淺析不同SBS 摻量瀝青混合料耐老化性能

■賴錦興

（福建省交通科技發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司，福州 350004）

瀝青路面在施工和使用過程中因受到高溫、氧化、 紫外線等影響而發(fā)生熱氧老化和紫外老化，使得瀝青性能下降，與集料的粘附性降低，出現(xiàn)集料脫落，瀝青路面的破壞應(yīng)變減小并產(chǎn)生裂縫，路用性能顯著降低，導(dǎo)致路面過早出現(xiàn)病害而減少其使用壽命[1]。 因此，有必要通過研究瀝青混合料的耐老化性能，優(yōu)選耐久性較好的瀝青混合料，以延長瀝青路面的使用壽命。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用基質(zhì)瀝青為福建省常用的70# 道路石油瀝青，所用SBS 改性劑為燕山星型SBS4303改性劑， 集料為玄武巖纖維，SMA 型瀝青混合料的加筋纖維為木質(zhì)素纖維。

1.2 瀝青混合料的短期熱氧老化

瀝青混合料拌合后， 以21～22 kg/m2的密度松鋪，將混合料置于135℃±3℃老化條件下（烘箱內(nèi)采用電加熱與溫度維持， 以間歇強(qiáng)制通風(fēng)進(jìn)行供養(yǎng)）老化4 h±5 min，每隔1 h 整體翻動(dòng)1 次，以模擬混合料攤鋪時(shí)的短期老化。

1.3 瀝青混合料的長期紫外老化

將短期老化的混合料置于頂部安裝有500 W紫外燈的改進(jìn)型TFOT 烘箱中，通過老化箱自動(dòng)控溫系統(tǒng)控制試驗(yàn)溫度為60℃。 將拌合均勻的瀝青混合料以密度約21～22 kg/m2狀態(tài)松鋪，每12 h 翻動(dòng)1 次，老化5 d，其輻射強(qiáng)度相當(dāng)于我國太陽能輻射較強(qiáng)的二類地區(qū)1 年的紫外線強(qiáng)度，約為600 kJ/cm2·a。

1.4 瀝青混合料的海水環(huán)境老化

參照瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行海水環(huán)境老化。 向恒溫水槽中注入福州長樂所取的海水，控制恒溫水槽中海水的溫度為25℃，將成型的馬歇爾試驗(yàn)試件放入恒溫水槽中老化12 h，然后取出并放入25℃的恒溫環(huán)境中，自然干燥12 h，此為海水環(huán)境老化的1 次循環(huán)。 本項(xiàng)目中瀝青混合料的海水環(huán)境老化循環(huán)次數(shù)為5 次。 5 次海水環(huán)境循環(huán)老化后，進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。

2 瀝青混合料老化性能評(píng)價(jià)

經(jīng)過老化， 瀝青混合料的各項(xiàng)性能發(fā)生劣化，為評(píng)價(jià)瀝青混合料的老化程度，本文確定了馬歇爾穩(wěn)定度變化率、動(dòng)穩(wěn)定度變化率、疲勞壽命變化率3 項(xiàng)指標(biāo)，采用指標(biāo)的大小來判斷瀝青混合料的老化情況。 馬歇爾穩(wěn)定度變化率、動(dòng)穩(wěn)定度變化率、疲勞壽命變化率的計(jì)算方法分別為：

馬歇爾穩(wěn)定度變化率=老化后馬歇爾穩(wěn)定度/老化前馬歇爾穩(wěn)定度×100% （1）

動(dòng)穩(wěn)定度變化率=老化后動(dòng)穩(wěn)定度/老化前動(dòng)穩(wěn)定度×100% （2）

研究在不同射擊工況下的彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)彈丸裝藥的設(shè)計(jì)和彈炮匹配性設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，未來將對(duì)不同磨損程度的身管內(nèi)彈丸運(yùn)動(dòng)規(guī)律作進(jìn)一步的研究。

疲勞壽命變化率=老化后疲勞壽命/老化前疲勞壽命×100% （3）

根據(jù)變化率計(jì)算結(jié)果，3 項(xiàng)變化率指標(biāo)越接近100%，說明老化對(duì)瀝青混合料的性能影響越小，即瀝青老化程度越小。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 短期熱氧老化

（1）馬歇爾穩(wěn)定度變化率

由圖1 可知，經(jīng)過短期熱氧老化的AC-13 型瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度整體變化率隨著SBS 摻量的增加先降低后放緩；當(dāng)SBS 摻量由2%增加至3%時(shí)， 馬歇爾穩(wěn)定度變化率下降最明顯，SBS 摻量對(duì)增加瀝青的抗老化性能也最明顯；當(dāng)摻量增加至4%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度變化率曲線放緩；隨著SBS 摻量的再次增加，又再次明顯降低；當(dāng)SBS 摻量為5%～6%時(shí)，經(jīng)過短期老化，AC-13 型瀝青馬歇爾穩(wěn)定度變化率達(dá)到臨界平臺(tái)約為108.5%左右。

圖1 短期熱氧老化對(duì)不同SBS 摻量的瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度變化率的影響

隨著SBS 摻量的增加，SMA-13 型瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度變化率也逐漸減小。 且短期熱氧老化對(duì)SMA-13 型瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度變化率影響隨SBS 摻量的增加而減小的速率是逐漸減緩的，摻量超過4%速率減小變緩。

（2）動(dòng)穩(wěn)定度變化率

由圖2 可知，經(jīng)過短期熱氧老化的AC-13 型瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化率隨著SBS 摻量的增加呈下降趨勢(shì)；當(dāng)SBS 摻量由2%增加至3%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度變化率并無明顯變化，SBS 摻量的變化此時(shí)并未影響到瀝青老化前后的動(dòng)穩(wěn)定度比值；隨著SBS 摻量的進(jìn)一步增加，AC-13 型瀝青混合料經(jīng)過短期熱氧老化的動(dòng)穩(wěn)定變化率開始降低； 當(dāng)摻量增加至5%時(shí)，變化曲線有所放緩；當(dāng)SBS 摻量由5%增加至6%，動(dòng)穩(wěn)定度變化率再次下降明顯。低摻量情況下，SBS 摻量與動(dòng)穩(wěn)定變化率成負(fù)相關(guān)， 與瀝青的抗老化性呈正相關(guān)。 短期熱氧老化對(duì)SMA-13 型瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度變化率的影響顯著，隨著SBS摻量的增加，SMA-13 型瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度變化率呈下降趨勢(shì)，動(dòng)穩(wěn)定度變化率減少速度先加快后減慢。

圖2 短期熱氧老化對(duì)不同SBS 摻量的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化率的影響

（3）疲勞壽命變化率

由圖3 可知，隨著SBS 摻量的增加，經(jīng)過短期熱氧老化的AC-13 型瀝青混合料的疲勞壽命變化率先增加后減少；隨著SBS 摻量的增加，疲勞壽命變化率初期增加較緩慢， 當(dāng)SBS 摻量從4%增加至5%時(shí)，疲勞壽命變化率快速增加至峰值約為93%，此時(shí)短期熱氧老化對(duì)AC-13 型瀝青混合料疲勞壽命影響最小， 瀝青的抗老化性能最好， 其后隨著SBS 摻量的再次增加，瀝青的抗老化性隨著疲勞壽命變化率的降低而降低。 短期熱氧老化對(duì)SMA-13型瀝青混合料疲勞壽命變化率的影響與SBS 摻量有關(guān)，SBS 摻量從2%增加到5%時(shí)，SMA-13 型瀝青混合料疲勞壽命變化率隨摻量增加而增加，SBS 摻量從5%增加到6%時(shí)，SMA-13 型瀝青混合料疲勞壽命變化率隨摻量增加而減小。

圖3 短期熱氧老化對(duì)不同SBS 摻量的瀝青混合料疲勞壽命變化率的影響

3.2 長期紫外老化

（1）馬歇爾穩(wěn)定度變化率

由圖4 可知， 隨著SBS 摻量的增加，AC-13 型瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度變化率在長期紫外老化的影響下不斷減小，AC-13 型瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度變化率的減小速率先增大后減小。隨著SBS 摻量的增加，SMA-13 瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度變化率與AC-13 型瀝青混合料相似，主要區(qū)別為摻量為2%～3%時(shí)，SMA-13 型瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度變化率減小速度更緩慢。

圖4 長期紫外老化對(duì)不同SBS 摻量的瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度變化率的影響

（2）動(dòng)穩(wěn)定度變化率

由圖5 可知， 隨著SBS 摻量的增加，AC-13 型瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化率下降的速率呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的特點(diǎn)。 隨著SBS 摻量的增加，SMA-13 型瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化率在長期紫外老化的影響下不斷減小，減小的速率先增大后減小。

圖5 長期紫外老化對(duì)不同SBS 摻量的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化率的影響

（3）疲勞壽命變化率

由圖6 可知， 隨著SBS 摻量的增加，AC-13 型瀝青混合料疲勞壽命變化率在長期紫外老化的影響下不斷增大且疲勞壽命變化率增加的速率先變大后減小，最后又增大。 隨著SBS 摻量的增加，SMA-13 型瀝青混合料疲勞壽命變化率在長期紫外老化的影響下逐漸增大。當(dāng)SBS 摻量超過5%時(shí)，變化率降低，沒有超過5%時(shí)，變化率增加的速率先增大后減小。

圖6 長期紫外老化對(duì)不同SBS 摻量的瀝青混合料疲勞壽命變化率的影響

3.3 海水環(huán)境老化

與普通環(huán)境下的瀝青路面水損壞相比， 濱海鹽環(huán)境及其嚴(yán)苛氣候條件下瀝青混合料水損壞的形成機(jī)理具有其特殊性和復(fù)雜性。 目前，有關(guān)瀝青混合料水損壞的研究已取得了眾多重要研究成果，但在中國南部濱海的鹽環(huán)境地區(qū)，夏季高溫高濕、冬季微凍融及鹽蝕的共同作用對(duì)瀝青混合料的水損傷性能影響很大，也很復(fù)雜，相關(guān)研究必不可少。

（1）馬歇爾穩(wěn)定度變化率

由圖7 可知，在海水環(huán)境老化后，瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度顯著降低，主要原因是海水環(huán)境老化后，海水進(jìn)入到混合料內(nèi)部，隨著水分的蒸發(fā)，海水中的鹽分晶體在試件內(nèi)部慢慢累積并結(jié)晶膨脹，破壞瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)海水中的離子會(huì)使瀝青乳化，進(jìn)一步降低瀝青混合料強(qiáng)度。 隨著SBS 改性劑摻量增加，AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料老化后瀝青混合料殘留馬歇爾穩(wěn)定度均增大。 當(dāng)SBS 摻量達(dá)到4%左右時(shí)， 瀝青混合料殘留馬歇爾穩(wěn)定度增速趨于平緩， 但隨著SBS 摻量繼續(xù)增加，瀝青混合料殘留馬歇爾穩(wěn)定度增速又繼續(xù)增大，整體曲線呈波浪線形。

（2）動(dòng)穩(wěn)定度變化率

由圖8 可知，海水環(huán)境老化后，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降，隨著SBS 摻量上升，瀝青混合料殘留動(dòng)穩(wěn)定度增加。 當(dāng)SBS 改性劑摻量較低時(shí)，AC-13型和SMA-13 型瀝青混合料殘留動(dòng)穩(wěn)定度增加不明顯，但當(dāng)SBS 摻量達(dá)到3%后繼續(xù)增加SBS 摻量，瀝青混合料殘留動(dòng)度明顯增加。

圖8 海水環(huán)境老化對(duì)不同SBS 摻量的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化率的影響

（3）疲勞壽命變化率

由圖9 可知，海水環(huán)境老化后，瀝青混合料的疲勞壽命減低、抗疲勞性能下降。 當(dāng)SBS 摻量較小時(shí)，隨著SBS 摻量上升，瀝青混合料殘留疲勞壽命增加和瀝青混合料抗疲勞性能得到明顯改善，但當(dāng)SBS 摻量達(dá)到4%后，隨著SBS 摻量的增加，其殘余疲勞壽命增長趨于平緩，整體曲線呈凸曲線形。

圖9 海水環(huán)境老化對(duì)不同SBS 摻量的瀝青混合料疲勞壽命變化率的影響

4 結(jié)論

本文圍繞SBS 改性劑的不同摻量對(duì)改性瀝青混合料的路用性能和抗老化性能展開研究，得出如下結(jié)論：（1）當(dāng)密級(jí)配型和間斷級(jí)配型改性瀝青混合料受到短期老化和長期老化時(shí)，其基本路用性能均會(huì)受到不良影響而導(dǎo)致瀝青性能劣化，從而加速瀝青混合料的破壞。 （2）隨著SBS 改性劑含量的增加，短期老化和長期老化對(duì)瀝青混合料性能的影響也均隨之遞減，表明SBS 改性劑的加入可以在一定程度上提高瀝青材料的抗老化性能，進(jìn)而增強(qiáng)瀝青混合料的耐老化性能； 并且當(dāng)SBS 改性劑含量從4%增加至5%以上時(shí)，SBS 對(duì)混合料耐老化性能的改善作用減緩。 綜合考慮性能和成本，SBS 瀝青中SBS 改性劑最佳摻量為5%左右。 （3）隨著鹽霧環(huán)境下水的侵蝕，瀝青混料高溫穩(wěn)定度和車轍動(dòng)穩(wěn)定度都會(huì)隨之下降，隨著改性劑含量的增加，其受到的影響也隨著減?。桓鶕?jù)瀝青混合料耐久性能研究也可以得到相同變化趨勢(shì)。 （4）相較密級(jí)配型，間斷級(jí)配型改性瀝青混合料受到短期老化、長期老化和鹽霧環(huán)境老化時(shí)均表現(xiàn)出了更好的路用性能和抗老化性能。