基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青老化行為研究

熊奎元　侯劍楠　韋暢明　朱皓

作者簡介：

熊奎元（1990—），工程師，研究方向：瀝青路面、市政檢測;

侯劍楠（1994—），碩士，研究方向：瀝青路面技術(shù)咨詢;

韋暢明（1987—），工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作;

朱 皓（1990—），工程師，主要從事試驗管理工作。

摘要：為研究基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的老化行為，文章采用室內(nèi)PAV試驗與室外日照對瀝青進行長期及短期老化，提出老化指數(shù)評價指標，并采用軟化點試驗、針入度試驗及BBR試驗對瀝青老化前后性能進行評價。結(jié)果表明：SBS改性瀝青的抗老化性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青;隨老化加重，基質(zhì)瀝青的軟化點增大，針入度降低，勁度模量增大，使用性能劣化;SBS改性瀝青由于改性劑的持續(xù)降解，在長期老化過程中隨老化溫度升高，軟化點先增大后減小，短期老化前期勁度模量先減小后增大。

關(guān)鍵詞：基質(zhì)瀝青;SBS改性瀝青;老化行為;老化指數(shù)

中國分類號：U416.217A060203

0 引言

公路是資源運輸流動的重要載體，是社會經(jīng)濟發(fā)展的重要基石。截至2020年年末，我國公路里程達到519.81萬km，其中高速公路為16.1萬km，形成了目前世界最大的公路運輸網(wǎng)絡(luò)。而瀝青路面憑借其優(yōu)良的行車舒適性、建養(yǎng)便捷性以及可重復利用的特點，成為高等級公路路面的主要結(jié)構(gòu)形式。瀝青是一種碳氫化合物和非金屬衍生物的復雜有機高分子材料，其作為瀝青路面的膠結(jié)料在日照、高溫及行車荷載等多種自然因素作用下極易發(fā)生老化反應，從而引起瀝青路面發(fā)生車轍、裂縫等各種病害，降低路面的使用性能及壽命。因此道路工作者展開了大量的瀝青老化行為研究，為探索降低老化對瀝青路面影響的方法提供指導意見。

瀝青的老化貫穿了瀝青混合料拌和樓生產(chǎn)、現(xiàn)場施工和瀝青路面服役全過程的各個階段。瀝青的老化實質(zhì)是瀝青組分比例在外界因素影響下發(fā)生變化，從而導致瀝青性能變化的過程。目前大量的國內(nèi)外研究均采用三大指標試驗、紅外光譜試驗、凝膠色譜試驗等研究改性瀝青及基質(zhì)瀝青老化前后性能變化或老化過程組分變化[1-3]，鮮見對老化程度進行定量再展開瀝青性能或老化機理的研究。本文將老化過程分為長期及短期兩個階段，對每個階段的基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青老化行為展開研究，以期揭示瀝青在老化過程中的性能變化。

1 原材料與試驗評價方法

1.1 原材料

本文試驗用瀝青選擇東海牌70#基質(zhì)瀝青及岳陽石化生產(chǎn)的成品SBS改性瀝青，其技術(shù)指標測試結(jié)果如表1所示。

1.2 試驗評價方法

瀝青的長期老化性能采用老化指數(shù)評價，其由瀝青材料老化前后性能檢測值變化率計算得到。老化指數(shù)計算公式如式（1）所示。

瀝青短期老化性能采用BBR試驗測試瀝青在-18 ℃、-12 ℃、-6 ℃的勁度模量進行評價。

2 SBS改性瀝青長期老化行為研究

2.1 長期老化方案

參考《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011），采用壓力老化試驗（PAV）對SBS改性瀝青及基質(zhì)瀝青進行長期老化模擬。試驗分兩組，第一組老化溫度控制為90 ℃、100 ℃、110 ℃，時間控制為20 h;第二組老化溫度控制為100 ℃，老化時間分別為16 h、20 h、24 h，老化完成后進行性能檢測。

2.2 試驗結(jié)果與分析

瀝青老化前后軟化點及針入度試驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知：

（1）隨老化溫度升高，老化時間延長，基質(zhì)瀝青的高溫性能持續(xù)改善，而SBS改性瀝青的高溫性能先提高后降低。這是因為隨溫度升高或時間延長，基質(zhì)瀝青老化加重，瀝青中的瀝青質(zhì)重組分含量增加，瀝青表現(xiàn)為“更耐熱”，故軟化點持續(xù)升高;SBS改性軟化點隨老化時間延長或老化溫度升高，軟化點出現(xiàn)先降低后升高趨勢。這可能是瀝青中的SBS在老化前期出現(xiàn)大量降解，從而軟化點下降，而后期SBS基本完全降解，瀝青的老化作用占據(jù)主導地位[4]，因此老化后期又出現(xiàn)軟化點上升現(xiàn)象。

（2）隨老化溫度升高，老化時間延長，基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的針入度均呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢，這是因為隨時間推進或者溫度升高，兩種瀝青的老化程度均得到進一步加深，瀝青中大量飽和分和芳香分等輕質(zhì)組分逐漸變成瀝青質(zhì)，瀝青變得脆硬，從而針入度下降。

（3）根據(jù)老化指數(shù)計算方法，計算軟化點和針入度的老化指數(shù)，并繪制曲線如下頁圖1所示。在兩種老化因素控制條件下，SBS改性瀝青針入度老化指數(shù)和軟化點老化指數(shù)均低于基質(zhì)瀝青，說明SBS改性瀝青的老化程度更低，具備更優(yōu)良的抗老化能力。

3 SBS改性瀝青短期老化行為研究

PAV試驗可以模擬瀝青路面服役5～7年后瀝青膠結(jié)料的老化情況，而瀝青中含有大量的飽和分，這種組分在高溫條件下極易發(fā)生氧化或揮發(fā)，因此對PAV老化瀝青的研究并不能反映出瀝青早期的性能變化。因此本文將開展瀝青短期老化特征研究。

3.1 短期老化試驗方案

將經(jīng)過RTFOT老化后的基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青澆于玻璃器皿中，厚度控制為3.2 mm，蓋上玻璃蓋防止雨水和灰塵污染，然后置于室外日照處。每3個月收回部分試樣進行室內(nèi)試驗。短期老化試驗參數(shù)及試件參數(shù)如表3所示。

3.2 試驗結(jié)果與分析

基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青短期老化的BBR試驗結(jié)果如表4所示。勁度模量是指瀝青在低溫條件抵抗荷載的量值，用以評價瀝青低溫抗變形能力，勁度模量越大，瀝青粘彈性能和韌性越差，瀝青越易脆裂。

（1）瀝青低溫抗裂性能隨溫度降低而劣化。由表4可知，隨試驗溫度降低，兩種瀝青的勁度模量均隨溫度降低而增加，瀝青的低溫抗變形能力減弱。這是因為試驗溫度降低，凍結(jié)了瀝青的鏈段運動，瀝青變得脆硬，瀝青中的彈性成分增加，從而低溫性能降低。

（2）隨老化時長增加，基質(zhì)瀝青的低溫性能降低。由圖2（[HTSS]a）可知，基質(zhì)瀝青的勁度模量呈現(xiàn)上升趨勢，且先慢后快。這是因為隨老化時間延長，基質(zhì)瀝青中的瀝青質(zhì)含量增加，瀝青變得脆硬，老化加重。圖2（[HTSS]a）中前6個月勁度模量增長相對緩慢，而后加快，這是因為進入6月夏季后，室外日照強度及氣溫上升，加速了瀝青老化。

（3）隨老化時長增加，SBS改性瀝青的低溫性能先增加后降低。由圖2（[HTSS]b）可知，隨老化時間延長，SBS改性瀝青的勁度模量呈先減小后增大的現(xiàn)象，這是因為在老化早期，SBS改性劑在日照和高溫作用下仍然會發(fā)生降解，在瀝青中分散更充分，從而提高瀝青低溫性能，抵消了瀝青老化帶來的影響，但隨時間延長SBS改性劑發(fā)生嚴重降解，瀝青老化加重，此時勁度模量開始反彈上升。

4 結(jié)語

本文分別通過PVA老化試驗與室外日照老化模擬瀝青長期與短期老化過程，開展軟化點試驗、針入度試驗及BBR試驗，并提出老化指數(shù)對瀝青老化行為展開研究，得出以下結(jié)論：

（1）隨PAV老化時間延長或溫度升高，基質(zhì)瀝青的軟化點增加，針入度下降，這是因為隨老化程度加重，瀝青中的瀝青質(zhì)重組分增加，瀝青“變硬”;而SBS改性瀝青的軟化點出現(xiàn)先降低后增加的趨勢，這是因為前期SBS降解和后期瀝青老化加重共同作用的結(jié)果。

（2）SBS改性瀝青的軟化點老化指數(shù)和針入度老化指數(shù)均高于基質(zhì)瀝青，說明SBS改性瀝青具備更優(yōu)良的抗老化性能。

（3）隨室外老化時間延長，基質(zhì)瀝青持續(xù)老化，且在前6個月老化速率較慢，進入夏季后老化速率提高;SBS改性瀝青在老化前9個月低溫性能有所提高而后進入下降階段，這得益于SBS改性劑再降解在瀝青中分散更充分，從而使勁度模量升高。

參考文獻：

[1]李 晶，劉 宇，張肖寧.瀝青老化微觀機理分析[J].硅酸鹽通報，2014，33（6）：1 275-1 281.

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[3]馮振剛.紫外光吸收劑對瀝青性能的影響及其作用機理研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[4]徐國慶.不同熱歷史作用下SBS改性瀝青及其混合料性能演變規(guī)律研究[D].長沙：湖南大學，2019.

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