基質瀝青與SBS改性瀝青老化行為研究

熊奎元　侯劍楠　韋暢明　朱皓

作者簡介：

熊奎元（1990—），工程師，研究方向：瀝青路面、市政檢測;

侯劍楠（1994—），碩士，研究方向：瀝青路面技術咨詢;

韋暢明（1987—），工程師，主要從事高速公路建設管理工作;

朱 皓（1990—），工程師，主要從事試驗管理工作。

摘要：為研究基質瀝青與SBS改性瀝青的老化行為，文章采用室內PAV試驗與室外日照對瀝青進行長期及短期老化，提出老化指數評價指標，并采用軟化點試驗、針入度試驗及BBR試驗對瀝青老化前后性能進行評價。結果表明：SBS改性瀝青的抗老化性能優于基質瀝青;隨老化加重，基質瀝青的軟化點增大，針入度降低，勁度模量增大，使用性能劣化;SBS改性瀝青由于改性劑的持續降解，在長期老化過程中隨老化溫度升高，軟化點先增大后減小，短期老化前期勁度模量先減小后增大。

關鍵詞：基質瀝青;SBS改性瀝青;老化行為;老化指數

中國分類號：U416.217A060203

0 引言

公路是資源運輸流動的重要載體，是社會經濟發展的重要基石。截至2020年年末，我國公路里程達到519.81萬km，其中高速公路為16.1萬km，形成了目前世界最大的公路運輸網絡。而瀝青路面憑借其優良的行車舒適性、建養便捷性以及可重復利用的特點，成為高等級公路路面的主要結構形式。瀝青是一種碳氫化合物和非金屬衍生物的復雜有機高分子材料，其作為瀝青路面的膠結料在日照、高溫及行車荷載等多種自然因素作用下極易發生老化反應，從而引起瀝青路面發生車轍、裂縫等各種病害，降低路面的使用性能及壽命。因此道路工作者展開了大量的瀝青老化行為研究，為探索降低老化對瀝青路面影響的方法提供指導意見。

瀝青的老化貫穿了瀝青混合料拌和樓生產、現場施工和瀝青路面服役全過程的各個階段。瀝青的老化實質是瀝青組分比例在外界因素影響下發生變化，從而導致瀝青性能變化的過程。目前大量的國內外研究均采用三大指標試驗、紅外光譜試驗、凝膠色譜試驗等研究改性瀝青及基質瀝青老化前后性能變化或老化過程組分變化[1-3]，鮮見對老化程度進行定量再展開瀝青性能或老化機理的研究。本文將老化過程分為長期及短期兩個階段，對每個階段的基質瀝青與SBS改性瀝青老化行為展開研究，以期揭示瀝青在老化過程中的性能變化。

1 原材料與試驗評價方法

1.1 原材料

本文試驗用瀝青選擇東海牌70#基質瀝青及岳陽石化生產的成品SBS改性瀝青，其技術指標測試結果如表1所示。

1.2 試驗評價方法

瀝青的長期老化性能采用老化指數評價，其由瀝青材料老化前后性能檢測值變化率計算得到。老化指數計算公式如式（1）所示。

瀝青短期老化性能采用BBR試驗測試瀝青在-18 ℃、-12 ℃、-6 ℃的勁度模量進行評價。

2 SBS改性瀝青長期老化行為研究

2.1 長期老化方案

參考《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011），采用壓力老化試驗（PAV）對SBS改性瀝青及基質瀝青進行長期老化模擬。試驗分兩組，第一組老化溫度控制為90 ℃、100 ℃、110 ℃，時間控制為20 h;第二組老化溫度控制為100 ℃，老化時間分別為16 h、20 h、24 h，老化完成后進行性能檢測。

2.2 試驗結果與分析

瀝青老化前后軟化點及針入度試驗結果如表2所示。

由表2可知：

（1）隨老化溫度升高，老化時間延長，基質瀝青的高溫性能持續改善，而SBS改性瀝青的高溫性能先提高后降低。這是因為隨溫度升高或時間延長，基質瀝青老化加重，瀝青中的瀝青質重組分含量增加，瀝青表現為“更耐熱”，故軟化點持續升高;SBS改性軟化點隨老化時間延長或老化溫度升高，軟化點出現先降低后升高趨勢。這可能是瀝青中的SBS在老化前期出現大量降解，從而軟化點下降，而后期SBS基本完全降解，瀝青的老化作用占據主導地位[4]，因此老化后期又出現軟化點上升現象。

（2）隨老化溫度升高，老化時間延長，基質瀝青與SBS改性瀝青的針入度均呈現持續降低趨勢，這是因為隨時間推進或者溫度升高，兩種瀝青的老化程度均得到進一步加深，瀝青中大量飽和分和芳香分等輕質組分逐漸變成瀝青質，瀝青變得脆硬，從而針入度下降。

（3）根據老化指數計算方法，計算軟化點和針入度的老化指數，并繪制曲線如下頁圖1所示。在兩種老化因素控制條件下，SBS改性瀝青針入度老化指數和軟化點老化指數均低于基質瀝青，說明SBS改性瀝青的老化程度更低，具備更優良的抗老化能力。

3 SBS改性瀝青短期老化行為研究

PAV試驗可以模擬瀝青路面服役5～7年后瀝青膠結料的老化情況，而瀝青中含有大量的飽和分，這種組分在高溫條件下極易發生氧化或揮發，因此對PAV老化瀝青的研究并不能反映出瀝青早期的性能變化。因此本文將開展瀝青短期老化特征研究。

3.1 短期老化試驗方案

將經過RTFOT老化后的基質瀝青和SBS改性瀝青澆于玻璃器皿中，厚度控制為3.2 mm，蓋上玻璃蓋防止雨水和灰塵污染，然后置于室外日照處。每3個月收回部分試樣進行室內試驗。短期老化試驗參數及試件參數如表3所示。

3.2 試驗結果與分析

基質瀝青與SBS改性瀝青短期老化的BBR試驗結果如表4所示。勁度模量是指瀝青在低溫條件抵抗荷載的量值，用以評價瀝青低溫抗變形能力，勁度模量越大，瀝青粘彈性能和韌性越差，瀝青越易脆裂。

（1）瀝青低溫抗裂性能隨溫度降低而劣化。由表4可知，隨試驗溫度降低，兩種瀝青的勁度模量均隨溫度降低而增加，瀝青的低溫抗變形能力減弱。這是因為試驗溫度降低，凍結了瀝青的鏈段運動，瀝青變得脆硬，瀝青中的彈性成分增加，從而低溫性能降低。

（2）隨老化時長增加，基質瀝青的低溫性能降低。由圖2（[HTSS]a）可知，基質瀝青的勁度模量呈現上升趨勢，且先慢后快。這是因為隨老化時間延長，基質瀝青中的瀝青質含量增加，瀝青變得脆硬，老化加重。圖2（[HTSS]a）中前6個月勁度模量增長相對緩慢，而后加快，這是因為進入6月夏季后，室外日照強度及氣溫上升，加速了瀝青老化。

（3）隨老化時長增加，SBS改性瀝青的低溫性能先增加后降低。由圖2（[HTSS]b）可知，隨老化時間延長，SBS改性瀝青的勁度模量呈先減小后增大的現象，這是因為在老化早期，SBS改性劑在日照和高溫作用下仍然會發生降解，在瀝青中分散更充分，從而提高瀝青低溫性能，抵消了瀝青老化帶來的影響，但隨時間延長SBS改性劑發生嚴重降解，瀝青老化加重，此時勁度模量開始反彈上升。

4 結語

本文分別通過PVA老化試驗與室外日照老化模擬瀝青長期與短期老化過程，開展軟化點試驗、針入度試驗及BBR試驗，并提出老化指數對瀝青老化行為展開研究，得出以下結論：

（1）隨PAV老化時間延長或溫度升高，基質瀝青的軟化點增加，針入度下降，這是因為隨老化程度加重，瀝青中的瀝青質重組分增加，瀝青“變硬”;而SBS改性瀝青的軟化點出現先降低后增加的趨勢，這是因為前期SBS降解和后期瀝青老化加重共同作用的結果。

（2）SBS改性瀝青的軟化點老化指數和針入度老化指數均高于基質瀝青，說明SBS改性瀝青具備更優良的抗老化性能。

（3）隨室外老化時間延長，基質瀝青持續老化，且在前6個月老化速率較慢，進入夏季后老化速率提高;SBS改性瀝青在老化前9個月低溫性能有所提高而后進入下降階段，這得益于SBS改性劑再降解在瀝青中分散更充分，從而使勁度模量升高。

參考文獻：

[1]李 晶，劉 宇，張肖寧.瀝青老化微觀機理分析[J].硅酸鹽通報，2014，33（6）：1 275-1 281.

[2]Sun L，Wang Y，Zhang Y.Aging mechanism and effective recycling ratio of SBS modified asphalt[J].Construction & Building Materials，2014（70）：26-35.

[3]馮振剛.紫外光吸收劑對瀝青性能的影響及其作用機理研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[4]徐國慶.不同熱歷史作用下SBS改性瀝青及其混合料性能演變規律研究[D].長沙：湖南大學，2019.

3809501908242