SBS改性沥青热老化过程的流变性能研究

磨巧梅 孙宗丹 杨洋

摘要：为研究SBS改性沥青短期老化和长期老化过程中的流变性能，文章采用动态剪切流变试验，研究了老化过程中沥青流变参数的变化规律。结果表明：SBS改性沥青与基质沥青在老化过程中复数模量增加，相位角减小，损失模量与车辙因子增加，说明在老化作用下沥青弹性成分升高，沥青变硬变脆，疲劳性能降低，但增强了沥青高温抗变形能力;SBS改性沥青相对于基质沥青改变幅度要小，表明SBS改性剂可以抑制沥青老化进程，对沥青的低温抗裂性和高温抵抗车辙能力起到积极作用。

关键词：改性沥青;老化;相位角;损失模量;车辙因子

0 引言

道路沥青作为最主要的路面材料，其中SBS改性沥青在路面层使用的比例高达35%，因此针对SBS改性沥青的研究是非常必要的。沥青在其长期的服役过程中，受到温度、氧气、紫外线、水分子及人为等因素的影响会导致其性能衰退，大大缩短其使用寿命[1-3]。因此研究沥青在老化过程中的流变性能，对掌握路面老化机理，预测路面的寿命周期，掌握路面变形规律具有重要意义。

通过旋转薄膜试验（RTFOT）能够模拟沥青短期老化过程，通过压力老化试验（PAV）能够模拟长期老化过程，目前已有一定研究，但针对SBS改性沥青与基质沥青在流变参数、疲劳特性、抗变形能力上的对比研究涉及很少[4-5]。基于此，本文采取温度扫描试验对比了SBS改性沥青流变性能随老化作用时间变化的规律。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验为研究SBS改性剂对老化过程中沥青流变性能的影响，特选用国产70号道路基质沥青做对比试验。两种沥青性能指标按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（T0604-2011）规定操作，如下页表1、表2所示。

1.2 试验方案

本试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》采取旋转薄膜加热试验（RTFOT）模拟沥青短期老化过程，按照《Superpave沥青胶结料规范》采用压力老化试验（PAV）模拟沥青长期老化过程。

采用MCR101型动态剪切流变仪（DSR）对短期、长期老化基质沥青和改性沥青进行动态剪切流变试验的温度扫描试验：作用频率为10 rad/s，温度扫描范围为30 ℃～80 ℃。DSR试验可以在较大温度范围和较大应力范围内进行，沥青混合料路面疲劳性能和车辙均表现出典型的大应力变形特性，因此DSR试验可以真实地模拟路面环境下沥青混合料的路用性能。

通过DSR动态剪切流变试验得到基质沥青和SBS改性沥青在一定温度、频率范围的流变参数——相位角δ、损失模量G*sinδ及车辙因子G*/sinδ。其中相位角δ表征沥青黏性成分所占比例，沥青黏性成分越高则δ值越高;G*sinδ表征沥青的疲劳性能，G*sinδ越高，说明沥青抗疲劳性能越强;G*/sinδ表征沥青在高温下的抗变形能力，G*/sinδ越大，沥青高温抗车辙能力越强。

2 数据与结果分析

2.1 相位角分析

基质沥青和SBS改性沥青经过实验室模拟短期老化、长期老化过程后，采取DSR所测得的温度对其相位角（δ）影响如图1和图2所示。

如图1所示，在短期和长期老化过程中，基质沥青相位角有较大的温度敏感性：相位角δ随着温度升高而增加，但老化程度不同增大幅度不同。从短期老化到长期老化，老化时间延长相位角增长幅度随之增加，表明温度和老化均改变了基质和改性沥青的流变性能。这是因为在动态剪切试验中，随着温度从30 ℃提高到80 ℃，沥青变软，黏性成分增强，弹性成分减少，致使沥青的相位角随着温度升高而增加。在70 ℃～80 ℃温度范围内，可以观察到未老化的基质沥青的相位角值最大接近90°，这表明此时沥青几乎处于流体状态。而在经过短期和长期老化后，在相同温度范围内相位角较小。

此外在相同温度下，随着老化时间延长，沥青相位角总体减小，这是因为老化会使沥青变硬，但在高温时，原样沥青、短期老化沥青和长期老化沥青相位角值趋于一致，表明温度对相位角的影响较大。

由图2可以看出，与基质沥青一致，SBS改性沥青相位角也随着温度升高而增大。但是可以明显看出在50 ℃～70 ℃的温度范围内，相位角的值出现了一段几乎不变化的平衡区，这个平衡区表明SBS改性剂对沥青的粘弹性能产生了显著影响，延迟改性沥青由弹性状态向粘流状态的迁移。这是由于SBS改性剂主体的网络三维结构，提升了沥青分子之间的粘结力，使沥青分子通过SBS改性剂连接更为紧密，抑制沥青在一定的温度范围内由弹性状态向粘流状态转移，但是当温度提高到75 ℃以上，网络三维结构也由于高温而破坏，SBS的抑制作用消失，相位角恢复增加趋势。

2.2 损失模量分析

美国公路战略计划SHRP研究成果表明，沥青的复数模量G*与sinδ乘积可以用来评价沥青的疲劳性能，并命名为损失模量。G*sinδ越小，表明沥青在试验反复加载卸载过程作用下消耗能量较小，抵抗疲劳变形能力就越高。

从图3和图4可以看出，基质沥青与改性沥青的G*sinδ从原样、短期老化到长期老化明显增加，这表明两种沥青经过老化抗疲劳性能降低，抵抗开裂能力变弱。这与实际环境中，使用时间越长，开裂变形得越严重的形象相符。

但是对比基质与SBS改性沥青，随着老化程度加深基质沥青G*sinδ增长明显，但SBS改性沥青G*sinδ增长趋势与基质沥青表现出不同特点，从原样沥青老化到短期阶段，G*sinδ增长明显，但从短期老化到长期老化，虽然G*sinδ仍然增长但增长趋势减缓，增长曲线接近，这可以很好地表明改性剂SBS明显提高了沥青抵抗疲劳的性能。

2.3 车辙因子分析

SHRP研究成果表明，沥青的复数模量G*与sinδ之商可以用来评价沥青的抵抗高温变形的能力，并将其命名为车辙因子，G*/sinδ越小表明沥青高温抗变形能力越差，抗車辙能力越弱。

图5和图6表明，在30 ℃～80 ℃的温度范围内，基质沥青和SBS改性沥青车辙因子G*/sinδ随着温度的升高呈现出线性减小趋势，并且随着老化程度的加深，基质沥青和SBS改性沥青的G*/sinδ都显著增加，表明老化在某种程度下改善了沥青的高温抗车辙能力。这是由于随着老化，沥青变硬变脆，一定程度上提高了抗永久变形能力。另外，基质沥青的车辙因子G*/sinδ在未老化前就较SBS改性沥青要小，表明基质沥青的抗车辙变形能力弱于SBS改性沥青。经过短期或长期老化后，SBS改性沥青的G*/sinδ仍比基质沥青大，但老化时间若继续延长，沥青变得更脆，SBS改性沥青的G*/sinδ较基质沥青要小，单从车辙因子G*/sinδ这个角度表明改性沥青抗高温抗变形能力的优势不再明显。

3 结语

（1）在考虑老化作用条件下，采用RTFOT试验模拟沥青短期老化过程，PAV试验模拟沥青长期老化过程，随着老化程度的加深，沥青逐渐变脆变硬，复数模量增加，相位角减小，损失模量及车辙因子增加，表明老化条件下，沥青弹性成分有所增加，黏性成分减小，弹性恢复能力降低，抗疲劳性能降低，但抵抗变形能力有所增强。

（2）对比同样老化程度的基质沥青和改性沥青，流变参数相位角、损失模量及车辙因子的增减幅度均有所减小，表明SBS改性剂的网络结构可以抑制沥青老化进程。

（3）根据温度扫描试验，随着温度的提升，沥青的相位角增加明显，表明沥青温度敏感性较大，但沥青对老化的敏感性随着老化时间的延长而减小。

参考文献：

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

[2]张文刚，师 郡.沥青混合料室内加速热氧老化特性与预估[J].科学技术与工程，2017，17（24）：279-282.

[3]谭志远，李 强，肖标丁.沥青热-氧-水-光综合老化方法[J].长沙理工大学学报（自然科学版），2016，13（2）：15-18，25.

[4]延西利，封晨辉，梁春雨.沥青与沥青混合料的流变特性比较[J].长安大学学报（自然科学版），2002，22（5）：5-8.

[5]徐世法，朱照宏.高等级道路瀝青路面车辙的预测方法[J].土木工程学报，1993，26（6）：28-36.

收稿日期：2020-06-05