SBS/納米二氧化硅復合改性瀝青的疲勞性能研究

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.014

文章編號：1673-4874（2025）01-0050-04

0 引言

瀝青路面的疲勞損傷是由交通荷載或溫度引起的重復應力和應變作用造成的，是瀝青路面損傷的主要機制之一[1]。研究發現，疲勞開裂最開始是瀝青黏結劑的開裂，然后再擴散到整個混合物。因此，為了提高黏結劑的抗裂性能，許多研究人員試圖通過添加各種改性劑解決此問題[2-3]。大量研究表明，聚合物可以提高瀝青黏合劑的高溫抗變形性能和改善瀝青在低溫下的延展能力，從而減少瀝青混合料高溫車轍的產生和中低溫的疲勞開裂。然而，聚合物與瀝青結合料的相容性差是一個不可回避的問題，當溫度升高時，聚合物與瀝青結合料會產生分離。此外，聚合物的抗熱氧老化和紫外老化的性能也有所欠缺[4-5]。因此，單獨使用聚合物改性瀝青還不能有效地兼顧路面的所有使用狀況，研發性能更好更全面的改性劑是當前研究的重點。近年來，各種聚合物納米復合材料已被用于改善瀝青結合料的物理、流變和力學性能[6-7]。

納米氧化鋅顆粒、納米二氧化鈦顆粒、納米碳酸鈣顆粒、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）、丁苯橡膠、納米氧化鋁和納米黏土等是廣泛使用的改性劑，許多學者將其中的兩種或者三種復合改性瀝青，在提高瀝青的高溫性能、界面性能、韌性、黏度、流變性能和低溫性能等方面取得了大量研究成果[8-10]，但是關于改性瀝青疲勞性能的研究還鮮有報道。

納米二氧化硅是一種重要的基礎化工原料，表面富含羥基以及較大的比表面積和孔體積。納米二氧化硅在混凝土研究中有廣泛的應用，大量研究報告稱其可以顯著改善混凝土的耐久性。

因此，本文以SBS改性瀝青為研究參照組，以納米二氧化硅為改性劑，通過添加不同摻量的納米二氧化硅，研究SBS/納米二氧化硅復合改性瀝青的常規性能、PG分級、抗老化性能和疲勞性能，以明確SBS/納米二氧化硅復合改性瀝青的使用條件，增強改性瀝青的使用性能，為提高路面耐久性研究提供基礎。

1材料與試驗方法

1.1試驗材料

本研究采用的基質瀝青是由佛山市創立信化有限公司提供的 瀝青，其主要技術指標如表1所示。

采用的改性劑包括SBS和納米二氧化硅，SBS是一種三組分聚合物，可在高溫下增加瀝青的剛度并在低溫下提高其柔韌性，其主要技術指標見表2。在本研究中，SBS改性劑的摻量為基質瀝青質量的 5% ；納米二氧化硅由于其生產成本低而性能優異，具有較高的比表面積、較強的表面吸附性以及良好的分散能力等，因此本研究通過添加納米二氧化硅來提高瀝青的性能，其摻量分別為基質瀝青質量的 4% 6% 和 8% ，主要技術指標見表3。

在選好基質瀝青和改性劑之后，進行改性瀝青的制備，制備流程：（1）將基質瀝青加熱形成流動均勻的液體；（2）將基質瀝青質量 5% 的SBS改性劑加入到基質瀝青中；（3）緩慢加入納米二氧化硅改性劑，在溫度為163℃、剪切速率為3000rpm的條件下，將三種材料進行均勻混合，全程采用高速剪切儀進行剪切混合。

1.2三大指標性能試驗

瀝青的三大指標性能試驗包括針入度試驗、軟化點試驗和延度試驗。本研究對基質瀝青、SBS改性瀝青、納米二氧化硅 ）改性瀝青和 復合改性瀝青進行常規性能研究，具體試驗操作參照規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20—2011）。

1.3高低溫PG分級試驗

瀝青材料的PG分級包括兩個部分：（1）確定瀝青使用的最高溫度；（2）確定瀝青使用的最低溫度。需要針對原樣瀝青和旋轉薄膜老化（RTFOT）后的瀝青進行動態剪切流變試驗（DSR）和彎曲梁蠕變勁度試驗（BBR）。

1.4線性振幅掃描試驗

利用動態剪切流變儀開展線性振幅掃描試驗（LAS）來評價瀝青的疲勞性能。試驗分為兩步：（1）對瀝青試樣進行頻率掃描，對于加載水平為 0.1% 的應變水平，加載頻率為 Hz；（2）進行線性振幅掃描，對于加載頻率為10Hz的應變水平，采用應變控制模式，加載的正弦波荷載振幅從 0.1% 線性增加到 30% ，掃描時間為300s 測試的瀝青試樣分為短期老化和長期老化兩組。

2試驗結果與討論

2.1三大指標性能

對不同的瀝青開展了針入度、軟化點和延度試驗，所有瀝青的延度均滿足規范要求，針入度和軟化點的試驗結果如圖1和圖2所示。

由圖1可知，改性后的瀝青的針入度均較基質瀝青有所減小，其中，隨著""含量的增加，針入度逐漸減小，最大降低了 32% ；復合改性瀝青的針入度下降最顯著，最大降低了 44% 。但試驗發現，隨著nmSiO含量的增加，相比""單獨摻入的改性瀝青，復合改性瀝青的針入度的下降幅度有所減小。

由圖2可知，相比基質瀝青，改性后的瀝青的軟化點均變高，且 /SBS摻量越大，軟化點增值也越大，說明SBS和 改性劑均能提高瀝青的軟化點。其中， 復合改性瀝青的軟化點增長最顯著，最大增加了 90% ，說明SBS和 對瀝青的改性具有相互疊加的作用。

2.2高低溫性能PG分級

為了評估瀝青在低溫下的流變性能，對不同的瀝青開展了BBR測試。6OS蠕變速率 m 的試驗結果如表4所示。

由表4試驗結果可知，基質瀝青的低溫性能等級為-22？ 。添加 會降低基質瀝青的低溫性能， 改性瀝青的低溫性能等級為－16℃；SBS改性瀝青和復合改性瀝青的低溫性能等級與基質瀝青一致，均為-22℃。

瀝青的高溫性能等級通過開展DSR試驗確定，未老化狀態下不同瀝青試樣的高溫性能試驗結果如圖3所示，短期老化后不同瀝青試樣的高溫性能試驗結果如圖4所示。

由圖3、圖4可知，兩種添加劑均提高了瀝青結合料在高溫下的性能等級，單獨添加 和SBS聚合物提高了1個等級，而 /SBS復合改性瀝青的高溫性能提高了 個等級，隨著nmSiO/SBS摻量的增加，高溫性能等級提高越多。不同改性瀝青的高溫性能等級如表5所示。

2.3疲勞性能

根據LSA試驗的應力應變測試結果，結合黏彈性連續損傷力學（VECD）的概念，短期老化后不同改性瀝青試樣的疲勞性能和損傷特性試驗結果如表6所示。

根據表6可知，添加SBS改性劑可以提高瀝青的疲勞壽命，適量的""對瀝青的疲勞性能也起到提高的效果，但摻量過多時反而會對瀝青的疲勞性能不利。"復合改性瀝青對疲勞性能改善最為顯著，相比基質瀝青，疲勞壽命提高了一個數量級。

為了研究不同應變水平在長期老化前后對瀝青的影響大小，將長期老化前后的瀝青在 5% 和 2.5% 應變水平下的疲勞壽命進行對比分析，如圖5所示。

由圖5可知，長期老化前的各瀝青試樣在 5% 應變水平下的整體疲勞壽命曲線和 2.5% 應變水平下的疲勞壽命曲線的分散距離較大，長期老化后兩條曲線整體變得更聚集。說明長期老化后瀝青試樣對應變水平的敏感性降低。

3結語

（1）SBS/納米二氧化硅復合改性可提高瀝青的軟化點，可使瀝青結合料的高溫性能提高 個等級，低溫性能等級保持不變。

（2）SBS/納米二氧化硅復合改性顯著提高了瀝青結合料的疲勞壽命，其效果是納米二氧化硅改性瀝青的十多倍，是SBS改性瀝青的 倍，其中含有 6% 納米二氧化硅和 5% SBS的復合改性瀝青的疲勞性能最好。

（3老化后SBS/納米二氧化硅復合改性瀝青的疲勞壽命相比老化后的SBS改性瀝青有顯著提高，SBS/納米二氧化硅復合改性瀝青具有優異的抗老化性能。

（4）SBS/納米二氧化硅復合改性瀝青可作為一種耐久性材料用于路面鋪筑。

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