光熱環境老化作用下SBS改性瀝青性能分析

摘要：文章通過三大指標試驗、高溫剪切流變試驗與低溫彎曲流變試驗，以針入度、軟化點、延度、車轍系數、勁度模量與蠕變系數為評價指標，分析熱氧老化環境與光熱老化環境對SBS改性瀝青性能的影響。試驗結果表明：在熱氧環境與光熱環境下，隨著老化時間延長，針入度與延度均下降，延度則反之；相較于熱氧環境，光熱環境下由于紫外線對SBS改性瀝青的老化作用，對三大指標的影響更為顯著，其中對延度的影響最大；SBS改性瀝青的高溫穩定性隨老化時間延長而提高，光熱環境對瀝青高溫穩定性的影響更大；SBS改性瀝青的低溫抗裂性隨老化時間延長而降低，光熱環境對低溫抗裂性的影響更明顯。

關鍵詞：SBS改性瀝青；耦合老化；流變性能

中圖分類號：U416.03 A 10 028 4

0 引言

截至2021年年底，我國的高速公路總里程為16.91萬km，增加了0.81萬km，瀝青路面結構占其中90%以上。相較于水泥混凝土路面，瀝青路面因其行車舒適性好、噪音低、后期維護便捷等優點而被廣泛使用。但瀝青路面在服役的過程中，易受到紫外線輻射、環境溫度、雨水與氧氣等環境的影響，導致瀝青老化，路面使用性能降低。同時，我國交通運輸行業飛速發展，汽車保有量不斷增加，超載現象愈加頻繁，路面的實際使用壽命遠低于預期。為提高瀝青路面的服役壽命，道路工作者對瀝青路面與瀝青膠結料進行了深入研究，SBS改性材料因其具有成本相對低廉、對高低溫與疲勞性能均有改善、制造工藝流程簡單等優點而被廣泛使用。我國南方地區緯度低，高溫多雨，太陽輻射強度高，會加快路面的老化速率，使路面服役時間縮短。因此，在南方地區進行熱氧環境與光熱環境對SBS改性瀝青性能影響的研究十分有必要。

劉文昶等［1］對瀝青短期與長期老化進行模擬，結果表明短期老化與自然條件下老化2～3月較接近，長期老化與自然條件下老化4～5個月接近。Churchill等［2］利用薄膜烘箱對瀝青進行長期老化模擬，樣品在 163 ℃的恒溫條件下分別老化 5 h、 14 h、 24 h。譚憶秋等［3］采用薄膜烘箱制備瀝青樣品，通過紫外老化箱對樣品進行紫外老化，老化溫度為 73 ℃，時間為 9 h。葉奮等［4］對瀝青試樣進行熱氧老化和紫外老化，結果表明兩種老化方式對三大指標的影響相同，針入度與延度下降，軟化點提高。郭成州等［5］對SBS改性瀝青進行熱氧老化和光熱耦合老化試驗，結果表明熱氧老化和光熱耦合老化均加速了SBS改性瀝青的老化速率。左峰等［6］對SBS改性瀝青分別進行熱、紫外光、荷載3種因素的兩兩耦合，結果表明光熱耦合對SBS改性瀝青的老化程度最嚴重，并且通過紅外光譜試驗發現光熱耦合老化后的瀝青中的官能團主要表現為丁二烯鍵的斷裂和羰基增加。Yu等［7］對進行短期老化后的SBS改性瀝青進行紫外老化，結果表明紫外輻射嚴重破壞了SBS瀝青中的網絡結構，加劇了SBS的降解，并導致流變性能發生巨大變化。Luo［8］采用紫外老化環境箱對SBS改性瀝青進行紫外老化模擬，結果表明SBS改性瀝青的疲勞性能和低溫性能大幅度降低，高溫性能提高。

現有對SBS改性瀝青老化的研究主要涉及熱老化，而在實際的瀝青路面使用過程中，紫外輻射是十分重要的影響因素，因此有必要對光熱耦合作用對瀝青的影響進行研究。文本采用熱氧老化與光熱老化試驗對SBS改性瀝青樣品進行老化，通過三大指標試驗、高溫剪切流變試驗與低溫彎曲流變試驗，以針入度、軟化點、延度、車轍因子、勁度模量與蠕變系數為評價指標，分析不同老化環境對SBS改性瀝青性能的影響。

1 原材料

1.1 瀝青

本文采用的基質瀝青為70#A級基質瀝青，主要性能指標見表1。

1.2 SBS

選用線型SBS改性劑。其主要性能指標匯總見表2。

1.3 SBS改性瀝青

采用高速剪切法制備SBS改性瀝青，其主要性能指標見表3。

2 試驗方案

2.1 瀝青老化試驗

2.1.1 熱氧環境

將SBS改性瀝青倒入標準盛樣皿（直徑為 14 cm），每盛樣皿裝入 16 g± 0.5 g，瀝青膜厚度約為 1 mm。采用鼓風干燥箱進行模擬熱氧環境對SBS改性瀝青的影響。在 70 ℃環境下分別老化 5 d、 10 d、 15 d。

2.1.2 光熱環境

試樣與熱氧環境的試樣保持一致，將試樣放入汞燈耐候試驗箱中模擬光熱環境對SBS改性瀝青性能的影響。試驗的溫度設置為 70 ℃，紫外線輻射強度設置為 40 W/m2，老化時間分別為 5 d、 10 d、 15 d。

2.2 性能檢測試驗

（1）對各環境影響條件影響下的SBS改性瀝青進行針入度、軟化點與延度試驗。

（2）利用動態剪切流變儀（DSR）對各環境影響下的SBS改性瀝青進行試驗，試驗采用直徑為 25 mm的平行板，間距為 1 mm± 0.05 mm，角速度為 10 rad/s，試驗溫度為 40 ℃～90 ℃。

（3）利用低溫彎曲流變儀（BBR）對各環境下的SBS改性瀝青進行試驗，試驗溫度為-12℃。

2.3 評價指標

以針入度、軟化點、延度、車轍因子、勁度模量與蠕變系數作為評價指標，詳見公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規范（JTG E20-2011）。

3 試驗結果與分析

3.1 常規試驗

對各老化環境下的試件進行三大指標試驗，結果及分析如下。

3.1.1 針入度試驗

如圖1所示，熱氧環境和光熱環境均會降低SBS改性瀝青的針入度，且光熱環境對瀝青針入度的影響更加顯著。熱氧老化 5 d、 10 d、 15 d的針入度較 0 d分別降低了7.14%、14.29%、16.67%，而光熱老化 5 d、 10 d、 15 d相較于熱氧老化分別降低了12.82%、16.67%、20.00%。在熱氧環境中，SBS在瀝青中形成的網絡結構逐漸被破壞，同時瀝青中的輕質組分不斷揮發，小分子物質聚合成為大分子物質，瀝青變得硬脆，導致瀝青的針入度降低。在光熱環境中，紫外線的作用加快瀝青中飽和分、芳香分官能團的破壞速率，膠質和瀝青質含量上升，針入度進一步降低［9］。

3.1.2 軟化點試驗

如圖2所示，軟化點隨老化時間的增加而提高，且光熱環境對其影響更大。熱氧老化 5 d、 10 d、 15 d的軟化點較 0 d分別增加了5.16%、9.19%、13.87%，光熱老化 5 d、 10 d、 15 d相較于熱氧老化分別提升了9.68%、10.19%、8.50%。在熱氧環境下，瀝青發生老化，導致輕質組分向重質組分轉化，軟化點與瀝青的組分相關，瀝青質對軟化點的影響最顯著，瀝青質增加導致軟化點提高。在光熱環境下，由于紫外線的存在，加速了瀝青的老化，同時使SBS發生降解，破壞了形成的網絡交聯結構，從而導致軟化點進一步提高［10］。

3.1.3 延度試驗

如圖3所示，在熱氧環境和光熱環境下，SBS改性瀝青的延度隨時間延長而降低，且光熱環境下降低幅度更大。熱氧老化 5 d、 10 d、 15 d的延度較 0 d分別降低了36.58%、50.43%、61.04%，而光熱老化 5 d、 10 d、 15 d相較于熱氧老化分別降低了54.27%、57.64%、70.56%。在熱氧環境下，瀝青發生老化，含氧官能團降低，瀝青黏性降低，同時SBS的丁二烯鏈段具有彈性特征，可以為低溫環境下的SBS改性瀝青提供一定的彈性。在光熱環境下，紫外環境提高了膠質的含量，導致延展性降低，同時破壞了SBS中的丁二烯鏈段，不飽和度降低，延度下降［11］。

3.2 動態剪切流變試驗

由圖4可知：

（1）在熱氧環境下，隨著老化時間的延長，車轍因子不斷提高，增加了瀝青的抗剪切變形能力。在 70 ℃下，相較于未老化的SBS改性瀝青，熱氧老化 5 d、 10 d、 15 d的車轍因子分別提高了 1.81 kPa、 3.33 kPa、 4.85 kPa。SBS改性瀝青在熱氧作用下，輕質組分揮發，瀝青中的 C=O等含氧官能團的增加，分子的極性提高，締合能力提高，對周圍的小分子基團的吸附作用加強，導致瀝青變硬，抗車轍系數提升［12］。

（2）在光熱環境下，紫外線的存在進一步提高了車轍因子，試驗溫度越高，車轍因子差異越小。在 70 ℃下，光氧老化 5 d、 10 d、 15 d相較于熱氧老化，車轍因子分別提高了17.28%、21.43%、17.68%。光熱環境與熱氧環境均老化 15 d后，在 64 ℃、 70 ℃、 76 ℃、 82 ℃、 88 ℃試驗條件下的車轍因子相差分別為 1.8 kPa、 1.11 kPa、 0.63 kPa、 0.45 kPa、 0.41 kPa。紫外輻射后，瀝青中的 C=C、C-H和C-O鍵斷裂，生成更多的自由基，并與O 2發生反應，輕質組分向重質組分遷移的速率得到提升，飽和分和芳香分的含量不斷減少，瀝青質的含量增加，瀝青基從膠體結構向凝膠結構轉變。SBS改性劑中的二烯CH 2-CH 2鍵與雙鍵在紫外輻射的作用下易斷裂，與O 2發生氧化降解反應，導致破壞網絡結構的速率加快，老化程度加劇，車轍因子增加。DSR試驗溫度越高，瀝青從彈性狀態向黏性狀態轉變，抵抗高溫變形能力減弱，車轍因子降低，不同老化環境對SBS改性瀝青的影響差距縮小。

3.3 低溫彎曲流變試驗

由圖5～6可知：

（1）試樣在熱氧環境下其蠕變勁度隨老化時間延長而呈線性增大，蠕變速率則減少，低溫抗裂性能不斷減弱。相較于未老化試樣，老化時間為 5 d、 10 d、 15 d的蠕變勁度分別提高了 8 MPa、 16 MPa、 28 MPa，蠕變速率分別降低0.012、0.023、0.042。在熱氧環境下，SBS改性劑發生裂解并與氧氣發生氧化反應，改性成分占比不斷下降，同時瀝青分之間的化學鍵發生斷裂重組，官能團的指數改變，降低了瀝青的粘附力，導致瀝青低溫抗裂性能降低［13］。

（2）光熱環境中紫外線作用導致SBS瀝青的低溫穩定性降低。光氧老化時間 5 d、 10 d、 15 d相較于熱氧老化，蠕變勁度分別提高了7.69%、12.50%、11.29%，蠕變速率分別降低了1.46%、2.25%、1.57%。紫外輻射導致瀝青分子躍遷到激發態，瀝青高分子化學鍵斷裂，與氧氣反應生成新的氧化物，重組速率增加，加劇了瀝青的老化程度，使瀝青變得更加硬脆，導致瀝青的低溫抗裂性進一步降低［14］。

4 結語

（1）在熱氧環境與光熱環境下，隨著老化時間延長針入度與延度均降低，軟化點則反之。光熱環境下由于紫外線對SBS改性瀝青的老化作用，影響更為顯著，其中對延度的影響最大。

（2）SBS改性瀝青的高溫穩定性隨老化時間延長而提高，光熱環境中的紫外線提高了SBS改性瀝青中瀝青質的含量，從膠體結構向凝膠結構轉變，加速破壞了瀝青中的網絡結構，對瀝青高溫穩定性的影響更大。

（3）SBS改性瀝青的低溫抗裂性隨老化時間延長而降低，光熱環境下的SBS改性瀝青中的高分子化學鍵斷裂重組速率加快，導致瀝青變得更加脆硬，對低溫抗裂性的影響更明顯。

參考文獻

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收稿日期：2022-12-20