SBS改性沥青老化特性及模拟老化试验方法研究

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(1.湖南省通盛工程有限公司， 湖南 长沙 410004; 2.长沙理工大学 道路结构与材料交通行业重点实验室， 湖南 长沙 410114)

0 引言

随着我国公路交通事业的发展和节能环保理念的增强，沥青的老化与再生利用问题越来越受到重视。在某种意义上SBS改性沥青再生是其老化的逆过程，研究SBS改性沥青的老化特性有助于认识旧SBS改性沥青再生规律，为旧SBS改性沥青恢复优良路用性能提供基础。引起沥青发生老化的因素较多且复杂：短期使用中，储存、拌合、施工等过程会发生老化；长期服役时，高温天气、氧气、光等因素均可导致沥青挥发、氧化、聚合而变硬变脆[1]。研究认为，对于沥青材料，长时间的热氧老化是沥青路用性能降低的主要影响因素。学者们并对沥青老化特性开展了一系列研究[2-5]。

有研究者设计了室内试验来模拟沥青在不同时间段老化的过程，但是方法各异[5-8]。如栗培龙[9]设计对比了5种与时间相关的老化试验来研究沥青老化模型，探究了163 ℃温度下85、180、 360 min的旋转薄膜烘箱老化(RTFOT)，20 h的压力老化(PAV)，5、10、15、20 d的60 ℃烘箱通风老化，24、48、120、240 h的163 ℃高温无氧热老化，以及紫外光照射120、240、360、480 h后的紫外光老化。其试验结果表明，道路沥青的长期老化可以用延时RTFOT老化进行模拟，该方法的优点是试验速率快、周期短、方便快捷、数据可靠性高。而烘箱60 ℃老化速率太慢且仅对应夏季高温对路面的老化破坏。无氧老化模拟试验因为隔绝了氧气，沥青几乎没有发生老化。虽然该研究表明紫外线会对沥青老化产生显著影响，但是大部分研究还是认为沥青的老化以热氧老化为主。所以该研究表明延时RTFOT能代替PAV模拟沥青长期老化情况。因此，本文将采取类似的模拟老化试验方法，对SBS改性沥青进行不同高温加热时间模拟老化，通过沥青常规性能指标和动态剪切流变性能指标的试验对比，探讨这些性能指标随模拟老化时间的变化规律，并建立这些老化特性与模拟老化时间的拟合关系，为SBS改性沥青老化性能评价提供试验依据，并指导再生沥青路面工程实践。

1 老化试验方法

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[10]，薄膜烘箱老化(TFOT)与旋转薄膜烘箱老化(RTFOT)均可用于模拟沥青的老化现象，且TFOT与RTFOT可以互相替换。TFOT与RTFOT试验在盛样器具尺寸及材质、旋转方式、沥青的运动状态、吹气方式、加热膜厚等方面存在差异。TFOT试验采用的是内径为140 mm、深约10 mm的不锈钢或铝制浅碟型盛样皿，而RTFOT采用的是外径64 mm、深约140 mm的瘦长状玻璃材质盛样瓶。TFOT为水平鼓风旋转加热，加热时沥青膜厚约3.2 mm，且盛样皿中沥青相对静止，而RTFOT为垂直吹气旋转加热，沥青膜厚为5～10 μm，盛样瓶中沥青为运动状态。所以同等温度时间条件下，RTFOT老化的沥青老化程度高于TFOT老化试验，TFOT试验要将沥青老化至与RTFOT试验同等老化程度所需要的时间长一些。但是由于SBS改性沥青粘度比普通道路沥青大得多，RTFOT试验的盛样瓶取出来后冷却得快，且刮取难度大，每完成一次RTFOT试验仅可获得不到80 g的老化SBS改性沥青，而且清洗盛样瓶所消耗的时间非常多。而TFOT则相反，从TFOT烘箱中一取出盛样皿就可以立即刮出大量老化SBS改性沥青，每次试验可以获得150 g左右的沥青，由于TFOT盛样器皿为敞开碟状，清洗十分方便，TFOT的试验效率更高。所以本文采用TFOT老化试验来模拟SBS改性沥青在野外不同时间老化的情况。

模拟老化试验时，将新SBS改性沥青置于163 ℃条件下的TFOT烘箱中，分别加热老化0、6、12、18、24、30、36、42、48 h。通过测试不同时间老化后SBS改性沥青的常规试验指标及动态剪切流变性能指标来研究SBS改性沥青在不同老化时间下性能变化。

2 老化沥青性能指标试验分析

2.1 常规性能指标分析

按照试验规范标准方法[10]对不同老化时间的SBS改性沥青进行常规性能指标试验，三大指标试验结果见表1。

由表1可知，25 ℃针入度随着老化时间的延长，针入度逐渐减小，从4.9 mm逐步降到1.32 mm，老化48 h的25 ℃针入度仅为未老化改性沥青的27%，说明TFOT老化48 h的SBS改性沥青已经严重劣化，沥青的柔性特征在老化过程中随时间降低。

表1 不同老化时间沥青常规性能指标Table 1 Conventional performance index of asphalt with differ-ent aging time老化时间/h25 ℃针入度/(0.1 mm)5 ℃延度/cm15 ℃延度/cm软化点/℃049.029.0108.476.9644.822.676.474.81241.015.153.969.81837.311.536.766.32434.08.624.670.13026.15.917.171.03621.0脆断12.871.74215.7脆断10.472.14813.2脆断7.772.8

5 ℃与15 ℃延度均随老化时间的增加而减小。5 ℃延度能反映沥青的低温脆性，老化36、42和48 h的SBS改性沥青均发生脆断，说明沥青在使用后期其低温抗裂性能已经严重不足，用于支撑沥青延性的轻质组分大量挥发。从表1中可以看出，15 ℃的延度变化规律与5 ℃一致。

SBS改性沥青的软化点在老化过程中呈现先降低后有小幅度升高规律。这主要是因为SBS改性沥青老化过程中不仅有基质沥青的老化，还有SBS改性剂聚合物长链断裂的过程，改性剂降解使得沥青的软化点降低。老化前期改性剂降解对软化点降低的程度大于基质老化对软化点升高的程度，因此软化点呈现下降的趋势。随着老化的进行，改性剂降解完成，基质沥青的老化对软化点的变化起主导作用，因此老化后期，随着老化时间的延长，沥青软化点又呈现升高的趋势。

由表2可知，135 ℃布氏粘度随时间推移而增大，说明随着老化时间的增加，老化沥青的内部粘聚力逐渐增强，流变性能减小，材料逐渐失去柔性特征。

表2 不同老化时间沥青135 ℃布氏粘度值Table 2 Brucelli viscosity of asphalt at 135 ℃ at different aging time (Pa·s)老化时间/h135 ℃黏度老化时间/h135 ℃黏度02302.53 62.13362.62 122.25 422.69 182.34 482.74 242.44

2.2 高温动态剪切流变性能指标分析

对不同老化时间的沥青分别进行了高温时的动态剪切流变试验，试验结果见表3。

表3 不同老化时间沥青高温动态剪切流变试验结果Table 3 Dynamic shear rheological test results of asphalt at dif-ferent aging time老化时间/h温度/℃G∗/kPaδ/(°)(G∗/sinδ)/kPa失效温度/℃642.3669.102.530701.1772.001.2373.84760.5775.400.59645.1866.305.666702.7169.402.9075.06761.6272.201.70820.8475.000.87646.0962.506.8712703.1468.503.3881.47761.7871.901.87820.8874.100.92646.2661.107.15703.9264.104.3618761.8266.801.9883.74821.0269.501.09880.7471.400.78648.9158.7010.43705.2763.305.9024763.3466.503.6487.25821.4768.901.58880.8771.400.92649.3456.4011.22705.4559.506.3330763.1862.303.5989.87821.8565.102.04881.0767.901.16940.6270.700.666411.5953.7014.39706.5357.207.7736763.5462.204.0092.24821.9564.602.16881.1367.501.22940.8569.600.916415.2050.4019.737010.3652.3013.10767.4054.409.1042823.9656.804.73100.23882.4559.802.84941.5162.401.701000.9365.001.031060.5758.100.676418.7052.1023.717013.9654.8017.09769.0057.6010.66825.9560.206.8648883.9563.204.43106.78952.5966.402.831001.8768.702.011061.0671.901.121120.7874.500.81

由表3可知，SBS改性沥青的失效温度随着老化时间递增，说明沥青在老化过程中变硬。相同温度下沥青相位角δ随老化时间减小，复数模量G*随老化时间延长而增大，沥青的粘性成分G*/sinδ随着老化时间的增加而升高，损失剪切柔量降低，脆性增强。即沥青老化时间越长，沥青的流动变形越小，抗车辙能力越强，沥青的高温稳定性越好。

综上所述，随时间的推移，沥青在逐步老化，路用性能随时间成规律性劣化。对于沥青常规性能指标，针入度和延度逐渐减小，软化点先降低后升高，粘度逐渐增大；对于动态剪切流变指标，同一温度情况下，复数模量G*逐渐增大，相位角δ逐渐减小，且车辙因子G*/sinδ逐渐增大，失效温度也逐渐提高。SBS改性沥青在热氧环境下变硬变脆，路用性能的劣化与时间存在一定的规律性。

3 老化沥青性能指标与老化时间拟合关系

将模拟老化沥青的性能指标与老化时间关系进行拟合，可将老化现象量化，有助于更准确地发掘沥青的老化规律。研究表明，沥青老化特性与老化时间存在非线性关系，在初期，沥青老化速率大，在后期随着时间的推移，沥青老化速率逐渐放缓，最后达到平衡[11]。

3.1 常规性能指标与老化时间拟合关系

取不同TFOT老化时间对应的性能指标数据绘成散点图，并对每个性能指标与老化时间的关系进行回归分析，回归公式类型主要为线性、多项式和指数函数形式，取3种回归公式中相关系数最大的函数作为该指标的回归公式。

a.针入度。

沥青针入度是各国道路研究工作者普遍认可的沥青物理性能评价指标之一，作为道路沥青分级指标，针入度指标试验具有便捷性，且数据可靠，广为道路研究工作者使用。一般来说稠度大、较硬的沥青针入度较小，而稠度小、较软的沥青针入度较大。不同TFOT老化时间对应的SBS改性沥青针入度数据拟合结果见图1。

图1 25 ℃针入度随老化时间的变化Figure 1 The change of needle penetration at 25 ℃ with aging time

由图1可知，随着TFOT老化时间的延长，SBS改性沥青25 ℃针入度值不断减小。0～18 h TFOT老化过程中，针入度值的降幅较大，说明热氧老化在沥青使用前期反应剧烈程度相对于老化后期要大。虽然老化时间越长的SBS改性沥青其材料性能不及老化时间短的SBS改性沥青，但是变化幅度逐渐减小。并且，25 ℃针入度与TFOT老化时间关系的回归公式为二次函数形式时，其相关系数最大，达到0.9885。

b.延度。

沥青的延度可以反映其在一定温度下抵抗拉伸破坏的能力，尤其是老化后沥青的低温延度与沥青路面的使用性能有密切关系。有研究表明，当老化后的低温延度小于20 cm时，路面的开裂现象较多。不同TFOT老化时间对应的5 ℃和15 ℃延度数据拟合结果见图2和图3。

图2 5 ℃延度随老化时间的变化Figure 2 The change of ductility at 5 ℃ with aging time

图3 15 ℃延度随老化时间的变化Figure 3 The change of ductility at 15 ℃ with aging time

由图2和图3可知，随着TFOT老化时间的延长，SBS改性沥青5 ℃和15 ℃延度值不断减小。0～12 h TFOT老化过程中，延度值的降幅较大，说明热氧老化在沥青使用前期反应剧烈程度相对于老化后期要大，与针入度试验结果一致。SBS改性沥青路面在长期使用过程中，热氧老化先急后缓，会经历一个材料性能劣化的缓冲期。但是，由图可知，经过TFOT老化30 h以上的SBS改性沥青，其5 ℃延度均为脆断，15 ℃延度值中，老化30 h以上的SBS改性沥青延度也仅有12.8、10.4和7.7 cm，说明沥青在老化后期严重变性，其延性随着沥青的老化大幅度降低，尽管沥青的热氧老化随使用时间逐渐稳定，但稳定后的沥青材料性质已经不具有沥青优良的路用性能。

由图2可知，5 ℃延度与TFOT老化时间关系的回归公式为二次项时，其相关系数最大，达到0.9851。由图3可知，15 ℃延度与TFOT老化时间关系的回归公式为指数函数时，其相关系数最大，达到 0.9990。

c.软化点。

软化点表征沥青的温度稳定性能，软化点高说明沥青的耐热性能好，在热环境中不容易软化。沥青的老化会导致软化点的升高，但是由于SBS改性沥青的SBS改性剂会随着老化发生降解，降低老化沥青的软化点，而基质沥青老化又会使沥青的软化点升高，在SBS改性沥青整个老化过程中，两种老化机制相互作用，致使老化SBS改性沥青软化点变化出现波动。不同TFOT老化时间对应的软化点数据拟合曲线见图4。

图4 软化点随老化时间的变化Figure 4 The change of softening point with aging time

由图4可知，正是由于SBS改性沥青的软化点影响因素复杂，测试结果不稳定，难以找到拟合精度高的软化点与老化时间的关系公式。

d.135 ℃布氏粘度。

粘度是流体流变特性的一种量度，可以反映流体材料发生流动变形时其内部分子间摩擦阻力的大小。在SBS改性沥青性能随老化时间变化规律的研究中，135 ℃布氏粘度也可以作为参考。不同TFOT老化时间对应的135 ℃布氏粘度数据拟合曲线见图5。

图5 135 ℃布氏黏度随老化时间的变化Figure 5 The change of Brucelli viscosity at 135 ℃ with aging time

由图5可知，SBS改性沥青的135 ℃布氏粘度随TFOT老化时间的延长而增大。这是因为在热氧老化的过程中，SBS改性沥青发生氧化使分子质量变大，加上SBS改性沥青中轻质组分的挥发，导致分子间缺乏润滑而使SBS改性沥青内部分子运动的阻力增大，老化后的SBS改性沥青流动性变差。并且，135 ℃布氏黏度与TFOT老化时间关系的回归公式为二次项时，其相关系数最大，达到0.9992。

3.2 高温动态剪切流变性能指标与老化时间拟合关系

沥青是粘弹性材料，SBS改性沥青动态剪切流变指标随时间老化的过程能直观反映不同老化程度的SBS改性沥青流变性能的变化。取不同TFOT老化时间对应的高温动态剪切流变性能指标数据绘成散点图，并对高温车辙因子、相位角和失效温度与老化时间数据进行回归分析，回归公式类型主要为线性、多项式和指数函数关系，取三种公式中相关系数最大的函数作为该指标的回归公式。

a.高温车辙因子G*/sinδ。

动态剪切流变试验中的高温车辙因子G*/sinδ能够很好地反映沥青的高温稳定性，高温车辙因子越大说明该沥青的抗车辙性能越差，高温车辙因子可以用来表征沥青老化路用性能。不同TFOT老化时间对应的64 ℃高温车辙因子G*/sinδ数据拟合曲线见图6。由图6可知，SBS改性沥青64 ℃高温车辙因子G*/sinδ随老化时间延长而呈现增大的趋势。但是相对于常规性能指标，SBS改性沥青64 ℃高温车辙因子G*/sinδ略显离散，这是由于SBS改性剂在基质沥青中随着热氧老化反应发生裂解，使得SBS改性沥青老化的过程更加复杂，但基质沥青的热氧变化仍占主导，所以SBS改性沥青的64 ℃高温车辙因子G*/sinδ随老化时间总体呈增大的趋势。有研究表明，沥青的高温车辙因子G*/sinδ与60 ℃黏度相关性良好，与其他指标相比，沥青的高温车辙因子G*/sinδ与60 ℃粘度对沥青内部影响其黏度的因素更为敏感。

由图6可知，64 ℃高温车辙因子G*/sinδ与TFOT老化时间对应的回归公式为指数函数时，其相关系数最大，达到0.9827。

图6 64 ℃高温车辙因子G*/sinδ随老化时间的变化Figure 6 The change of high temperature rutting factor G*/sinδ at 64 ℃ with aging time

b.相位角δ。

相位角δ可以反映沥青在某个温度条件下的粘弹性，道路研究者指出60～70 ℃温度下沥青动态剪切流变性能指标能较好地反映夏季持续高温状态下沥青的路用性能，所以64 ℃相位角δ既能表征64 ℃状态下沥青的粘弹性，又能表征沥青的高温稳定性。不同TFOT老化时间对应的64 ℃相位角δ数据拟合曲线见图7。

由图7可知，SBS改性沥青64 ℃相位角δ随老化时间的延长而减小。64 ℃相位角δ与TFOT老化时间对应的回归公式为指数函数时，其相关系数最大，达到0.9930。

图7 64 ℃相位角δ随老化时间的变化Figure 7 The change of phase angle δ at 64 ℃ with aging time

c.失效温度。

美国战略公路研究计划SHRP使用G*/sinδ来评价沥青的抗高温车辙性，在对沥青进行PG分级时，要求原样沥青的G*/sinδ不小于1 kPa，而G*/sinδ等于1 kPa所对应的温度即为该沥青的高温失效温度。不同TFOT老化时间对应的高温失效温度数据拟合曲线见图8。

图8 失效温度随老化时间的变化Figure 8 The change of failure temperature with aging time

由图8可知，SBS改性沥青的失效温度随TFOT老化时间延长而增大，说明老化现象导致SBS改性沥青抗变形能力增强，SBS改性沥青材料的粘弹性发生变化，SBS改性沥青的粘弹性由以粘性特征为主转化为弹性特征为主，与上述PG分级指标变化一致。并且，高温失效温度与TFOT老化时间对应的回归公式为二次项时，其相关系数最大，达到0.9739。

4 SBS改性沥青模拟老化方法探讨

前一节分别对经历不同时间TFOT老化的SBS改性沥青分别进行了常规性能指标和动态剪切流变指标的评价分析，并提出了各指标与老化时间的拟合公式。按相关系数最大所选择的各指标拟合公式汇总见表4。

由表4可知，各指标拟合公式相关系数大小排序为：135 ℃黏度>15 ℃延度>64 ℃相位角δ>25 ℃针入度>5 ℃延度>64 ℃高温车辙因子G*/sinδ>失效温度>软化点。事实上，除了软化点之外，其它指标均与老化时间具有很好的拟合关系。

表4 模拟老化SBS改性沥青各性能指标拟合公式汇总Table 4 Summary of fitting formula of performance index for simulated aging SBS modified asphalt沥青指标公式相关系数回收沥青性能指标对应回收沥青性能指标值的老化时间/h25 ℃针入度/0.1 mmy=-0.002 7 x2 -0.654 5 x+49.228 5R2=0.988 524.033.7 5 ℃延度/cmY=0.011 5 x2-1.160 7 x+28.794 6R2=0.985 115 ℃延度/cmy=108.637 4 e-0.059 6 xR2=0.999 013.934.5软化点/℃y=-0.000 4 x3+0.040 2 x2-1.087 9 x+77.834 3R2=0.703 671.834.2135 ℃黏度/(Pa·s)Y=-0.000 1 x2+0.021 4 x+2.002 9R2=0.999 22.6334.864 ℃ (G∗/sinδ)/kPay=3.826 2 e0.038 1 xR2=0.982 711.8229.864 ℃相位角δ/(°)y=69.077 2 e-0.007 1 xR2=0.993 057.924.7失效温度/℃Y=0.006 0 x2+0.366 4 x+74.171 9R2=0.973 989.728.9

由空白抽提标定试验可知，针入度的稳定性优于其他沥青指标。所以针入度是评价SBS改性沥青老化程度的首选指标。由于沥青老化较为严重时5 ℃延度为脆断状态，而软化点与老化时间规律不明显，因此在利用老化沥青性能指标与老化时间关系来模拟制备与现场老化沥青性能一致的老化沥青时，不考虑这两个指标与老化时间的拟合关系。另外相位角δ虽能反映沥青的粘弹性能变化情况，但必须与复数模量同时考虑才能准确地反映沥青的高温性能。

通过以上分析，在计算室内TFOT老化模拟抽提旧沥青的老化时间主要考虑以下几个指标：针入度、15 ℃延度、135 ℃粘度、失效温度、64 ℃车辙因子。通过将抽提旧沥青的指标(如表5、表6所示)代入上述指标与老化时间的拟合公式，求出对应的老化时间，结果见表5对所求得的5个老化时间取均值为32.3 h，现取模拟老化时间为32h。

为了检验基于上述5个指标与老化时间拟合公式所确定的TFOT模拟老化时间制备的老化沥青能否模拟回收的旧SBS改性沥青，对TFOT老化32 h的SBS改性沥青进行了上述各项性能指标检测，结果见表5、表6。

由表5和表6可知，模拟老化沥青的软化点、粘度指标高于回收旧沥青的指标，针入度、延度和高温动态剪切流变指标稍低于抽提沥青的测试值。因为抽提旧沥青是经过三氯乙烯溶剂溶解后再蒸发浓缩后获得的，三氯乙烯的残留会对沥青指标造成一定的影响，所以抽提旧沥青的性能指标与TFOT老化沥青性能指标有差异。总之，TFOT模拟老化32 h的SBS改性沥青能很好地模拟抽提回收旧SBS

表5 模拟老化沥青与回收旧沥青的常规性能指标对比Table 5 Comparison of conventional performance indexes be-tween simulated aging asphalt and recycled old as-phalt沥青类型25 ℃针入度/0.1 mm5 ℃延度/cm15 ℃延度/cm软化点/℃135 ℃黏度/(Pa·s)回收旧沥青26.014.770.52.59模拟老化沥青24.013.971.82.63

表6 模拟老化沥青与回收旧沥青的动态剪切流变试验数据对比Table 6 Comparison of dynamic shear rheology test data be-tween simulated aging asphalt and recycled old as-phalt沥青类型温度/℃G∗/kPaδ/(°)(G∗/sinδ)/kPa失效温度/℃6410.0157.911.82705.7961.16.62回收旧沥青763.3462.43.7789.7821.85652.04881.0568.71.13940.6470.10.68647.85 53.8 9.73 705.55 51.2 6.33 模拟旧沥青763.39 54.0 3.77 89.6 821.84 56.8 2.00 880.95 59.5 1.02 940.78 62.2 0.82

改性沥青的技术性能。

5 结论

a.由不同TFOT老化时间制备的老化沥青的性能试验结果可知，随着老化时间的延长，SBS改性沥青和其他沥青一样出现了针入度下降、延度减小、粘度增大的变化。软化点变化异常，主要是SBS改性剂影响的结果。而高温抗车辙因子显著增大，沥青流动性能降低，高温性能增强。

b.回归拟合了老化沥青性能指标与老化时间的关系，多数指标与老化时间相关性良好。由于SBS改性沥青在老化时，软化点受到SBS改性剂分解的影响，呈现不规律的变化状态。而相位角δ必须与复数模量同时考虑才能准确地反映沥青的高温性能。因此在利用室内TFOT老化试验确定模拟抽提回收旧沥青的老化时间时，主要考虑以下几个指标：针入度、15 ℃延度、135 ℃粘度、失效温度、64 ℃车辙因子。由此确定了基于TFOT的SBS模拟老化试验方法。

c.对SBS改性沥青性能指标与老化时间关系的拟合公式的合理性进行了复核试验。结果表明，室内模拟老化沥青与抽提回收旧沥青的性能指标较为吻合，说明模拟老化沥青能够反映抽提回收旧沥青性能。