基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)的SBS改性瀝青混合料抗老化性能評價

隋嚴(yán)春

濟(jì)南市規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 濟(jì)南 250101

0 引言

在光照、溫度、氧氣和降水等環(huán)境因素作用下，瀝青路面產(chǎn)生不可逆的老化反應(yīng)，瀝青與集料間的黏結(jié)力下降，影響瀝青混合料的物理力學(xué)性能[1-2]。研究人員通過多種老化試驗(yàn)分析瀝青混合料路用性能的演變規(guī)律。譚憶秋等[3]發(fā)現(xiàn)紫外老化對瀝青混合料的流變特性影響比熱氧老化更顯著。Wu等[4]發(fā)現(xiàn)紫外輻照顯著降低瀝青混合料的自愈合性能，路用性能顯著下降。Fan 等[5]發(fā)現(xiàn)瀝青路面老化的不均勻性隨路面服役時間延長和溫度升高而增大。賈堅等[6]研究發(fā)現(xiàn)水楊酸苯酯、2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮復(fù)合改性瀝青較單改性瀝青具有更好的抗光氧老化能力。唐新德等[7]發(fā)現(xiàn)蒙脫土與苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene-butadiene-styrene，SBS)復(fù)合改性瀝青的抗老化性能較SBS單改性瀝青更優(yōu)。姜鵬等[8]采用正交試驗(yàn)研究了瀝青基碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和拌和時間的變化對改性瀝青3個性能指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)瀝青基碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、拌和時間為60 min時，SBS改性瀝青的抗老化性能最佳。王樹杰等[9]通過薄膜烘箱老化試驗(yàn)(thin film oven test，TFOT)和瀝青加速老化試驗(yàn)(pressurized aging vessel，PAV)，研究了不同老化方式對基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青3個性能指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青的抗老化性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青。孫科[10]采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)(rolling thin film oven test，RTFOT)和PAV分析高黏改性瀝青的力學(xué)性能。

采用室內(nèi)模擬老化評價方法對現(xiàn)役瀝青路面抗老化性能的研究還處于起步階段。本文采用室內(nèi)加速老化試驗(yàn)?zāi)M瀝青路面在使用過程中所處的環(huán)境條件，結(jié)合老化后的多項(xiàng)路用性能試驗(yàn)研究SBS改性瀝青混合料的抗老化性能，分析不同老化條件對SBS改性瀝青混合料路用性能的影響，以期為SBS改性瀝青混合料的性能提升及推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 原材料與配合比

1.1 瀝青膠結(jié)料

采用SBS改性瀝青膠結(jié)料，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青膠結(jié)料主要技術(shù)指標(biāo)

由表1可知SBS改性瀝青膠結(jié)料的性能符合文獻(xiàn)[11]相關(guān)要求。

1.2 礦料

集料為石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r礦粉，礦料合成級配如表2所示。二者的技術(shù)指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)[11]的相關(guān)要求。

表2 礦料合成級配

由表2可知礦料合成級配符合文獻(xiàn)[11]中的相關(guān)要求。

1.3 配合比

瀝青混合料級配范圍如表3所示。根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的相關(guān)方法和要求，確定最佳油石比為5.4%。

2 試驗(yàn)設(shè)計

2.1 室內(nèi)模擬老化試驗(yàn)

根據(jù)瀝青路面所處的環(huán)境條件設(shè)計室內(nèi)模擬試驗(yàn)，采用光熱耦合老化和熱氧老化的方法對SBS改性瀝青混合料試件進(jìn)行老化處理，結(jié)合老化后的路用性能試驗(yàn)，研究溫度和紫外線等對SBS改性瀝青混合料路用性能的影響。

夏季高溫條件下，瀝青膠結(jié)料受熱易引發(fā)氧化反應(yīng)，即熱氧老化，日光中的紫外線輻照能力較強(qiáng)，瀝青膠結(jié)料在日光輻照下發(fā)生分子鏈斷裂或基團(tuán)脫落等光化學(xué)反應(yīng)，即紫外老化。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中國夏季瀝青路面溫度可達(dá)60 ℃左右，為模擬瀝青路面在服役過程中的老化現(xiàn)象，采用紫外老化耐候儀對瀝青混合料試件進(jìn)行紫外輻照老化，輻照度為500 W·m-2，試驗(yàn)溫度為60 ℃，老化1～3周，模擬瀝青路面實(shí)際服役時的紫外-熱氧耦合老化。同時，采用60 ℃強(qiáng)制通風(fēng)烘箱進(jìn)行同步的獨(dú)立熱氧老化試驗(yàn)。

2.2 老化后路用性能

1)低溫抗裂性

瀝青路面須在長期使用過程中保持良好的抗低溫性能，低溫開裂是寒冷地區(qū)瀝青路面的常見病害，根據(jù)文獻(xiàn)[12]的相關(guān)試驗(yàn)要求，選用低溫彎曲小梁試驗(yàn)對瀝青混合料進(jìn)行低溫抗裂性能評價，采用輪碾法成型試件，并切割成250 mm×30 mm×35 mm的長方體試件，采用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)測試-15 ℃條件下不同老化階段的小梁試件低溫性能。

2)抗永久變形

通過瀝青混合料車轍試驗(yàn)測定老化后瀝青混合料試件的動穩(wěn)定度，評價瀝青混合料抵抗永久變形能力。參照文獻(xiàn)[12]相關(guān)要求，采用輪碾法成型試件，并切割為300 mm×300 mm×50 mm的長方體試件，試驗(yàn)時輪胎壓強(qiáng)為0.7 MPa，試驗(yàn)溫度為60 ℃，碾壓頻率為42 次/min。

3)水穩(wěn)定性

瀝青路面服役時，環(huán)境中的水汽使得膠結(jié)料發(fā)生降解和溶脹，荷載作用下的動水壓力和沖刷力容易導(dǎo)致膠結(jié)料和集料的黏結(jié)力變小，最終引起路面破壞。特別是夏季、冬季溫差大，降水多，瀝青路面內(nèi)水溫變化頻繁，為準(zhǔn)確地模擬瀝青路面在實(shí)際使用過程中的水溫變化情況，采用凍融循環(huán)試驗(yàn)對老化后的瀝青混合料試件進(jìn)行處理。參照文獻(xiàn)[12]相關(guān)要求，采用T0729凍融劈裂試驗(yàn)方法，將待測試件真空保水。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 低溫抗裂性

在60 ℃熱氧老化和紫外-熱氧耦合老化2種條件下，經(jīng)過不同老化時間后SBS改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表4 不同老化條件和老化時間的SBS改性瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變 10-6

由表4可知：2種老化條件下SBS改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變均呈衰減趨勢。老化3周后，紫外-熱氧耦合作用和60 ℃熱氧老化作用下SBS改性瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變分別衰減了28%、17%，說明紫外-熱氧耦合老化對SBS改性瀝青混合料低溫性能的影響比單獨(dú)熱氧老化大。原因主要是瀝青膠結(jié)料內(nèi)部分子鏈在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)，部分化學(xué)鍵斷裂，材料抗低溫性能下降；紫外線可深入到材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，長期輻照導(dǎo)致聚氨酯內(nèi)大部分化學(xué)鍵斷裂，自由基逐漸固化，低溫下材料的剛性增大而柔韌性降低，抗彎拉性能下降[13-15]。

3.2 抗永久變形能力

在60 ℃熱氧老化和紫外-熱氧耦合老化2種條件下，不同老化時間后SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度如表5所示。

表5 不同老化條件和老化時間的SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度 MPa

由表5可知：在60 ℃熱氧老化和紫外-熱氧耦合老化3周后，SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別約降低20%、46%，說明紫外-熱氧耦合老化對SBS改性瀝青混合料抗永久變形能力的影響比單獨(dú)熱氧老化更大。原因是在熱氧環(huán)境下，瀝青和改性劑發(fā)生老化和裂解，瀝青老化后黏結(jié)性下降，變硬變脆，動穩(wěn)定度增加；改性劑裂解后，改性劑在瀝青中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，改性劑在瀝青中的骨架作用減小，動穩(wěn)定度減小；隨老化時間的延長，改性劑裂解對動穩(wěn)定度的影響大于瀝青老化，同時，紫外老化加劇改性劑的裂解，使得紫外-熱氧耦合對SBS改性瀝青混合料的老化作用大于熱氧老化[16-21]。

3.3 水穩(wěn)定性能

在60 ℃熱氧老化和紫外-熱氧耦合老化2種條件下，不同老化時間后SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比如表6所示。

表6 不同老化條件和老化時間的SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比 %

由表6可知：在60 ℃熱氧老化和紫外-熱氧耦合老化3周后，SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比約降低16%、34%，說明紫外-熱氧耦合老化對SBS改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響比單獨(dú)熱氧老化更大。原因是隨老化時間的延長，瀝青內(nèi)部官能團(tuán)發(fā)生氧化反應(yīng)，飽和分和芳香分轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，生成羥基官能團(tuán)、亞砜基等極性或兩性官能團(tuán)，瀝青的勁度模量增大，低溫性能下降。同時，紫外老化使上述過程更加嚴(yán)重，紫外-熱氧耦合老化后SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性比60 ℃熱氧老化低，水穩(wěn)定性隨時間的延長呈下降趨勢[22-25]。

4 結(jié)論

采用室內(nèi)老化試驗(yàn)，分析和評價SBS改性瀝青混合料在長期服役的環(huán)境老化后的低溫抗裂性能、抗永久變形性能和水穩(wěn)定性能，提出室外環(huán)境因素對SBS改性瀝青混合料作用的室內(nèi)模擬方法，采用60 ℃強(qiáng)制通風(fēng)烘箱模擬路表高溫作用下的熱氧老化，采用紫外老化耐候儀模擬瀝青路面使用過程中的紫外-熱氧耦合老化。

1)根據(jù)低溫彎曲小梁試驗(yàn)結(jié)果，紫外-熱氧耦合老化和60 ℃熱氧老化3周后，SBS改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變分別約減少28%、17%，主要原因是高溫作用下SBS改性瀝青混合料的部分化學(xué)鍵斷裂，紫外線使自由基逐漸固化，抗彎拉性能下降。

2)根據(jù)車轍試驗(yàn)結(jié)果，紫外-熱氧耦合老化和60 ℃熱氧老化3周后，SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別約降低46%、20%，主要原因是改性劑裂解對動穩(wěn)定度的影響大于瀝青老化，紫外老化加劇改性劑的裂解。

3)根據(jù)凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果，紫外-熱氧耦合老化和60 ℃熱氧老化3周后，SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比分別約降低34%、16%，主要原因是紫外老化加劇瀝青內(nèi)部官能團(tuán)的氧化反應(yīng)，增加了重質(zhì)組分的比例，瀝青的勁度模量增大，低溫性能隨之降低。

老化試驗(yàn)結(jié)果表明紫外-熱氧耦合老化后SBS改性瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能指標(biāo)均小于熱氧老化，SBS改性瀝青混合料在老化時受到溫度和紫外線的雙重影響。因此，采用紫外-熱氧耦合老化模擬試驗(yàn)方法更能真實(shí)反映夏季戶外路面狀態(tài)，比熱氧老化評價方法更合理。