基质沥青与SBS改性沥青老化行为研究

熊奎元　侯剑楠　韦畅明　朱皓

作者简介：

熊奎元（1990—），工程师，研究方向：沥青路面、市政检测;

侯剑楠（1994—），硕士，研究方向：沥青路面技术咨询;

韦畅明（1987—），工程师，主要从事高速公路建设管理工作;

朱 皓（1990—），工程师，主要从事试验管理工作。

摘要：为研究基质沥青与SBS改性沥青的老化行为，文章采用室内PAV试验与室外日照对沥青进行长期及短期老化，提出老化指数评价指标，并采用软化点试验、针入度试验及BBR试验对沥青老化前后性能进行评价。结果表明：SBS改性沥青的抗老化性能优于基质沥青;随老化加重，基质沥青的软化点增大，针入度降低，劲度模量增大，使用性能劣化;SBS改性沥青由于改性剂的持续降解，在长期老化过程中随老化温度升高，软化点先增大后减小，短期老化前期勁度模量先减小后增大。

关键词：基质沥青;SBS改性沥青;老化行为;老化指数

中国分类号：U416.217A060203

0 引言

公路是资源运输流动的重要载体，是社会经济发展的重要基石。截至2020年年末，我国公路里程达到519.81万km，其中高速公路为16.1万km，形成了目前世界最大的公路运输网络。而沥青路面凭借其优良的行车舒适性、建养便捷性以及可重复利用的特点，成为高等级公路路面的主要结构形式。沥青是一种碳氢化合物和非金属衍生物的复杂有机高分子材料，其作为沥青路面的胶结料在日照、高温及行车荷载等多种自然因素作用下极易发生老化反应，从而引起沥青路面发生车辙、裂缝等各种病害，降低路面的使用性能及寿命。因此道路工作者展开了大量的沥青老化行为研究，为探索降低老化对沥青路面影响的方法提供指导意见。

沥青的老化贯穿了沥青混合料拌和楼生产、现场施工和沥青路面服役全过程的各个阶段。沥青的老化实质是沥青组分比例在外界因素影响下发生变化，从而导致沥青性能变化的过程。目前大量的国内外研究均采用三大指标试验、红外光谱试验、凝胶色谱试验等研究改性沥青及基质沥青老化前后性能变化或老化过程组分变化[1-3]，鲜见对老化程度进行定量再展开沥青性能或老化机理的研究。本文将老化过程分为长期及短期两个阶段，对每个阶段的基质沥青与SBS改性沥青老化行为展开研究，以期揭示沥青在老化过程中的性能变化。

1 原材料与试验评价方法

1.1 原材料

本文试验用沥青选择东海牌70#基质沥青及岳阳石化生产的成品SBS改性沥青，其技术指标测试结果如表1所示。

1.2 试验评价方法

沥青的长期老化性能采用老化指数评价，其由沥青材料老化前后性能检测值变化率计算得到。老化指数计算公式如式（1）所示。

沥青短期老化性能采用BBR试验测试沥青在-18 ℃、-12 ℃、-6 ℃的劲度模量进行评价。

2 SBS改性沥青长期老化行为研究

2.1 长期老化方案

参考《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），采用压力老化试验（PAV）对SBS改性沥青及基质沥青进行长期老化模拟。试验分两组，第一组老化温度控制为90 ℃、100 ℃、110 ℃，时间控制为20 h;第二组老化温度控制为100 ℃，老化时间分别为16 h、20 h、24 h，老化完成后进行性能检测。

2.2 试验结果与分析

沥青老化前后软化点及针入度试验结果如表2所示。

由表2可知：

（1）随老化温度升高，老化时间延长，基质沥青的高温性能持续改善，而SBS改性沥青的高温性能先提高后降低。这是因为随温度升高或时间延长，基质沥青老化加重，沥青中的沥青质重组分含量增加，沥青表现为“更耐热”，故软化点持续升高;SBS改性软化点随老化时间延长或老化温度升高，软化点出现先降低后升高趋势。这可能是沥青中的SBS在老化前期出现大量降解，从而软化点下降，而后期SBS基本完全降解，沥青的老化作用占据主导地位[4]，因此老化后期又出现软化点上升现象。

（2）随老化温度升高，老化时间延长，基质沥青与SBS改性沥青的针入度均呈现持续降低趋势，这是因为随时间推进或者温度升高，两种沥青的老化程度均得到进一步加深，沥青中大量饱和分和芳香分等轻质组分逐渐变成沥青质，沥青变得脆硬，从而针入度下降。

（3）根据老化指数计算方法，计算软化点和针入度的老化指数，并绘制曲线如下页图1所示。在两种老化因素控制条件下，SBS改性沥青针入度老化指数和软化点老化指数均低于基质沥青，说明SBS改性沥青的老化程度更低，具备更优良的抗老化能力。

3 SBS改性沥青短期老化行为研究

PAV试验可以模拟沥青路面服役5～7年后沥青胶结料的老化情况，而沥青中含有大量的饱和分，这种组分在高温条件下极易发生氧化或挥发，因此对PAV老化沥青的研究并不能反映出沥青早期的性能变化。因此本文将开展沥青短期老化特征研究。

3.1 短期老化试验方案

将经过RTFOT老化后的基质沥青和SBS改性沥青浇于玻璃器皿中，厚度控制为3.2 mm，盖上玻璃盖防止雨水和灰尘污染，然后置于室外日照处。每3个月收回部分试样进行室内试验。短期老化试验参数及试件参数如表3所示。

3.2 试验结果与分析

基质沥青与SBS改性沥青短期老化的BBR试验结果如表4所示。劲度模量是指沥青在低温条件抵抗荷载的量值，用以评价沥青低温抗变形能力，劲度模量越大，沥青粘弹性能和韧性越差，沥青越易脆裂。

（1）沥青低温抗裂性能随温度降低而劣化。由表4可知，随试验温度降低，两种沥青的劲度模量均随温度降低而增加，沥青的低温抗变形能力减弱。这是因为试验温度降低，冻结了沥青的链段运动，沥青变得脆硬，沥青中的弹性成分增加，从而低温性能降低。

（2）随老化时长增加，基质沥青的低温性能降低。由图2（[HTSS]a）可知，基质沥青的劲度模量呈现上升趋势，且先慢后快。这是因为随老化时间延长，基质沥青中的沥青质含量增加，沥青变得脆硬，老化加重。图2（[HTSS]a）中前6个月劲度模量增长相对缓慢，而后加快，这是因为进入6月夏季后，室外日照强度及气温上升，加速了沥青老化。

（3）隨老化时长增加，SBS改性沥青的低温性能先增加后降低。由图2（[HTSS]b）可知，随老化时间延长，SBS改性沥青的劲度模量呈先减小后增大的现象，这是因为在老化早期，SBS改性剂在日照和高温作用下仍然会发生降解，在沥青中分散更充分，从而提高沥青低温性能，抵消了沥青老化带来的影响，但随时间延长SBS改性剂发生严重降解，沥青老化加重，此时劲度模量开始反弹上升。

4 结语

本文分别通过PVA老化试验与室外日照老化模拟沥青长期与短期老化过程，开展软化点试验、针入度试验及BBR试验，并提出老化指数对沥青老化行为展开研究，得出以下结论：

（1）随PAV老化时间延长或温度升高，基质沥青的软化点增加，针入度下降，这是因为随老化程度加重，沥青中的沥青质重组分增加，沥青“变硬”;而SBS改性沥青的软化点出现先降低后增加的趋势，这是因为前期SBS降解和后期沥青老化加重共同作用的结果。

（2）SBS改性沥青的软化点老化指数和针入度老化指数均高于基质沥青，说明SBS改性沥青具备更优良的抗老化性能。

（3）随室外老化时间延长，基质沥青持续老化，且在前6个月老化速率较慢，进入夏季后老化速率提高;SBS改性沥青在老化前9个月低温性能有所提高而后进入下降阶段，这得益于SBS改性剂再降解在沥青中分散更充分，从而使劲度模量升高。

参考文献：

[1]李 晶，刘 宇，张肖宁.沥青老化微观机理分析[J].硅酸盐通报，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]冯振刚.紫外光吸收剂对沥青性能的影响及其作用机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[4]徐国庆.不同热历史作用下SBS改性沥青及其混合料性能演变规律研究[D].长沙：湖南大学，2019.

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