SBS改性瀝青熱老化過程的流變性能研究

磨巧梅 孫宗丹 楊洋

摘要：為研究SBS改性瀝青短期老化和長期老化過程中的流變性能，文章采用動態剪切流變試驗，研究了老化過程中瀝青流變參數的變化規律。結果表明：SBS改性瀝青與基質瀝青在老化過程中復數模量增加，相位角減小，損失模量與車轍因子增加，說明在老化作用下瀝青彈性成分升高，瀝青變硬變脆，疲勞性能降低，但增強了瀝青高溫抗變形能力;SBS改性瀝青相對于基質瀝青改變幅度要小，表明SBS改性劑可以抑制瀝青老化進程，對瀝青的低溫抗裂性和高溫抵抗車轍能力起到積極作用。

關鍵詞：改性瀝青;老化;相位角;損失模量;車轍因子

0 引言

道路瀝青作為最主要的路面材料，其中SBS改性瀝青在路面層使用的比例高達35%，因此針對SBS改性瀝青的研究是非常必要的。瀝青在其長期的服役過程中，受到溫度、氧氣、紫外線、水分子及人為等因素的影響會導致其性能衰退，大大縮短其使用壽命[1-3]。因此研究瀝青在老化過程中的流變性能，對掌握路面老化機理，預測路面的壽命周期，掌握路面變形規律具有重要意義。

通過旋轉薄膜試驗（RTFOT）能夠模擬瀝青短期老化過程，通過壓力老化試驗（PAV）能夠模擬長期老化過程，目前已有一定研究，但針對SBS改性瀝青與基質瀝青在流變參數、疲勞特性、抗變形能力上的對比研究涉及很少[4-5]。基于此，本文采取溫度掃描試驗對比了SBS改性瀝青流變性能隨老化作用時間變化的規律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗為研究SBS改性劑對老化過程中瀝青流變性能的影響，特選用國產70號道路基質瀝青做對比試驗。兩種瀝青性能指標按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（T0604-2011）規定操作，如下頁表1、表2所示。

1.2 試驗方案

本試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》采取旋轉薄膜加熱試驗（RTFOT）模擬瀝青短期老化過程，按照《Superpave瀝青膠結料規范》采用壓力老化試驗（PAV）模擬瀝青長期老化過程。

采用MCR101型動態剪切流變儀（DSR）對短期、長期老化基質瀝青和改性瀝青進行動態剪切流變試驗的溫度掃描試驗：作用頻率為10 rad/s，溫度掃描范圍為30 ℃～80 ℃。DSR試驗可以在較大溫度范圍和較大應力范圍內進行，瀝青混合料路面疲勞性能和車轍均表現出典型的大應力變形特性，因此DSR試驗可以真實地模擬路面環境下瀝青混合料的路用性能。

通過DSR動態剪切流變試驗得到基質瀝青和SBS改性瀝青在一定溫度、頻率范圍的流變參數——相位角δ、損失模量G*sinδ及車轍因子G*/sinδ。其中相位角δ表征瀝青黏性成分所占比例，瀝青黏性成分越高則δ值越高;G*sinδ表征瀝青的疲勞性能，G*sinδ越高，說明瀝青抗疲勞性能越強;G*/sinδ表征瀝青在高溫下的抗變形能力，G*/sinδ越大，瀝青高溫抗車轍能力越強。

2 數據與結果分析

2.1 相位角分析

基質瀝青和SBS改性瀝青經過實驗室模擬短期老化、長期老化過程后，采取DSR所測得的溫度對其相位角（δ）影響如圖1和圖2所示。

如圖1所示，在短期和長期老化過程中，基質瀝青相位角有較大的溫度敏感性：相位角δ隨著溫度升高而增加，但老化程度不同增大幅度不同。從短期老化到長期老化，老化時間延長相位角增長幅度隨之增加，表明溫度和老化均改變了基質和改性瀝青的流變性能。這是因為在動態剪切試驗中，隨著溫度從30 ℃提高到80 ℃，瀝青變軟，黏性成分增強，彈性成分減少，致使瀝青的相位角隨著溫度升高而增加。在70 ℃～80 ℃溫度范圍內，可以觀察到未老化的基質瀝青的相位角值最大接近90°，這表明此時瀝青幾乎處于流體狀態。而在經過短期和長期老化后，在相同溫度范圍內相位角較小。

此外在相同溫度下，隨著老化時間延長，瀝青相位角總體減小，這是因為老化會使瀝青變硬，但在高溫時，原樣瀝青、短期老化瀝青和長期老化瀝青相位角值趨于一致，表明溫度對相位角的影響較大。

由圖2可以看出，與基質瀝青一致，SBS改性瀝青相位角也隨著溫度升高而增大。但是可以明顯看出在50 ℃～70 ℃的溫度范圍內，相位角的值出現了一段幾乎不變化的平衡區，這個平衡區表明SBS改性劑對瀝青的粘彈性能產生了顯著影響，延遲改性瀝青由彈性狀態向粘流狀態的遷移。這是由于SBS改性劑主體的網絡三維結構，提升了瀝青分子之間的粘結力，使瀝青分子通過SBS改性劑連接更為緊密，抑制瀝青在一定的溫度范圍內由彈性狀態向粘流狀態轉移，但是當溫度提高到75 ℃以上，網絡三維結構也由于高溫而破壞，SBS的抑制作用消失，相位角恢復增加趨勢。

2.2 損失模量分析

美國公路戰略計劃SHRP研究成果表明，瀝青的復數模量G*與sinδ乘積可以用來評價瀝青的疲勞性能，并命名為損失模量。G*sinδ越小，表明瀝青在試驗反復加載卸載過程作用下消耗能量較小，抵抗疲勞變形能力就越高。

從圖3和圖4可以看出，基質瀝青與改性瀝青的G*sinδ從原樣、短期老化到長期老化明顯增加，這表明兩種瀝青經過老化抗疲勞性能降低，抵抗開裂能力變弱。這與實際環境中，使用時間越長，開裂變形得越嚴重的形象相符。

但是對比基質與SBS改性瀝青，隨著老化程度加深基質瀝青G*sinδ增長明顯，但SBS改性瀝青G*sinδ增長趨勢與基質瀝青表現出不同特點，從原樣瀝青老化到短期階段，G*sinδ增長明顯，但從短期老化到長期老化，雖然G*sinδ仍然增長但增長趨勢減緩，增長曲線接近，這可以很好地表明改性劑SBS明顯提高了瀝青抵抗疲勞的性能。

2.3 車轍因子分析

SHRP研究成果表明，瀝青的復數模量G*與sinδ之商可以用來評價瀝青的抵抗高溫變形的能力，并將其命名為車轍因子，G*/sinδ越小表明瀝青高溫抗變形能力越差，抗車轍能力越弱。

圖5和圖6表明，在30 ℃～80 ℃的溫度范圍內，基質瀝青和SBS改性瀝青車轍因子G*/sinδ隨著溫度的升高呈現出線性減小趨勢，并且隨著老化程度的加深，基質瀝青和SBS改性瀝青的G*/sinδ都顯著增加，表明老化在某種程度下改善了瀝青的高溫抗車轍能力。這是由于隨著老化，瀝青變硬變脆，一定程度上提高了抗永久變形能力。另外，基質瀝青的車轍因子G*/sinδ在未老化前就較SBS改性瀝青要小，表明基質瀝青的抗車轍變形能力弱于SBS改性瀝青。經過短期或長期老化后，SBS改性瀝青的G*/sinδ仍比基質瀝青大，但老化時間若繼續延長，瀝青變得更脆，SBS改性瀝青的G*/sinδ較基質瀝青要小，單從車轍因子G*/sinδ這個角度表明改性瀝青抗高溫抗變形能力的優勢不再明顯。

3 結語

（1）在考慮老化作用條件下，采用RTFOT試驗模擬瀝青短期老化過程，PAV試驗模擬瀝青長期老化過程，隨著老化程度的加深，瀝青逐漸變脆變硬，復數模量增加，相位角減小，損失模量及車轍因子增加，表明老化條件下，瀝青彈性成分有所增加，黏性成分減小，彈性恢復能力降低，抗疲勞性能降低，但抵抗變形能力有所增強。

（2）對比同樣老化程度的基質瀝青和改性瀝青，流變參數相位角、損失模量及車轍因子的增減幅度均有所減小，表明SBS改性劑的網絡結構可以抑制瀝青老化進程。

（3）根據溫度掃描試驗，隨著溫度的提升，瀝青的相位角增加明顯，表明瀝青溫度敏感性較大，但瀝青對老化的敏感性隨著老化時間的延長而減小。

參考文獻：

[1]Christensen R M.Theory of Viscoelasticity[M].New York：Academic Press，1982.

[2]張文剛，師 郡.瀝青混合料室內加速熱氧老化特性與預估[J].科學技術與工程，2017，17（24）：279-282.

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[5]徐世法，朱照宏.高等級道路瀝青路面車轍的預測方法[J].土木工程學報，1993，26（6）：28-36.

收稿日期：2020-06-05