光熱環(huán)境老化作用下SBS改性瀝青性能分析

摘要：文章通過三大指標(biāo)試驗(yàn)、高溫剪切流變試驗(yàn)與低溫彎曲流變試驗(yàn)，以針入度、軟化點(diǎn)、延度、車轍系數(shù)、勁度模量與蠕變系數(shù)為評價(jià)指標(biāo)，分析熱氧老化環(huán)境與光熱老化環(huán)境對SBS改性瀝青性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在熱氧環(huán)境與光熱環(huán)境下，隨著老化時(shí)間延長，針入度與延度均下降，延度則反之；相較于熱氧環(huán)境，光熱環(huán)境下由于紫外線對SBS改性瀝青的老化作用，對三大指標(biāo)的影響更為顯著，其中對延度的影響最大；SBS改性瀝青的高溫穩(wěn)定性隨老化時(shí)間延長而提高，光熱環(huán)境對瀝青高溫穩(wěn)定性的影響更大；SBS改性瀝青的低溫抗裂性隨老化時(shí)間延長而降低，光熱環(huán)境對低溫抗裂性的影響更明顯。

關(guān)鍵詞：SBS改性瀝青；耦合老化；流變性能

中圖分類號：U416.03 A 10 028 4

0 引言

截至2021年年底，我國的高速公路總里程為16.91萬km，增加了0.81萬km，瀝青路面結(jié)構(gòu)占其中90%以上。相較于水泥混凝土路面，瀝青路面因其行車舒適性好、噪音低、后期維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。但瀝青路面在服役的過程中，易受到紫外線輻射、環(huán)境溫度、雨水與氧氣等環(huán)境的影響，導(dǎo)致瀝青老化，路面使用性能降低。同時(shí)，我國交通運(yùn)輸行業(yè)飛速發(fā)展，汽車保有量不斷增加，超載現(xiàn)象愈加頻繁，路面的實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)低于預(yù)期。為提高瀝青路面的服役壽命，道路工作者對瀝青路面與瀝青膠結(jié)料進(jìn)行了深入研究，SBS改性材料因其具有成本相對低廉、對高低溫與疲勞性能均有改善、制造工藝流程簡單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。我國南方地區(qū)緯度低，高溫多雨，太陽輻射強(qiáng)度高，會(huì)加快路面的老化速率，使路面服役時(shí)間縮短。因此，在南方地區(qū)進(jìn)行熱氧環(huán)境與光熱環(huán)境對SBS改性瀝青性能影響的研究十分有必要。

劉文昶等［1］對瀝青短期與長期老化進(jìn)行模擬，結(jié)果表明短期老化與自然條件下老化2～3月較接近，長期老化與自然條件下老化4～5個(gè)月接近。Churchill等［2］利用薄膜烘箱對瀝青進(jìn)行長期老化模擬，樣品在 163 ℃的恒溫條件下分別老化 5 h、 14 h、 24 h。譚憶秋等［3］采用薄膜烘箱制備瀝青樣品，通過紫外老化箱對樣品進(jìn)行紫外老化，老化溫度為 73 ℃，時(shí)間為 9 h。葉奮等［4］對瀝青試樣進(jìn)行熱氧老化和紫外老化，結(jié)果表明兩種老化方式對三大指標(biāo)的影響相同，針入度與延度下降，軟化點(diǎn)提高。郭成州等［5］對SBS改性瀝青進(jìn)行熱氧老化和光熱耦合老化試驗(yàn)，結(jié)果表明熱氧老化和光熱耦合老化均加速了SBS改性瀝青的老化速率。左峰等［6］對SBS改性瀝青分別進(jìn)行熱、紫外光、荷載3種因素的兩兩耦合，結(jié)果表明光熱耦合對SBS改性瀝青的老化程度最嚴(yán)重，并且通過紅外光譜試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光熱耦合老化后的瀝青中的官能團(tuán)主要表現(xiàn)為丁二烯鍵的斷裂和羰基增加。Yu等［7］對進(jìn)行短期老化后的SBS改性瀝青進(jìn)行紫外老化，結(jié)果表明紫外輻射嚴(yán)重破壞了SBS瀝青中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加劇了SBS的降解，并導(dǎo)致流變性能發(fā)生巨大變化。Luo［8］采用紫外老化環(huán)境箱對SBS改性瀝青進(jìn)行紫外老化模擬，結(jié)果表明SBS改性瀝青的疲勞性能和低溫性能大幅度降低，高溫性能提高。

現(xiàn)有對SBS改性瀝青老化的研究主要涉及熱老化，而在實(shí)際的瀝青路面使用過程中，紫外輻射是十分重要的影響因素，因此有必要對光熱耦合作用對瀝青的影響進(jìn)行研究。文本采用熱氧老化與光熱老化試驗(yàn)對SBS改性瀝青樣品進(jìn)行老化，通過三大指標(biāo)試驗(yàn)、高溫剪切流變試驗(yàn)與低溫彎曲流變試驗(yàn)，以針入度、軟化點(diǎn)、延度、車轍因子、勁度模量與蠕變系數(shù)為評價(jià)指標(biāo)，分析不同老化環(huán)境對SBS改性瀝青性能的影響。

1 原材料

1.1 瀝青

本文采用的基質(zhì)瀝青為70#A級基質(zhì)瀝青，主要性能指標(biāo)見表1。

1.2 SBS

選用線型SBS改性劑。其主要性能指標(biāo)匯總見表2。

1.3 SBS改性瀝青

采用高速剪切法制備SBS改性瀝青，其主要性能指標(biāo)見表3。

2 試驗(yàn)方案

2.1 瀝青老化試驗(yàn)

2.1.1 熱氧環(huán)境

將SBS改性瀝青倒入標(biāo)準(zhǔn)盛樣皿（直徑為 14 cm），每盛樣皿裝入 16 g± 0.5 g，瀝青膜厚度約為 1 mm。采用鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行模擬熱氧環(huán)境對SBS改性瀝青的影響。在 70 ℃環(huán)境下分別老化 5 d、 10 d、 15 d。

2.1.2 光熱環(huán)境

試樣與熱氧環(huán)境的試樣保持一致，將試樣放入汞燈耐候試驗(yàn)箱中模擬光熱環(huán)境對SBS改性瀝青性能的影響。試驗(yàn)的溫度設(shè)置為 70 ℃，紫外線輻射強(qiáng)度設(shè)置為 40 W/m2，老化時(shí)間分別為 5 d、 10 d、 15 d。

2.2 性能檢測試驗(yàn)

（1）對各環(huán)境影響條件影響下的SBS改性瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)與延度試驗(yàn)。

（2）利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）對各環(huán)境影響下的SBS改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)采用直徑為 25 mm的平行板，間距為 1 mm± 0.05 mm，角速度為 10 rad/s，試驗(yàn)溫度為 40 ℃～90 ℃。

（3）利用低溫彎曲流變儀（BBR）對各環(huán)境下的SBS改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-12℃。

2.3 評價(jià)指標(biāo)

以針入度、軟化點(diǎn)、延度、車轍因子、勁度模量與蠕變系數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)，詳見公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)范（JTG E20-2011）。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 常規(guī)試驗(yàn)

對各老化環(huán)境下的試件進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)，結(jié)果及分析如下。

3.1.1 針入度試驗(yàn)

如圖1所示，熱氧環(huán)境和光熱環(huán)境均會(huì)降低SBS改性瀝青的針入度，且光熱環(huán)境對瀝青針入度的影響更加顯著。熱氧老化 5 d、 10 d、 15 d的針入度較 0 d分別降低了7.14%、14.29%、16.67%，而光熱老化 5 d、 10 d、 15 d相較于熱氧老化分別降低了12.82%、16.67%、20.00%。在熱氧環(huán)境中，SBS在瀝青中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，同時(shí)瀝青中的輕質(zhì)組分不斷揮發(fā)，小分子物質(zhì)聚合成為大分子物質(zhì)，瀝青變得硬脆，導(dǎo)致瀝青的針入度降低。在光熱環(huán)境中，紫外線的作用加快瀝青中飽和分、芳香分官能團(tuán)的破壞速率，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量上升，針入度進(jìn)一步降低［9］。

3.1.2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

如圖2所示，軟化點(diǎn)隨老化時(shí)間的增加而提高，且光熱環(huán)境對其影響更大。熱氧老化 5 d、 10 d、 15 d的軟化點(diǎn)較 0 d分別增加了5.16%、9.19%、13.87%，光熱老化 5 d、 10 d、 15 d相較于熱氧老化分別提升了9.68%、10.19%、8.50%。在熱氧環(huán)境下，瀝青發(fā)生老化，導(dǎo)致輕質(zhì)組分向重質(zhì)組分轉(zhuǎn)化，軟化點(diǎn)與瀝青的組分相關(guān)，瀝青質(zhì)對軟化點(diǎn)的影響最顯著，瀝青質(zhì)增加導(dǎo)致軟化點(diǎn)提高。在光熱環(huán)境下，由于紫外線的存在，加速了瀝青的老化，同時(shí)使SBS發(fā)生降解，破壞了形成的網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致軟化點(diǎn)進(jìn)一步提高［10］。

3.1.3 延度試驗(yàn)

如圖3所示，在熱氧環(huán)境和光熱環(huán)境下，SBS改性瀝青的延度隨時(shí)間延長而降低，且光熱環(huán)境下降低幅度更大。熱氧老化 5 d、 10 d、 15 d的延度較 0 d分別降低了36.58%、50.43%、61.04%，而光熱老化 5 d、 10 d、 15 d相較于熱氧老化分別降低了54.27%、57.64%、70.56%。在熱氧環(huán)境下，瀝青發(fā)生老化，含氧官能團(tuán)降低，瀝青黏性降低，同時(shí)SBS的丁二烯鏈段具有彈性特征，可以為低溫環(huán)境下的SBS改性瀝青提供一定的彈性。在光熱環(huán)境下，紫外環(huán)境提高了膠質(zhì)的含量，導(dǎo)致延展性降低，同時(shí)破壞了SBS中的丁二烯鏈段，不飽和度降低，延度下降［11］。

3.2 動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)

由圖4可知：

（1）在熱氧環(huán)境下，隨著老化時(shí)間的延長，車轍因子不斷提高，增加了瀝青的抗剪切變形能力。在 70 ℃下，相較于未老化的SBS改性瀝青，熱氧老化 5 d、 10 d、 15 d的車轍因子分別提高了 1.81 kPa、 3.33 kPa、 4.85 kPa。SBS改性瀝青在熱氧作用下，輕質(zhì)組分揮發(fā)，瀝青中的 C=O等含氧官能團(tuán)的增加，分子的極性提高，締合能力提高，對周圍的小分子基團(tuán)的吸附作用加強(qiáng)，導(dǎo)致瀝青變硬，抗車轍系數(shù)提升［12］。

（2）在光熱環(huán)境下，紫外線的存在進(jìn)一步提高了車轍因子，試驗(yàn)溫度越高，車轍因子差異越小。在 70 ℃下，光氧老化 5 d、 10 d、 15 d相較于熱氧老化，車轍因子分別提高了17.28%、21.43%、17.68%。光熱環(huán)境與熱氧環(huán)境均老化 15 d后，在 64 ℃、 70 ℃、 76 ℃、 82 ℃、 88 ℃試驗(yàn)條件下的車轍因子相差分別為 1.8 kPa、 1.11 kPa、 0.63 kPa、 0.45 kPa、 0.41 kPa。紫外輻射后，瀝青中的 C=C、C-H和C-O鍵斷裂，生成更多的自由基，并與O 2發(fā)生反應(yīng)，輕質(zhì)組分向重質(zhì)組分遷移的速率得到提升，飽和分和芳香分的含量不斷減少，瀝青質(zhì)的含量增加，瀝青基從膠體結(jié)構(gòu)向凝膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。SBS改性劑中的二烯CH 2-CH 2鍵與雙鍵在紫外輻射的作用下易斷裂，與O 2發(fā)生氧化降解反應(yīng)，導(dǎo)致破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的速率加快，老化程度加劇，車轍因子增加。DSR試驗(yàn)溫度越高，瀝青從彈性狀態(tài)向黏性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，抵抗高溫變形能力減弱，車轍因子降低，不同老化環(huán)境對SBS改性瀝青的影響差距縮小。

3.3 低溫彎曲流變試驗(yàn)

由圖5～6可知：

（1）試樣在熱氧環(huán)境下其蠕變勁度隨老化時(shí)間延長而呈線性增大，蠕變速率則減少，低溫抗裂性能不斷減弱。相較于未老化試樣，老化時(shí)間為 5 d、 10 d、 15 d的蠕變勁度分別提高了 8 MPa、 16 MPa、 28 MPa，蠕變速率分別降低0.012、0.023、0.042。在熱氧環(huán)境下，SBS改性劑發(fā)生裂解并與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，改性成分占比不斷下降，同時(shí)瀝青分之間的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂重組，官能團(tuán)的指數(shù)改變，降低了瀝青的粘附力，導(dǎo)致瀝青低溫抗裂性能降低［13］。

（2）光熱環(huán)境中紫外線作用導(dǎo)致SBS瀝青的低溫穩(wěn)定性降低。光氧老化時(shí)間 5 d、 10 d、 15 d相較于熱氧老化，蠕變勁度分別提高了7.69%、12.50%、11.29%，蠕變速率分別降低了1.46%、2.25%、1.57%。紫外輻射導(dǎo)致瀝青分子躍遷到激發(fā)態(tài)，瀝青高分子化學(xué)鍵斷裂，與氧氣反應(yīng)生成新的氧化物，重組速率增加，加劇了瀝青的老化程度，使瀝青變得更加硬脆，導(dǎo)致瀝青的低溫抗裂性進(jìn)一步降低［14］。

4 結(jié)語

（1）在熱氧環(huán)境與光熱環(huán)境下，隨著老化時(shí)間延長針入度與延度均降低，軟化點(diǎn)則反之。光熱環(huán)境下由于紫外線對SBS改性瀝青的老化作用，影響更為顯著，其中對延度的影響最大。

（2）SBS改性瀝青的高溫穩(wěn)定性隨老化時(shí)間延長而提高，光熱環(huán)境中的紫外線提高了SBS改性瀝青中瀝青質(zhì)的含量，從膠體結(jié)構(gòu)向凝膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，加速破壞了瀝青中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對瀝青高溫穩(wěn)定性的影響更大。

（3）SBS改性瀝青的低溫抗裂性隨老化時(shí)間延長而降低，光熱環(huán)境下的SBS改性瀝青中的高分子化學(xué)鍵斷裂重組速率加快，導(dǎo)致瀝青變得更加脆硬，對低溫抗裂性的影響更明顯。

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收稿日期：2022-12-20