基于室內模擬試驗的SBS改性瀝青混合料抗老化性能評價

隋嚴春

濟南市規劃設計研究院，山東 濟南 250101

0 引言

在光照、溫度、氧氣和降水等環境因素作用下，瀝青路面產生不可逆的老化反應，瀝青與集料間的黏結力下降，影響瀝青混合料的物理力學性能[1-2]。研究人員通過多種老化試驗分析瀝青混合料路用性能的演變規律。譚憶秋等[3]發現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]發現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]發現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]研究發現水楊酸苯酯、2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮復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]發現蒙脫土與苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene-butadiene-styrene，SBS)復合改性瀝青的抗老化性能較SBS單改性瀝青更優。姜鵬等[8]采用正交試驗研究了瀝青基碳纖維質量分數和拌和時間的變化對改性瀝青3個性能指標的影響，發現當瀝青基碳纖維質量分數為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(thin film oven test，TFOT)和瀝青加速老化試驗(pressurized aging vessel，PAV)，研究了不同老化方式對基質瀝青和SBS改性瀝青3個性能指標的影響，發現SBS改性瀝青的抗老化性能優于基質瀝青。孫科[10]采用旋轉薄膜烘箱老化試驗(rolling thin film oven test，RTFOT)和PAV分析高黏改性瀝青的力學性能。

采用室內模擬老化評價方法對現役瀝青路面抗老化性能的研究還處于起步階段。本文采用室內加速老化試驗模擬瀝青路面在使用過程中所處的環境條件，結合老化后的多項路用性能試驗研究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用提供理論基礎。

1 原材料與配合比

1.1 瀝青膠結料

采用SBS改性瀝青膠結料，主要技術指標如表1所示。

表1 瀝青膠結料主要技術指標

由表1可知SBS改性瀝青膠結料的性能符合文獻[11]相關要求。

1.2 礦料

集料為石灰巖，填料為石灰巖礦粉，礦料合成級配如表2所示。二者的技術指標均滿足文獻[11]的相關要求。

表2 礦料合成級配

由表2可知礦料合成級配符合文獻[11]中的相關要求。

1.3 配合比

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

2 試驗設計

2.1 室內模擬老化試驗

根據瀝青路面所處的環境條件設計室內模擬試驗，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行老化處理，結合老化后的路用性能試驗，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，瀝青膠結料受熱易引發氧化反應，即熱氧老化，日光中的紫外線輻照能力較強，瀝青膠結料在日光輻照下發生分子鏈斷裂或基團脫落等光化學反應，即紫外老化。調查發現，中國夏季瀝青路面溫度可達60 ℃左右，為模擬瀝青路面在服役過程中的老化現象，采用紫外老化耐候儀對瀝青混合料試件進行紫外輻照老化，輻照度為500 W·m-2，試驗溫度為60 ℃，老化1～3周，模擬瀝青路面實際服役時的紫外-熱氧耦合老化。同時，采用60 ℃強制通風烘箱進行同步的獨立熱氧老化試驗。

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瀝青路面的常見病害，根據文獻[12]的相關試驗要求，選用低溫彎曲小梁試驗對瀝青混合料進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萬能試驗機測試-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測定老化后瀝青混合料試件的動穩定度，評價瀝青混合料抵抗永久變形能力。參照文獻[12]相關要求，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，試驗時輪胎壓強為0.7 MPa，試驗溫度為60 ℃，碾壓頻率為42 次/min。

3)水穩定性

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

3 試驗結果與分析

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，經過不同老化時間后SBS改性瀝青混合料的最大彎拉應變如表4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熱氧老化大。原因主要是瀝青膠結料內部分子鏈在高溫下發生氧化反應，部分化學鍵斷裂，材料抗低溫性能下降；紫外線可深入到材料內部微觀結構，長期輻照導致聚氨酯內大部分化學鍵斷裂，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熱氧老化更大。原因是在熱氧環境下，瀝青和改性劑發生老化和裂解，瀝青老化后黏結性下降，變硬變脆，動穩定度增加；改性劑裂解后，改性劑在瀝青中的網狀結構遭到破壞，改性劑在瀝青中的骨架作用減小，動穩定度減小；隨老化時間的延長，改性劑裂解對動穩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定性的影響比單獨熱氧老化更大。原因是隨老化時間的延長，瀝青內部官能團發生氧化反應，飽和分和芳香分轉化為瀝青質，生成羥基官能團、亞砜基等極性或兩性官能團，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重，紫外-熱氧耦合老化后SBS改性瀝青混合料的水穩定性比60 ℃熱氧老化低，水穩定性隨時間的延長呈下降趨勢[22-25]。

4 結論

采用室內老化試驗，分析和評價SBS改性瀝青混合料在長期服役的環境老化后的低溫抗裂性能、抗永久變形性能和水穩定性能，提出室外環境因素對SBS改性瀝青混合料作用的室內模擬方法，采用60 ℃強制通風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)根據低溫彎曲小梁試驗結果，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鍵斷裂，紫外線使自由基逐漸固化，抗彎拉性能下降。

2)根據車轍試驗結果，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定度分別約降低46%、20%，主要原因是改性劑裂解對動穩定度的影響大于瀝青老化，紫外老化加劇改性劑的裂解。

3)根據凍融劈裂試驗結果，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度比分別約降低34%、16%，主要原因是紫外老化加劇瀝青內部官能團的氧化反應，增加了重質組分的比例，瀝青的勁度模量增大，低溫性能隨之降低。

老化試驗結果表明紫外-熱氧耦合老化后SBS改性瀝青混合料的各項路用性能指標均小于熱氧老化，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方法更能真實反映夏季戶外路面狀態，比熱氧老化評價方法更合理。