟，特别是其老化规律及老化机理、再生技术、再生机理等方面的理解还不够深入。因此，开展废旧SBS改性沥青及其混合料的再生技术研究对其沥青路面的可持续发展具有显著的工程价值和现实意义。

SBS改性沥青路面在形成之前，沥青胶结料会经历与集料之间的拌合、储存、运输、摊铺与压实等高温实施的一系列过程。在此过程中，SBS改性沥青受到持续施工热作用，会发生早期热老化，导致其整体路用性能发生一定程度的劣化。随着路面的建成与使用，其在服役过程中遭受太阳光照、昼夜温差等因素的长期作用下，由于老化原因，坑槽、裂缝等病害将会产生，导致路面路用性能急剧下降[4]。

SBS改性沥青材料的老化主要有两个方面：一是基质沥青的老化。沥青在老化过程中，其四大化学组分发生明显的转变，主要表现为轻组分的少量挥发、芳香分的胶质化过渡转化、胶质的沥青质化最终转变，导致沥青性能劣化，即沥青延度与针入度降低、软化点增大；二是SBS的自动氧化降解。在SBS改性沥青的老化过程中，除了基质沥青的老化以外，SBS的老化主要是在氧气的作用下，其碳碳双键及邻位H受到氧分子攻击，导致SBS的分子结构发生断裂而发生性能劣化。

综上所述近年来相关沥青老化研究进展与现状，国内外研究人员已开展了大量老化SBS改性沥青的结构与性能的有关研究，基于红外光谱、原子力显微镜与凝胶渗透色谱等微观测试和针入度、软化点、延度、黏度、流变学等宏观测试，证明了SBS改性沥青的主要老化特征是SBS的自动氧化降解与沥青的氧化缩聚。

根据目前一些研究情况发现，老化SBS改性沥青的再生技术主要还是以沥青组分恢复为目的的老化基质沥青再生机理，即相容性机理与组分还原机理[5-6]。

3.1　相容性机理

该机理认为沥青是由高分子溶质在低分子溶剂中溶解形成一种高分子结构体系，其稳定与否取决于溶剂对溶质的溶解特性。在此体系中，沥青质是高分子溶质，而软沥青质（饱和分与芳香分）则是低分子溶剂。基于高分子溶液的溶解特性理论可知，只要二者之间的溶度参数相接近，其就能形成均一、稳定的沥青相态体系。

在老化前，沥青中的沥青质与软沥青质具有相近的溶度参数，表现为相对稳定的沥青高分子溶液体系。但沥青老化后，沥青质与软沥青质的溶度参数发生变化，差值越来越大，相容性越来越差，沥青的路用性能也就随之劣化。为此，要想提高老化沥青的性能，则需沥青组分重新稳定。在老化过程中，软沥青质中饱和分与芳香分的挥发与过渡转变是沥青化学结构失去稳定的重要原因，只要考虑在老化沥青中添加类软沥青质的有机物质，就能在很大程度上促使老化沥青综合性能得到提升，基本恢复至原沥青的性能水平[7]。

3.2　组分调节机理

该机理认为沥青是一种胶体分散体系，由饱和分、芳香分、胶质和沥青质等四组分构成，其稳定性取决于它们之间的配伍性与兼容性。研究表明，老化对沥青化学组分的影响规律是饱和分的相对含量变化较小，芳香分的相对含量降低，胶质的相对含量变化较小，沥青质的相对含量增大，从而导致沥青胶体分散体系结构失去稳定，表现为沥青路面低温、疲劳等路用性能明显劣化。基于此规律，选择富含芳香分的有机物质作为再生剂，补充到老化沥青中，就能促使老化沥青的化学组分得到再平衡，获得性能提升的再生沥青材料。

大量研究表明，老化对SBS的大分子结构具有明显的破坏作用，分子链结构会发生不同程度的断裂，导致SBS热塑性弹性体的优势特性基本丧失，其改性效果明显减弱，从而致使沥青路面的路用性能发生。目前相关研究进展情况表明，针对老化SBS改性沥青的再生研究，其主要还是传统地以补充软沥青质的方式进行的，尚未统筹考虑对SBS的老化降解产物进行结构修复并形成有效技术手段，以致再生效果往往不是特别理想。但是，由于传统沥青再生剂（如芳烃油、废弃食物油等）不能修复老化SBS的分子结构，只能调节老化沥青组分，故现有再生技术实质上对老化SBS改性沥青及混合料性能的综合提升是十分有限的，其再生沥青混合料也很难应用于较高等级的公路路面。因此，开发一种具有同步与有效恢复老化沥青和SBS结构和性能的SBS改性沥青的专用再生剂具有重要的科学和实践意义。

总体来看，废旧SBS改性沥青的再生技术研究已得到一定的开展，但针对老化SBS改性沥青中改性剂的再生还处于前期摸索研究阶段。目前，很多相关应用研究主要还是选择芳烃油、植物油、废机油等有机质作为普通沥青再生剂，通过热、温拌沥青混合料的方式，实现对老化SBS改性沥青混合料的再生利用。鉴于SBS改性沥青的特点，考虑如何同时恢复老化SBS和老化沥青的结构，开发制备专用修复型沥青再生剂，对老化SBS改性沥青混合料的整体高质量再生循环利用具有极其重要的工程价值和意义，环境和经济效益显著。

参考文献

[1] 康剑翘.沥青化学组成结构与宏观性质关联关系研究[D].山东：中国石油大学(华东),2015.

[2] 苏翔.沥青路面病害分析及处理策略[J].新型工业化,2020,10(9):97-99.

[3] Zhao Xinyu, Wang Shifeng, Wang Qiang, et al.Rheological and structural evolution of SBS modified asphalts under natural weathering[J]. Fuel, 2016,184(15):242-247.

[4] Li Yintao, Li Linfan, Zhang Yan, et al. Improving the aging resistance of styrene-butadiene- styrene tri-block copolymer and application in polymer-modified asphalt [J]. Journal of Applied Polymer Science, 2010, 116(2):754-761.

[5] 徐萌.再生剂在老化沥青中扩散的研究[D].中国石油大学 (华东),2010.

[6] Xu Xiong, Yu Jianying, Xue Lihui, et al. Investigation of Molecular Structure and Thermal Properties of ThermoOxidative Aged SBS in Blends and Their Relations[J].Materials,2017,10(7):768.

[7] 袁宏成.某公路就地冷再生底基层病害处治设计[J].新型 工业化,2021,11(06):92,129.

来源： 新型工业化,2021,11(12):

作者： 周君超，熊铭，李良江 （中交资产管理有限公司湖北区域管理总部，湖北　咸宁　437000）

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