基于室内模拟试验的SBS改性沥青混合料抗老化性能评价

隋严春

济南市规划设计研究院，山东 济南 250101

0 引言

在光照、温度、氧气和降水等环境因素作用下，沥青路面产生不可逆的老化反应，沥青与集料间的黏结力下降，影响沥青混合料的物理力学性能[1-2]。研究人员通过多种老化试验分析沥青混合料路用性能的演变规律。谭忆秋等[3]发现紫外老化对沥青混合料的流变特性影响比热氧老化更显著。Wu等[4]发现紫外辐照显著降低沥青混合料的自愈合性能，路用性能显著下降。Fan 等[5]发现沥青路面老化的不均匀性随路面服役时间延长和温度升高而增大。贾坚等[6]研究发现水杨酸苯酯、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮复合改性沥青较单改性沥青具有更好的抗光氧老化能力。唐新德等[7]发现蒙脱土与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene-butadiene-styrene，SBS)复合改性沥青的抗老化性能较SBS单改性沥青更优。姜鹏等[8]采用正交试验研究了沥青基碳纤维质量分数和拌和时间的变化对改性沥青3个性能指标的影响，发现当沥青基碳纤维质量分数为1%、拌和时间为60 min时，SBS改性沥青的抗老化性能最佳。王树杰等[9]通过薄膜烘箱老化试验(thin film oven test，TFOT)和沥青加速老化试验(pressurized aging vessel，PAV)，研究了不同老化方式对基质沥青和SBS改性沥青3个性能指标的影响，发现SBS改性沥青的抗老化性能优于基质沥青。孙科[10]采用旋转薄膜烘箱老化试验(rolling thin film oven test，RTFOT)和PAV分析高黏改性沥青的力学性能。

采用室内模拟老化评价方法对现役沥青路面抗老化性能的研究还处于起步阶段。本文采用室内加速老化试验模拟沥青路面在使用过程中所处的环境条件，结合老化后的多项路用性能试验研究SBS改性沥青混合料的抗老化性能，分析不同老化条件对SBS改性沥青混合料路用性能的影响，以期为SBS改性沥青混合料的性能提升及推广应用提供理论基础。

1 原材料与配合比

1.1 沥青胶结料

采用SBS改性沥青胶结料，主要技术指标如表1所示。

表1 沥青胶结料主要技术指标

由表1可知SBS改性沥青胶结料的性能符合文献[11]相关要求。

1.2 矿料

集料为石灰岩，填料为石灰岩矿粉，矿料合成级配如表2所示。二者的技术指标均满足文献[11]的相关要求。

表2 矿料合成级配

由表2可知矿料合成级配符合文献[11]中的相关要求。

1.3 配合比

沥青混合料级配范围如表3所示。根据文献[11]中的相关方法和要求，确定最佳油石比为5.4%。

2 试验设计

2.1 室内模拟老化试验

根据沥青路面所处的环境条件设计室内模拟试验，采用光热耦合老化和热氧老化的方法对SBS改性沥青混合料试件进行老化处理，结合老化后的路用性能试验，研究温度和紫外线等对SBS改性沥青混合料路用性能的影响。

夏季高温条件下，沥青胶结料受热易引发氧化反应，即热氧老化，日光中的紫外线辐照能力较强，沥青胶结料在日光辐照下发生分子链断裂或基团脱落等光化学反应，即紫外老化。调查发现，中国夏季沥青路面温度可达60 ℃左右，为模拟沥青路面在服役过程中的老化现象，采用紫外老化耐候仪对沥青混合料试件进行紫外辐照老化，辐照度为500 W·m-2，试验温度为60 ℃，老化1～3周，模拟沥青路面实际服役时的紫外-热氧耦合老化。同时，采用60 ℃强制通风烘箱进行同步的独立热氧老化试验。

2.2 老化后路用性能

1)低温抗裂性

沥青路面须在长期使用过程中保持良好的抗低温性能，低温开裂是寒冷地区沥青路面的常见病害，根据文献[12]的相关试验要求，选用低温弯曲小梁试验对沥青混合料进行低温抗裂性能评价，采用轮碾法成型试件，并切割成250 mm×30 mm×35 mm的长方体试件，采用MTS万能试验机测试-15 ℃条件下不同老化阶段的小梁试件低温性能。

2)抗永久变形

通过沥青混合料车辙试验测定老化后沥青混合料试件的动稳定度，评价沥青混合料抵抗永久变形能力。参照文献[12]相关要求，采用轮碾法成型试件，并切割为300 mm×300 mm×50 mm的长方体试件，试验时轮胎压强为0.7 MPa，试验温度为60 ℃，碾压频率为42 次/min。

3)水稳定性

沥青路面服役时，环境中的水汽使得胶结料发生降解和溶胀，荷载作用下的动水压力和冲刷力容易导致胶结料和集料的黏结力变小，最终引起路面破坏。特别是夏季、冬季温差大，降水多，沥青路面内水温变化频繁，为准确地模拟沥青路面在实际使用过程中的水温变化情况，采用冻融循环试验对老化后的沥青混合料试件进行处理。参照文献[12]相关要求，采用T0729冻融劈裂试验方法，将待测试件真空保水。

3 试验结果与分析

3.1 低温抗裂性

在60 ℃热氧老化和紫外-热氧耦合老化2种条件下，经过不同老化时间后SBS改性沥青混合料的最大弯拉应变如表4所示。

表4 不同老化条件和老化时间的SBS改性沥青混合料最大弯拉应变 10-6

由表4可知：2种老化条件下SBS改性沥青混合料的最大弯拉应变均呈衰减趋势。老化3周后，紫外-热氧耦合作用和60 ℃热氧老化作用下SBS改性沥青混合料最大弯拉应变分别衰减了28%、17%，说明紫外-热氧耦合老化对SBS改性沥青混合料低温性能的影响比单独热氧老化大。原因主要是沥青胶结料内部分子链在高温下发生氧化反应，部分化学键断裂，材料抗低温性能下降；紫外线可深入到材料内部微观结构，长期辐照导致聚氨酯内大部分化学键断裂，自由基逐渐固化，低温下材料的刚性增大而柔韧性降低，抗弯拉性能下降[13-15]。

3.2 抗永久变形能力

在60 ℃热氧老化和紫外-热氧耦合老化2种条件下，不同老化时间后SBS改性沥青混合料的动稳定度如表5所示。

表5 不同老化条件和老化时间的SBS改性沥青混合料的动稳定度 MPa

由表5可知：在60 ℃热氧老化和紫外-热氧耦合老化3周后，SBS改性沥青混合料的动稳定度分别约降低20%、46%，说明紫外-热氧耦合老化对SBS改性沥青混合料抗永久变形能力的影响比单独热氧老化更大。原因是在热氧环境下，沥青和改性剂发生老化和裂解，沥青老化后黏结性下降，变硬变脆，动稳定度增加；改性剂裂解后，改性剂在沥青中的网状结构遭到破坏，改性剂在沥青中的骨架作用减小，动稳定度减小；随老化时间的延长，改性剂裂解对动稳定度的影响大于沥青老化，同时，紫外老化加剧改性剂的裂解，使得紫外-热氧耦合对SBS改性沥青混合料的老化作用大于热氧老化[16-21]。

3.3 水稳定性能

在60 ℃热氧老化和紫外-热氧耦合老化2种条件下，不同老化时间后SBS改性沥青混合料的冻融劈裂强度比如表6所示。

表6 不同老化条件和老化时间的SBS改性沥青混合料的冻融劈裂强度比 %

由表6可知：在60 ℃热氧老化和紫外-热氧耦合老化3周后，SBS改性沥青混合料的冻融劈裂强度比约降低16%、34%，说明紫外-热氧耦合老化对SBS改性沥青混合料水稳定性的影响比单独热氧老化更大。原因是随老化时间的延长，沥青内部官能团发生氧化反应，饱和分和芳香分转化为沥青质，生成羟基官能团、亚砜基等极性或两性官能团，沥青的劲度模量增大，低温性能下降。同时，紫外老化使上述过程更加严重，紫外-热氧耦合老化后SBS改性沥青混合料的水稳定性比60 ℃热氧老化低，水稳定性随时间的延长呈下降趋势[22-25]。

4 结论

采用室内老化试验，分析和评价SBS改性沥青混合料在长期服役的环境老化后的低温抗裂性能、抗永久变形性能和水稳定性能，提出室外环境因素对SBS改性沥青混合料作用的室内模拟方法，采用60 ℃强制通风烘箱模拟路表高温作用下的热氧老化，采用紫外老化耐候仪模拟沥青路面使用过程中的紫外-热氧耦合老化。

1)根据低温弯曲小梁试验结果，紫外-热氧耦合老化和60 ℃热氧老化3周后，SBS改性沥青混合料的最大弯拉应变分别约减少28%、17%，主要原因是高温作用下SBS改性沥青混合料的部分化学键断裂，紫外线使自由基逐渐固化，抗弯拉性能下降。

2)根据车辙试验结果，紫外-热氧耦合老化和60 ℃热氧老化3周后，SBS改性沥青混合料的动稳定度分别约降低46%、20%，主要原因是改性剂裂解对动稳定度的影响大于沥青老化，紫外老化加剧改性剂的裂解。

3)根据冻融劈裂试验结果，紫外-热氧耦合老化和60 ℃热氧老化3周后，SBS改性沥青混合料的冻融劈裂强度比分别约降低34%、16%，主要原因是紫外老化加剧沥青内部官能团的氧化反应，增加了重质组分的比例，沥青的劲度模量增大，低温性能随之降低。

老化试验结果表明紫外-热氧耦合老化后SBS改性沥青混合料的各项路用性能指标均小于热氧老化，SBS改性沥青混合料在老化时受到温度和紫外线的双重影响。因此，采用紫外-热氧耦合老化模拟试验方法更能真实反映夏季户外路面状态，比热氧老化评价方法更合理。