SBS改性瀝青熱老化過程的流變性能研究

磨巧梅 孫宗丹 楊洋

摘要：為研究SBS改性瀝青短期老化和長期老化過程中的流變性能，文章采用動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)，研究了老化過程中瀝青流變參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青在老化過程中復(fù)數(shù)模量增加，相位角減小，損失模量與車轍因子增加，說明在老化作用下瀝青彈性成分升高，瀝青變硬變脆，疲勞性能降低，但增強(qiáng)了瀝青高溫抗變形能力;SBS改性瀝青相對于基質(zhì)瀝青改變幅度要小，表明SBS改性劑可以抑制瀝青老化進(jìn)程，對瀝青的低溫抗裂性和高溫抵抗車轍能力起到積極作用。

關(guān)鍵詞：改性瀝青;老化;相位角;損失模量;車轍因子

0 引言

道路瀝青作為最主要的路面材料，其中SBS改性瀝青在路面層使用的比例高達(dá)35%，因此針對SBS改性瀝青的研究是非常必要的。瀝青在其長期的服役過程中，受到溫度、氧氣、紫外線、水分子及人為等因素的影響會(huì)導(dǎo)致其性能衰退，大大縮短其使用壽命[1-3]。因此研究瀝青在老化過程中的流變性能，對掌握路面老化機(jī)理，預(yù)測路面的壽命周期，掌握路面變形規(guī)律具有重要意義。

通過旋轉(zhuǎn)薄膜試驗(yàn)（RTFOT）能夠模擬瀝青短期老化過程，通過壓力老化試驗(yàn)（PAV）能夠模擬長期老化過程，目前已有一定研究，但針對SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青在流變參數(shù)、疲勞特性、抗變形能力上的對比研究涉及很少[4-5]?；诖耍疚牟扇囟葤呙柙囼?yàn)對比了SBS改性瀝青流變性能隨老化作用時(shí)間變化的規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)為研究SBS改性劑對老化過程中瀝青流變性能的影響，特選用國產(chǎn)70號道路基質(zhì)瀝青做對比試驗(yàn)。兩種瀝青性能指標(biāo)按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（T0604-2011）規(guī)定操作，如下頁表1、表2所示。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》采取旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)（RTFOT）模擬瀝青短期老化過程，按照《Superpave瀝青膠結(jié)料規(guī)范》采用壓力老化試驗(yàn)（PAV）模擬瀝青長期老化過程。

采用MCR101型動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）對短期、長期老化基質(zhì)瀝青和改性瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)的溫度掃描試驗(yàn)：作用頻率為10 rad/s，溫度掃描范圍為30 ℃～80 ℃。DSR試驗(yàn)可以在較大溫度范圍和較大應(yīng)力范圍內(nèi)進(jìn)行，瀝青混合料路面疲勞性能和車轍均表現(xiàn)出典型的大應(yīng)力變形特性，因此DSR試驗(yàn)可以真實(shí)地模擬路面環(huán)境下瀝青混合料的路用性能。

通過DSR動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)得到基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青在一定溫度、頻率范圍的流變參數(shù)——相位角δ、損失模量G*sinδ及車轍因子G*/sinδ。其中相位角δ表征瀝青黏性成分所占比例，瀝青黏性成分越高則δ值越高;G*sinδ表征瀝青的疲勞性能，G*sinδ越高，說明瀝青抗疲勞性能越強(qiáng);G*/sinδ表征瀝青在高溫下的抗變形能力，G*/sinδ越大，瀝青高溫抗車轍能力越強(qiáng)。

2 數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

2.1 相位角分析

基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室模擬短期老化、長期老化過程后，采取DSR所測得的溫度對其相位角（δ）影響如圖1和圖2所示。

如圖1所示，在短期和長期老化過程中，基質(zhì)瀝青相位角有較大的溫度敏感性：相位角δ隨著溫度升高而增加，但老化程度不同增大幅度不同。從短期老化到長期老化，老化時(shí)間延長相位角增長幅度隨之增加，表明溫度和老化均改變了基質(zhì)和改性瀝青的流變性能。這是因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)中，隨著溫度從30 ℃提高到80 ℃，瀝青變軟，黏性成分增強(qiáng)，彈性成分減少，致使瀝青的相位角隨著溫度升高而增加。在70 ℃～80 ℃溫度范圍內(nèi)，可以觀察到未老化的基質(zhì)瀝青的相位角值最大接近90°，這表明此時(shí)瀝青幾乎處于流體狀態(tài)。而在經(jīng)過短期和長期老化后，在相同溫度范圍內(nèi)相位角較小。

此外在相同溫度下，隨著老化時(shí)間延長，瀝青相位角總體減小，這是因?yàn)槔匣瘯?huì)使瀝青變硬，但在高溫時(shí)，原樣瀝青、短期老化瀝青和長期老化瀝青相位角值趨于一致，表明溫度對相位角的影響較大。

由圖2可以看出，與基質(zhì)瀝青一致，SBS改性瀝青相位角也隨著溫度升高而增大。但是可以明顯看出在50 ℃～70 ℃的溫度范圍內(nèi)，相位角的值出現(xiàn)了一段幾乎不變化的平衡區(qū)，這個(gè)平衡區(qū)表明SBS改性劑對瀝青的粘彈性能產(chǎn)生了顯著影響，延遲改性瀝青由彈性狀態(tài)向粘流狀態(tài)的遷移。這是由于SBS改性劑主體的網(wǎng)絡(luò)三維結(jié)構(gòu)，提升了瀝青分子之間的粘結(jié)力，使瀝青分子通過SBS改性劑連接更為緊密，抑制瀝青在一定的溫度范圍內(nèi)由彈性狀態(tài)向粘流狀態(tài)轉(zhuǎn)移，但是當(dāng)溫度提高到75 ℃以上，網(wǎng)絡(luò)三維結(jié)構(gòu)也由于高溫而破壞，SBS的抑制作用消失，相位角恢復(fù)增加趨勢。

2.2 損失模量分析

美國公路戰(zhàn)略計(jì)劃SHRP研究成果表明，瀝青的復(fù)數(shù)模量G*與sinδ乘積可以用來評價(jià)瀝青的疲勞性能，并命名為損失模量。G*sinδ越小，表明瀝青在試驗(yàn)反復(fù)加載卸載過程作用下消耗能量較小，抵抗疲勞變形能力就越高。

從圖3和圖4可以看出，基質(zhì)瀝青與改性瀝青的G*sinδ從原樣、短期老化到長期老化明顯增加，這表明兩種瀝青經(jīng)過老化抗疲勞性能降低，抵抗開裂能力變?nèi)?。這與實(shí)際環(huán)境中，使用時(shí)間越長，開裂變形得越嚴(yán)重的形象相符。

但是對比基質(zhì)與SBS改性瀝青，隨著老化程度加深基質(zhì)瀝青G*sinδ增長明顯，但SBS改性瀝青G*sinδ增長趨勢與基質(zhì)瀝青表現(xiàn)出不同特點(diǎn)，從原樣瀝青老化到短期階段，G*sinδ增長明顯，但從短期老化到長期老化，雖然G*sinδ仍然增長但增長趨勢減緩，增長曲線接近，這可以很好地表明改性劑SBS明顯提高了瀝青抵抗疲勞的性能。

2.3 車轍因子分析

SHRP研究成果表明，瀝青的復(fù)數(shù)模量G*與sinδ之商可以用來評價(jià)瀝青的抵抗高溫變形的能力，并將其命名為車轍因子，G*/sinδ越小表明瀝青高溫抗變形能力越差，抗車轍能力越弱。

圖5和圖6表明，在30 ℃～80 ℃的溫度范圍內(nèi)，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青車轍因子G*/sinδ隨著溫度的升高呈現(xiàn)出線性減小趨勢，并且隨著老化程度的加深，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的G*/sinδ都顯著增加，表明老化在某種程度下改善了瀝青的高溫抗車轍能力。這是由于隨著老化，瀝青變硬變脆，一定程度上提高了抗永久變形能力。另外，基質(zhì)瀝青的車轍因子G*/sinδ在未老化前就較SBS改性瀝青要小，表明基質(zhì)瀝青的抗車轍變形能力弱于SBS改性瀝青。經(jīng)過短期或長期老化后，SBS改性瀝青的G*/sinδ仍比基質(zhì)瀝青大，但老化時(shí)間若繼續(xù)延長，瀝青變得更脆，SBS改性瀝青的G*/sinδ較基質(zhì)瀝青要小，單從車轍因子G*/sinδ這個(gè)角度表明改性瀝青抗高溫抗變形能力的優(yōu)勢不再明顯。

3 結(jié)語

（1）在考慮老化作用條件下，采用RTFOT試驗(yàn)?zāi)M瀝青短期老化過程，PAV試驗(yàn)?zāi)M瀝青長期老化過程，隨著老化程度的加深，瀝青逐漸變脆變硬，復(fù)數(shù)模量增加，相位角減小，損失模量及車轍因子增加，表明老化條件下，瀝青彈性成分有所增加，黏性成分減小，彈性恢復(fù)能力降低，抗疲勞性能降低，但抵抗變形能力有所增強(qiáng)。

（2）對比同樣老化程度的基質(zhì)瀝青和改性瀝青，流變參數(shù)相位角、損失模量及車轍因子的增減幅度均有所減小，表明SBS改性劑的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以抑制瀝青老化進(jìn)程。

（3）根據(jù)溫度掃描試驗(yàn)，隨著溫度的提升，瀝青的相位角增加明顯，表明瀝青溫度敏感性較大，但瀝青對老化的敏感性隨著老化時(shí)間的延長而減小。

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收稿日期：2020-06-05