基于激光回彈快速檢測方法的SBS改性瀝青自然老化行為研究

摘 要：為解決瀝青老化行為預測研究中室內(nèi)模擬老化與實際老化偏差大、缺乏易于工程推廣的科學評價指標等問題，以在役高速不同老化程度的SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物）改性瀝青為對象，借助瀝青質(zhì)量激光回彈快速檢測系統(tǒng)（ABQT），通過獲取最大蠕變變形、彈性恢復率、加載變形速率系數(shù)和回彈變形速率系數(shù)等指標評價瀝青性能變化規(guī)律，并與瀝青常規(guī)老化性能指標相對比，分析這些指標評價瀝青自然老化行為的準確性；在此基礎上，以這些指標建立瀝青老化非線性預測模型，通過獲取瀝青老化速率值分析自然老化狀態(tài)下瀝青性能衰變規(guī)律，并最終提出合理的預防性養(yǎng)護時間。結(jié)果表明，最大蠕變變形、加載變形速率系數(shù)和回彈變形速率系數(shù)等指標可以有效表征瀝青老化性能衰變過程，同時基于這些指標建立的瀝青老化非線性預測模型適用性強，可以實現(xiàn)瀝青性能-老化時間的雙向計算；隨老化時間的延長，最大蠕變變形、加載變形速率系數(shù)和回彈變形速率系數(shù)指標所對應的老化速率值均以三次函數(shù)模型形式衰變，老化速率拐點分別為6.67、5.56、6.67 a，考慮到瀝青混合料性能安全，建議以5.56 a作為介入預防性養(yǎng)護措施恢復瀝青性能的閾值。

關鍵詞：道路工程； SBS改性瀝青； 瀝青老化； 性能評價； 非線性預測

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A DOI：10.7525/j.issn.1006-8023.2024.05.021

Research on Natural Aging Behavior of SBS Modified Asphalt Based on Asphalt Binder Quality Test Method

Abstract： In order to solve the problems in predicting the asphalt aging behavior， such as the large performance deviation between simulated aging asphalt and actual aging asphalt， the lack of scientific evaluation index easy to promote in the practical engineering， properties of natural aging SBS （Styrene Butadiene Styrene Triblock Copolymer） modified asphalt from an in-service expressway were tested by Asphalt Binder Quality Test System （ABQT）. Then， some indexes， including maximum creep deformation， elastic recovery rate， loading deformation rate coefficient and rebound deformation rate coefficient， were proposed to evaluate the changes of asphalt’s properties； meanwhile， the accuracy of evaluating asphalt aging behavior with the above indicators were also analyzed by analyzing the differences between the above indicators and conventional performance indicators in evaluating the asphalt aging properties. On this basis， the nonlinear prediction model for asphalt aging was established based on the above indicators， and the aging rate values of asphalt were obtained to analyze the degradation laws of asphalt properties under natural aging conditions， and ultimately a reasonable preventive maintenance time was proposed. Results showed that， the maximum creep deformation， loading deformation rate coefficient and rebound deformation rate coefficient can effectively characterize the decay process of asphalt aging properties under natural aging conditions. Meanwhile， the nonlinear prediction model for asphalt aging established based on the above indicators had strong applicability， which can achieve bidirectional calculation for asphalt performance and aging time. Furthermore， as the aging time prolonged， the aging rate values corresponding to the maximum creep deformation， loading deformation rate coefficient and rebound deformation rate coefficient all decayed in the form of a cubic function model； and the turning points of aging rate were 6.67 a， 5.56 a， and 6.67 a， respectively. Therefore， considering the safety of asphalt mixture performance， it was suggested that 5.56 a as the threshold for intervention in preventive maintenance measures to restore asphalt performance.

Keywords： road engineering； SBS modified asphalt； aging of asphalt； performance evaluation； nonlinear prediction

0 引 言

瀝青路面在使用過程中會發(fā)生膠結(jié)料自然老化現(xiàn)象，對瀝青自然老化行為進行準確、科學的評價對于指導路面預防性養(yǎng)護具有重要意義。當前主要借助常規(guī)物理性能指標、瀝青流變性能指標、瀝青特征官能團指數(shù)及相關指標的轉(zhuǎn)化值來表征瀝青的老化性能［1-4］，如陳龍等［5］采用軟化點、針入度及旋轉(zhuǎn)黏度等常規(guī)物理性能指標研究了光熱耦合老化作用下瀝青性能變化規(guī)律，并推薦采用針入度比定量評價瀝青老化程度。此外，相關學者還建立了瀝青老化性能非線性預測模型對其老化速率進行量化分析，為瀝青路面使用壽命提供參考，如鄭南翔等［6］、紀小平等［7］建立了以瀝青針入度、黏度及延度為指標的非線性老化預測模型分析與預測不同熱氧老化及紫外光老化程度下瀝青性能衰變規(guī)律；Masad等［8］借助溫度掃描試驗和頻率掃描試驗分析了瀝青老化前后黏彈性能變化規(guī)律，建立了以流變學參數(shù)為指標的非線性預測模型對瀝青老化性能進行分析；Lin等［9］則借助紅外光譜試驗，建立了以羰基指數(shù)為指標的瀝青老化非線性預測模型。

綜上，不少學者通過選取各類評價指標建立了非線性預測模型對不同老化因素下瀝青性能衰變規(guī)律開展了相關研究工作。然而，借助常規(guī)物理性能指標分析瀝青老化性能雖然試驗設備和操作方法相對簡便，但其在本質(zhì)上屬于經(jīng)驗性方法，測試結(jié)果易受外界干擾，且上述指標更適用于基質(zhì)瀝青，對改性瀝青試驗結(jié)果離散性大、重復率低；借助流變學指標分析瀝青老化性能雖然符合瀝青材料自身黏彈性特性，但傳統(tǒng)流變學測試對儀器設備要求高，且試驗操作和數(shù)據(jù)分析復雜，同時對改性瀝青測試結(jié)果離散性也較大。因此，亟須尋求一種能夠高效、科學、準確的檢測方法對瀝青老化前后性能進行測試與評價，并在此基礎上建立老化預測模型實現(xiàn)對瀝青老化性能的精準預測。

瀝青質(zhì)量激光回彈快速檢測系統(tǒng)（ABQT）是由美國LTI公司生產(chǎn)的一種快速測試瀝青蠕變恢復性能的儀器，相比于傳統(tǒng)瀝青性能測試方法，ABQT測試過程更加便捷、測試時間更短，并且已有研究證明ABQT測試方法可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法對瀝青性能進行快速評價［10］。為此，本研究通過借助ABQT測試方法對自然老化條件下瀝青性能進行測試，選取合適的指標表征瀝青老化性能變化特征，進而完善瀝青老化性能評價體系；在此基礎上建立瀝青老化性能非線性預測模型，實現(xiàn)對瀝青性能衰變的有效預測，進一步提出合理的養(yǎng)護時機，為提升瀝青路面養(yǎng)護質(zhì)量提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 老化瀝青

本研究所采用的老化瀝青源自山東省某在役高速公路上面層，該高速運營期內(nèi)進行了程度各異的路面維修與養(yǎng)護，為不同使用年限老化瀝青的獲取提供了客觀條件。為減少瀝青種類、結(jié)構層類型等因素對試驗結(jié)果的干擾，根據(jù)養(yǎng)護維修歷史，分別獲取服役時間為0、2、4、6、9 a的上面層SMA-13（瀝青瑪蹄脂）混合料，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011），采用阿布森法抽提回收老化SBS（苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物）改性瀝青作為研究對象，分別測試了不同老化程度下SBS改性瀝青的基本物理性能指標，結(jié)果見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 瀝青質(zhì)量激光回彈快速檢測系統(tǒng)

瀝青質(zhì)量激光回彈快速檢測系統(tǒng)由美國LTI公司系統(tǒng)生產(chǎn)，本研究所采用的為LTI-210型瀝青激光回彈快速檢測系統(tǒng)，如圖1所示。該儀器采用圓管壓縮空氣施加壓力，測量瀝青在不同溫度區(qū)間和單一或多應力水平作用下的蠕變及回彈變形，通過記錄瀝青全過程變形曲線，如圖2所示，以瀝青最大蠕變變形、彈性恢復率等指標評價瀝青性能。

由圖2可知，具體試驗過程分為3個階段：第1階段為預加載階段，此階段不對試樣進行加載，瀝青沒有變形；第2階段為加載階段，瀝青產(chǎn)生蠕變，變形量快速增大并達到最大值；第3階段為卸載階段，瀝青變形逐漸恢復。根據(jù)瀝青質(zhì)量快速檢測系統(tǒng)可以獲得2個指標值來評價瀝青性能的優(yōu)劣，分別為最大蠕變變形εmax、彈性恢復率R。其中，最大蠕變變形反映瀝青的勁度，最大蠕變變形越小，瀝青勁度越大；彈性恢復率（式（1））可以反映瀝青的變形恢復能力，彈性恢復率越大，瀝青永久變形越?。?0］。

式中：R為彈性恢復率；εu為變形恢復值，mm；εmax為最大蠕變變形值，mm。

ABQT瀝青試驗樣品同針入度試驗樣品類似，試驗開始前將裝有瀝青的試樣盒置于溫度為25 ℃的環(huán)境箱中保溫（60±10） min，取出后進行測試，預加載10 s，空氣壓力加載10 s，卸載10 s，空氣壓力為0.062 MPa，測試溫度25 ℃。

1.2.2 傅里葉變換紅外光譜試驗

現(xiàn)有研究表明［11-12］，羰基指數(shù)IC=O和亞砜基指數(shù)IS=O等特征官能團指數(shù)可以有效表征瀝青的老化程度，因此本研究借助傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）獲取得到不同老化程度下瀝青的FTIR圖譜，根據(jù)式（2）計算得到瀝青的IC=O和IS=O，從微觀角度表征瀝青的老化程度。掃描波數(shù)范圍為4000～600 cm-1，掃描頻率為4 cm-1。

式中：為波數(shù)為i的特征官能團指數(shù)；為波數(shù)為i的吸收峰面積；為波數(shù)為2 000～600 cm-1的吸收峰面積。

1.2.3 瀝青老化動力學方程的構建步驟

隨老化程度的增加，瀝青的性能會發(fā)生規(guī)律性的變化趨勢，借助老化動力學理論，建立瀝青老化動力學方程可以對瀝青的老化性能進行預測，有助于提出合理的養(yǎng)護時機。本研究將借助Petersen［13］提出的瀝青老化非線性微分方程預測模型來建立瀝青老化動力學方程，實現(xiàn)對瀝青老化性能的預測。具體建立步驟如下。

Petersen［13］研究認為，在老化過程中，瀝青內(nèi)部微觀結(jié)構的變化會使瀝青分子活性和氧反應能力降低，基于該發(fā)現(xiàn)提出了瀝青硬化微觀模型，通常以式（3）的非線性微分方程描述

將式（3）分離變量，可得其通解式（5）

設時的瀝青的性能為，將其帶入式（5），可得C表達式

將式（6）帶入式（5）得

令，帶入式（7）即可得瀝青老化動力學方程

式中，為參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 瀝青性能隨老化時間的變化規(guī)律

2.1.1 ABQT試驗結(jié)果分析

根據(jù)1.2.1節(jié)所述步驟，借助瀝青質(zhì)量激光回彈快速檢測系統(tǒng)對不同自然老化時間條件下瀝青的蠕變恢復性能進行測試，所得瀝青全過程變形曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，隨老化時間的延長，瀝青的最大蠕變變形量逐漸減小，說明瀝青的勁度模量值增大，這主要在于老化會導致瀝青內(nèi)部的組分發(fā)生改變，輕質(zhì)組分向重質(zhì)組分發(fā)生了轉(zhuǎn)移，進一步促使瀝青分子內(nèi)部大分子量增加，瀝青的硬度和勁度模量值增大，表現(xiàn)為其蠕變變形恢復能力降低。為定量分析老化對瀝青性能的影響，獲取不同老化程度下瀝青的最大蠕變變形量及彈性恢復率，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨老化時間的延長，瀝青的最大蠕變變形量呈現(xiàn)逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定的變化趨勢，在老化初期（2 a），瀝青的最大蠕變變形量變化幅度最大，可以達到66.25%，而在老化后期，瀝青的最大蠕變變形量變化幅度有所降低，這說明瀝青的自然老化主要發(fā)生在瀝青路面服役初期，在后期瀝青老化速率逐漸降低并最終達到極限老化狀態(tài)。

對于彈性恢復率指標，可以發(fā)現(xiàn)其隨老化時間的延長總體上呈正相關的變化趨勢，表現(xiàn)為瀝青老化程度越深，彈性恢復率值越大，原因在于老化會致使瀝青的黏性成分降低，而彈性成分增加，因此瀝青的彈性恢復能力增強［14］，在相同的溫度和應力條件下，瀝青老化程度越嚴重，則瀝青蠕變總變形和永久變形就越小，同時瀝青總變形中可恢復變形和最大蠕變變形的比例增大促使瀝青的彈性恢復率增大，由此可見老化會對瀝青的黏彈性特性產(chǎn)生重要影響。

此外，由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，在加載階段及卸載階段，瀝青的變形曲線近乎符合對數(shù)函數(shù)形式的變化趨勢，因此本研究采用對數(shù)函數(shù)對老化SBS改性瀝青回彈變形曲線進行擬合，進一步分析老化對瀝青黏彈性能的影響情況，擬合結(jié)果見表2。

由表2可知，當老化時間小于6 a時，SBS改性瀝青擬合變形曲線平滑連續(xù)，擬合系數(shù)R2較高，擬合相關性較高，表明此時瀝青性能變化較穩(wěn)定，老化程度處于較低水平；隨老化時間的延長，SBS改性瀝青擬合變形曲線出現(xiàn)不連續(xù)斷點，擬合系數(shù)R2降低，此時擬合相關性下降，表明瀝青性能變化穩(wěn)定性變差，SBS改性瀝青老化程度嚴重，原因在于老化后期，SBS改性瀝青內(nèi)部組分會出現(xiàn)不均勻性老化現(xiàn)象，進而導致瀝青性能呈現(xiàn)不穩(wěn)定的變化趨勢。

由表2還可知，由于不同老化時間的瀝青變形曲線方程形式相同，僅方程系數(shù)有所差別，因此可自擬合方程提出某個指標表征瀝青的老化程度。本研究具體定義老化瀝青加載、回彈階段擬合方程系數(shù)分別為加載變形速率系數(shù)及回彈變形速率系數(shù)，通過分析瀝青變形速率系數(shù)隨老化時間的變化特征，探究瀝青的老化程度。瀝青變形速率系數(shù)隨老化時間的變化規(guī)律曲線如圖5所示。

由圖5可知，隨老化時間的延長，SBS改性瀝青的加載變形速率系數(shù)和回彈變形速率系數(shù)變化率均呈現(xiàn)先迅速增加，后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，結(jié)果同樣說明SBS改性瀝青的自然老化主要發(fā)生在瀝青路面服役初期，在后期瀝青老化速率逐漸降低并最終達到極限老化狀態(tài)，這與最大蠕變變形量指標所表征的結(jié)論相一致。

2.1.2 紅外光譜試驗結(jié)果分析

為在微觀角度分析SBS改性瀝青的自然老化行為，采用傅里葉變換紅外光譜儀對不同老化程度下瀝青內(nèi)部分子結(jié)構進行測試，獲取得到老化SBS改性瀝青FTIR圖譜，同時計算得到羰基指數(shù)IC=O和亞砜基指數(shù)IS=O值，定量表征瀝青的老化程度。試驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，不同自然老化時間條件下SBS改性瀝青的FTIR譜圖幾乎一致，區(qū)別僅在于某些特征峰吸收強度的變化，主要表現(xiàn)為C=O、S=O及SBS改性劑中C=C吸收峰強度的變化。隨老化時間的延長，SBS改性瀝青C=O及S=O吸收峰的強度逐漸變大，而C=C吸收峰的強度逐漸變小。其中，C=O及S=O等含氧極性官能團吸收峰強度的變化主要在于瀝青老化過程中會發(fā)生吸氧反應，自然老化會導致瀝青內(nèi)部形成羧酸、酮和醛等官能團［15-16］，同時瀝青內(nèi)部的硫元素也容易被氧化為亞砜基官能團，這些含氧極性官能團的生成會促使瀝青內(nèi)部分子之間的相互締合作用加強，導致瀝青的性能發(fā)生變化；同時，長時間的自然老化也會導致SBS改性瀝青中改性劑不斷發(fā)生降解，致使966 cm-1處C=C吸收峰的強度不斷降低。

此外，由圖6（b）可以，隨老化時間的延長，瀝青IC=O和IS=O呈現(xiàn)先快速增加最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，這與由ABQT試驗所獲取的最大蠕變變形和變形速率系數(shù)的變化規(guī)律相一致，進一步證明SBS改性瀝青的自然老化主要發(fā)生在瀝青路面服役初期［17］，同時也可以間接說明采用最大蠕變變形和變形速率系數(shù)去表征瀝青的老化程度是可行的。

2.1.3 ABQT試驗指標表征瀝青老化行為的合理性分析

借助ABQT試驗，通過獲取最大蠕變變形、彈性恢復率、加載變形速率系數(shù)和回彈變形速率系數(shù)等指標評價了自然老化過程中瀝青性能的變化規(guī)律，由于ABQT試驗是一個新的試驗方法，用其評價瀝青性能的合理性還需做進一步驗證，為此，本研究對最大蠕變變形及彈性恢復率與瀝青傳統(tǒng)性能指標（針入度及羰基指數(shù)）之間的相關性進行分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，瀝青最大蠕變變形、彈性恢復率與其針入度和羰基指數(shù)值均表現(xiàn)出較好的相關性，擬合系數(shù)R2均高達0.836以上，這表明隨老化時間的改變，瀝青的各性能指標并不是獨立地發(fā)生變化，這些指標之間存在較好的相關關系，原因在于隨自然老化時間的延長，瀝青分子內(nèi)部含氧極性官能團數(shù)量增多，促使瀝青內(nèi)部分子之間的相互締合作用加強［18］，瀝青分子鏈發(fā)生位移運動時受到的內(nèi)摩擦阻力增大，宏觀上導致瀝青的剛性增加，瀝青的針入度減小，瀝青硬度增大，在空氣壓力加載作用下瀝青不易發(fā)生變形，表現(xiàn)為其最大蠕變變形量也隨之減小。結(jié)果驗證了采用ABQT試驗指標評價瀝青性能的優(yōu)劣是合理可行的，可借助瀝青質(zhì)量激光回彈快速檢測系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)試驗方法對瀝青性能進行評價，進而豐富瀝青老化性能評價手段和指標，有效提高瀝青老化性能評價的準確性和操作便易性。

2.2 瀝青老化動力學方程結(jié)果分析

2.2.1 瀝青老化動力學方程的構建

根據(jù)前文分析結(jié)果，老化瀝青的最大蠕變變形、兩階段變形速率系數(shù)隨老化時間的變化均呈現(xiàn)先快后慢直至趨于穩(wěn)定的規(guī)律，符合非線性微分方程反映的老化行為。因此，本研究將以最大蠕變變形、加載及回彈變形速率系數(shù)為瀝青性能指標，建立瀝青老化動力學方程，分析非線性預測模型對上述指標的適用性。

以老化時間0 a為瀝青老化性能初始狀態(tài)，老化時間9 a為瀝青老化性能最終狀態(tài)，依據(jù)式（8），計算參數(shù)、，確定瀝青老化動力學方程，結(jié)果見表3。

由表3可知，最大蠕變變形、加載變形速率系數(shù)、回彈變形速率系數(shù)與非線性預測模型的擬合系數(shù)分別為0.982、0.985、0.988，表明瀝青老化非線性預測模型對所述指標有很強的適用性，建立的老化動力學方程可以實現(xiàn)對瀝青老化性能的有效預測，這為激光回彈檢測數(shù)據(jù)在瀝青老化性能預測中的應用提供了理論基礎。

2.2.2 SBS改性瀝青自然老化速率計算結(jié)果

對老化動力學方程（式（8））進行一階導數(shù)求導即可得到老化速率方程，用以表征瀝青在不同老化時間下性能變化速率，計算得到SBS改性瀝青各指標老化速率與老化時間關系，如圖8所示。

由圖8可知，自然老化條件下，隨老化時間的延長，SBS改性瀝青材料性能老化速率逐漸降低并最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)，進一步證明SBS改性瀝青的自然老化主要發(fā)生在瀝青路面服役初期。此外，根據(jù)圖8，在0～9 a瀝青最大蠕變變形、加載變形速率系數(shù)和回彈變形速率系數(shù)等性能指標老化速率與老化時間的關系均符合三次函數(shù)模型，因此，本研究通過建立三次函數(shù)模型，然后求解連續(xù)區(qū)間上各函數(shù)模型拐點，以確定SBS改性瀝青性能老化速率變化拐點，結(jié)果見表4。

由表4可知，對于最大蠕變變形、加載變形速率系數(shù)和回彈變形速率系數(shù)指標，其老化速率分別在6.67、5.56、6.67 a出現(xiàn)拐點，在拐點出現(xiàn)之前，瀝青自然老化速率較快，拐點之后，瀝青中輕質(zhì)組分向重質(zhì)化轉(zhuǎn)變且隨著輕質(zhì)組分含量的降低瀝青老化速率減緩，達到拐點年限時瀝青混合料通常呈現(xiàn)瀝青膜脫落、微裂紋等宏觀老化現(xiàn)象，需考慮介入預防性養(yǎng)護措施恢復瀝青性能，防止在拐點之后瀝青老化迅速發(fā)展。由于不同指標拐點時間略有差異，為了確保性能安全，建議在較近的年限，即5.56 a對瀝青路面進行針對性預防性養(yǎng)護。

3 結(jié)論

本研究借助瀝青質(zhì)量快速檢測系統(tǒng)（ABQT）探究了SBS改性瀝青的自然老化行為，分析了相關指標用于評價瀝青老化性能的準確性，并建立了瀝青老化性能非線性預測模型，進一步提出合理的養(yǎng)護時機，為提升瀝青路面養(yǎng)護質(zhì)量提供理論支撐。主要結(jié)論如下。

1）隨老化時間的延長，SBS改性瀝青的最大蠕變變形量逐漸減小，彈性恢復率值及變形速率系數(shù)逐漸增大，同時在老化后期，上述指標的變化速率逐漸降低，表明老化會對瀝青的黏彈性能產(chǎn)生顯著性影響，且SBS改性瀝青的自然老化過程主要發(fā)生在路面服役初期。

2）瀝青最大蠕變變形及彈性恢復率與瀝青傳統(tǒng)性能指標（針入度、羰基指數(shù)）之間具有較好的相關性，可借助瀝青質(zhì)量快速檢測系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)試驗方法對瀝青老化性能進行快速評價。

3）以最大蠕變變形、加載變形速率系數(shù)、回彈變形速率系數(shù)建立了SBS改性瀝青自然老化動力學方程，實現(xiàn)了瀝青老化時間-材料性能雙向計算，同時隨老化時間的延長，這些指標所對應的老化速率值均以三次函數(shù)模型形式衰變，老化速率拐點分別為6.67、5.56、6.67 a，考慮到瀝青混合料性能安全，建議以5.56 a作為介入預防性養(yǎng)護措施恢復瀝青性能的閾值。

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