龐拓， 仰建崗， 張偉， 黃錦化

(1. 中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司， 北京 101500； 2. 華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 南昌 330013; 3. 華東交通大學(xué)道路工程研究所， 南昌 330013； 4. 華東交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院， 南昌 330013)

目前，受海綿城市建設(shè)、路面行車安全等因素的影響，開(kāi)級(jí)配抗滑磨耗層(open-graded friction course, OGFC)瀝青路面在道路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。高含量苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene, SBS)改性瀝青(簡(jiǎn)稱“高含量SBS改性瀝青”)常用于OGFC瀝青路面，用于保障瀝青路面的使用性能。然而，受到生產(chǎn)溫度、運(yùn)輸時(shí)間等因素的影響，OGFC瀝青混合料中的高含量SBS改性瀝青在生產(chǎn)施工過(guò)程中會(huì)發(fā)生短期老化以及受環(huán)境、荷載等因素的綜合影響產(chǎn)生長(zhǎng)期老化問(wèn)題[5-6]。有必要探明高含量SBS改性瀝青老化后性能的變化趨勢(shì)，分析高含量SBS改性瀝青老化機(jī)理。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于瀝青短期與長(zhǎng)期老化方面的研究手段豐富多樣，例如，瀝青物理性能試驗(yàn)(針入度、軟化點(diǎn)、延度)[7]、流變性能試驗(yàn)[8]、紅外光譜試驗(yàn)[9]、原子力顯微鏡試驗(yàn)[10]、凝膠滲透色譜試驗(yàn)[10]等。在高含量SBS改性瀝青性能研究方面也積累了較多的研究成果，如：王立志等[11]以布氏黏度為關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了不同改性劑的高含量SBS改性瀝青黏度變化規(guī)律；Yan等[12]研究了不同SBS摻量的改性瀝青流變性能，發(fā)現(xiàn)老化將會(huì)導(dǎo)致SBS聚合物降解，從而降低改性瀝青的彈性；袁東東等[13]研究了熱氧老化對(duì)高黏改性瀝青黏彈特性的影響，發(fā)現(xiàn)熱氧老化從輕質(zhì)組分的揮發(fā)與高黏改性劑的溶脹與降解方面影響高黏瀝青黏彈特性的變化；黃衛(wèi)東等[14]研究了SBS摻量、老化以及穩(wěn)定劑含量對(duì)高黏SBS改性瀝青流變特性以及化學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)相位角主曲線可以較好地表示高黏SBS改性瀝青的老化過(guò)程；張恒龍等[15]研究了不同長(zhǎng)期老化過(guò)程對(duì)基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的化學(xué)組成及流變特性的變化，發(fā)現(xiàn)老化將會(huì)增加瀝青的黏度，提高瀝青的抗剪變形能力，且基質(zhì)瀝青的性能變化比SBS改性瀝青更明顯；Xing等[16]采用原子力顯微鏡測(cè)試了老化前后SBS改性瀝青表面形貌的變化，發(fā)現(xiàn)老化過(guò)程促使SBS降解，進(jìn)而降低了瀝青表面形貌的粗糙度。

綜上，現(xiàn)有研究從老化瀝青性能、形貌、組分等方面研究了SBS改性瀝青長(zhǎng)期老化的變化。然而，現(xiàn)有研究對(duì)高含量SBS改性瀝青長(zhǎng)期、短期老化性能及老化機(jī)理方面的綜合研究較少，有必要進(jìn)行高含量SBS改性瀝青長(zhǎng)短期老化性能與老化機(jī)理研究。因此，為研究高含量SBS改性瀝青短期、長(zhǎng)期老化性能變化規(guī)律與老化機(jī)理，通過(guò)短期、長(zhǎng)期老化試驗(yàn)，結(jié)合瀝青物理性能試驗(yàn)、流變?cè)囼?yàn)、傅里葉紅外光譜儀與原子力顯微鏡對(duì)老化前后高含量SBS改性瀝青的性能、瀝青組分以及微觀形貌進(jìn)行綜合研究，探究高含量SBS改性瀝青老化性能變化規(guī)律與老化機(jī)理，分析高含量SBS改性瀝青老化過(guò)程中瀝青性能與瀝青組分、形貌特征之間的關(guān)系。研究結(jié)果有望為高含量SBS改性瀝青的使用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

研究選擇江西省某公司生產(chǎn)的6%摻量的SBS改性瀝青為研究對(duì)象，并根據(jù)JTG E20—2011規(guī)程[17]測(cè)試瀝青的技術(shù)指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高含量SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of high content SBS polymer modified asphalt

1.2 室內(nèi)模擬老化試驗(yàn)

采用85型旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(rolling thin film oven aging, RTFOT)以及壓實(shí)老化容器加速瀝青老化試驗(yàn)(pressure aging vessel, PAV)分別模擬高含量SBS改性瀝青的短期、長(zhǎng)期老化，試驗(yàn)步驟依據(jù)規(guī)程JTG E20—2011執(zhí)行[17]。其中，短期老化的溫度為(163±5) ℃，老化時(shí)間為85 min；長(zhǎng)期老化模擬溫度為100 ℃，單次老化時(shí)間為20 h。此外，為分析不同老化時(shí)間對(duì)瀝青老化的影響，對(duì)1次長(zhǎng)期老化的瀝青再次進(jìn)行相同時(shí)間與溫度的老化。因此，本次試驗(yàn)得到四種瀝青：旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱得到瀝青為短期老化瀝青；旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱+1次壓力老化得到長(zhǎng)期老化瀝青；旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱+2次壓力老化得到長(zhǎng)期老化瀝青；未老化的高含量SBS改性瀝青。此外，為方便進(jìn)行表征，將上述四種瀝青分別稱為RTFOT、1PAV、2PAV、Virgin。分別將各種老化程度的瀝青進(jìn)行評(píng)估以及老化機(jī)理分析。

1.3 物理性能試驗(yàn)

采用上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的針入度、軟化點(diǎn)以及延度設(shè)備分別對(duì)Virgin、RTFOT、1PAV、2PAV高含量SBS改性瀝青進(jìn)行25 ℃針入度、軟化點(diǎn)、15 ℃延度試驗(yàn)。其中，不同老化程度瀝青25 ℃針入度、軟化點(diǎn)、15 ℃延度試驗(yàn)各測(cè)試1組，25 ℃針入度、軟化點(diǎn)、15 ℃延度的測(cè)點(diǎn)數(shù)量分別為3、2、3個(gè)。

1.4 流變性能試驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)所用轉(zhuǎn)子的直徑為25 mm，間隙為1 mm，分別對(duì)Virgin、RTFOT、1PAV、2PAV高含量SBS改性瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)以及多重應(yīng)力蠕變與恢復(fù)試驗(yàn)(multiple stress creep and recovery，MSCR)，試驗(yàn)溫度分別為64、70、76、82、88 ℃，每種類型試驗(yàn)為2組，分別測(cè)量各組試驗(yàn)的瀝青相位角與模量，并計(jì)算0.1、3.2 kPa下瀝青的不可恢復(fù)蠕變Jnr0.1和Jnr3.2，恢復(fù)率R0.1和R3.2[12]。此外，采用彎曲梁流變儀分別測(cè)試瀝青低溫性能，試驗(yàn)溫度為-18 ℃，每種類型試驗(yàn)為5組，計(jì)算每組瀝青的勁度模量S、蠕變速率m。

1.5 傅里葉紅外光譜試驗(yàn)

(1)

(2)

1.6 原子力顯微鏡試驗(yàn)

采用原子力顯微鏡試驗(yàn)(atomic force microscopy, AFM)分析Virgin、RTFOT、1PAV、2PAV高含量SBS改性瀝青的微觀形貌變化，試驗(yàn)掃描頻率為1 Hz，掃描區(qū)域?yàn)?0 μm×20 μm，每個(gè)區(qū)域掃描128×128個(gè)點(diǎn)，并統(tǒng)計(jì)不同老化程度瀝青的“蜂”形結(jié)構(gòu)的數(shù)量與面積。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 物理性能試驗(yàn)結(jié)果

不同老化程度高含量SBS改性瀝青25 ℃針入度、軟化點(diǎn)、15 ℃延度試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 針入度試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Penetration test results

圖2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Softening point test result

圖3 延度試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Ductility test results

由圖1可見(jiàn)，高含量SBS改性瀝青的25 ℃針入度隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小，RTFOT、1PAV、2PAV瀝青25 ℃針入度較Virgin瀝青分別衰減23.5%、53.3%、72.2%，高含量SBS改性瀝青第2次PAV后25 ℃針入度衰減幅度較第1次低。由圖2可見(jiàn)，隨著老化程度的加深，高含量SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)呈增加的趨勢(shì)，老化提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性。RTFOT、1PAV、2PAV瀝青軟化點(diǎn)較Virgin瀝青分別增加2.8%、8.0%、12.4%，高含量SBS改性瀝青第2次PAV后軟化點(diǎn)增幅較第1次低。由圖3可見(jiàn)，老化瀝青15 ℃延度指標(biāo)隨老化程度的增加逐漸降低，老化降低了瀝青的低溫延展性能，使瀝青硬化變脆。RTFOT、1PAV、2PAV瀝青15 ℃延度較Virgin瀝青分別降低23.3%、65.6%、86.1%，高含量SBS改性瀝青第2次PAV后15 ℃延度衰減幅度較第1次低。研究表明[15]，瀝青在經(jīng)歷短期、長(zhǎng)期老化的過(guò)程中，瀝青中的輕質(zhì)組成(飽和分、芳香分)揮發(fā)，部分輕質(zhì)組分聚集形成瀝青質(zhì)，而SBS在此期間發(fā)生降解與斷鏈，導(dǎo)致瀝青硬度增加、延度降低。

2.2 流變性能試驗(yàn)結(jié)果

不同老化程度的高含量SBS改性瀝青相位角δ試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，老化作用均增加了高含量SBS改性瀝青的相位角，隨老化程度的增加呈先增大后降低的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)楦吆縎BS改性瀝青老化過(guò)程中出現(xiàn)兩個(gè)階段，分別為聚合物降解以及瀝青硬化過(guò)程，在RTFOT以及1PAV期間，聚合物降解占主要影響，使老化瀝青的相位角增大，而2PAV期間，聚合物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，瀝青硬化占主導(dǎo)地位，老化瀝青彈性降低，相位角開(kāi)始減小。不同溫度、不同老化水平瀝青的相位角試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，隨著試驗(yàn)溫度的升高，Virgin高含量SBS改性瀝青相位角逐漸降低。隨著高含量SBS改性瀝青老化程度的加深，相位角降低趨勢(shì)越不明顯，反而1PAV、2PAV高含量SBS改性瀝青出現(xiàn)了增加的趨勢(shì)。

圖4 不同老化水平的相位角測(cè)試結(jié)果(76 ℃)Fig.4 Phase angle test results for different aging levels (76 ℃)

不同老化程度的高含量SBS改性瀝青模量(G*)試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，高含量SBS改性瀝青模量隨老化程度的加深而增加，RTFOT、1PAV、2PAV瀝青模量較Virgin瀝青分別增加20.0%、45.1%、181.1%?？梢?jiàn)，隨著高含量SBS改性瀝青老化程度的增加，瀝青模量增幅速率顯著增加，長(zhǎng)期老化對(duì)于瀝青流變性能的影響程度較短期老化高。

圖5 不同試驗(yàn)溫度的相位角測(cè)試結(jié)果Fig.5 Phase angle test results at different test temperatures

圖6 不同老化水平的模量測(cè)試結(jié)果(76 ℃)Fig.6 Modulus test results for different aging levels (76 ℃)

根據(jù)MSCR試驗(yàn)，分別測(cè)算0.1、3.2 kPa下的不可恢復(fù)蠕變Jnr0.1和Jnr3.2，恢復(fù)率R0.1和R3.2，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，不同的溫度與應(yīng)力水平下，1PAV的高含量SBS改性瀝青的恢復(fù)率R最小，不可恢復(fù)蠕變Jnr最大，瀝青的彈性響應(yīng)最小，這相位角試驗(yàn)結(jié)果一致。這主要是因?yàn)楦吆縎BS改性瀝青前期老化的過(guò)程中主要是以SBS降解為主，使瀝青的彈性降低。然而，2PAV的過(guò)程中，SBS降解減慢，主要以瀝青熱氧老化為主，導(dǎo)致瀝青中黏性成分逐漸降低，彈性成分逐漸增多，即輕質(zhì)組分向重質(zhì)組分轉(zhuǎn)移，使瀝青的整體彈性恢復(fù)率增大。因此，隨著老化程度的加深，高含量SBS改性瀝青的恢復(fù)率R先減小后增大，不可恢復(fù)蠕變Jnr則反之。此外，較高的試驗(yàn)溫度與瀝青水平下，不同老化程度的高含量SBS改性瀝青不可恢復(fù)蠕變Jnr與恢復(fù)率R變化越明顯。

圖7 高含量SBS改性瀝青MSCR試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 MSCR test results of high viscosity asphalt

不同老化程度的高含量SBS改性瀝青勁度模量S、蠕變速率m試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，高含量SBS改性瀝青的勁度模量隨老化時(shí)間的增加而降低，蠕變速率則反之，表明瀝青的低溫性能逐漸降低，這是因?yàn)榈蜏貤l件下瀝青呈玻璃態(tài)，瀝青分子鏈之間幾乎被凍結(jié)，不能迅速地重新取向或移動(dòng)。RTFOT、1PAV、2PAV瀝青勁度模量較Virgin瀝青分別降低7.0%、40.0%、49.1%，蠕變速率分別增加7.6%、36.9%、52.8%，說(shuō)明長(zhǎng)期老化較短期老化對(duì)高含量SBS改性瀝青的低溫性能影響顯著，短期老化的影響不明顯。

表2 不同老化時(shí)間的瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果(-18 ℃)Table 2 BBR test results of asphalt with different aging time (-18 ℃)

2.3 傅里葉紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果

不同老化程度的高含量SBS改性瀝青紅外光譜如圖8所示。

圖8 不同老化程度高含量SBS改性瀝青紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Infrared spectroscopy test results of high viscosity asphalt with different aging degrees

圖9 羰基指數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.9 Carbonyl index calculation result

圖10 亞砜基指數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.10 Sulfoxide index calculation result

2.4 原子力顯微鏡試驗(yàn)結(jié)果

不同老化程度的高含量SBS改性瀝青的原子力顯微鏡觀察的微觀形貌如圖11所示。

由圖11可見(jiàn)，不同老化程度的瀝青微觀形貌均有“蜂”形結(jié)構(gòu)，且“蜂”形結(jié)構(gòu)的數(shù)量總體隨老化程度的增加而降低，局部單個(gè)“蜂”形結(jié)構(gòu)的面積隨老化水平的增加而增加。為定量分析不同老化水平“蜂”形結(jié)構(gòu)的數(shù)量與單個(gè)“蜂”形結(jié)構(gòu)面積的變化趨勢(shì)，采用二值法處理二維“蜂”形結(jié)構(gòu)圖像，處理過(guò)程如圖12所示，并根據(jù)圖像計(jì)算不同老化水平的“蜂”形結(jié)構(gòu)數(shù)量與單個(gè)“蜂”形結(jié)構(gòu)面積，結(jié)果如圖13、圖14所示。

由圖13、圖14可見(jiàn)，隨著瀝青老化程度的增加，瀝青中“蜂”形結(jié)構(gòu)的數(shù)量逐漸減少，RTFOT、1PAV、2PAV瀝青“蜂”形結(jié)構(gòu)數(shù)量較Virgin瀝青降幅分別為5.6%、28.2%、36.6%，這主要是因?yàn)樵跓嵫鯒l件下，大分子的瀝青質(zhì)含量增多，小分子的芳香分減少[17]。單個(gè)“蜂”形結(jié)構(gòu)面積隨老化程度的增加而逐漸增大，這可能是因?yàn)橛伞胺錉罱Y(jié)構(gòu)”的團(tuán)聚引起，且RTFOT、1PAV、2PAV瀝青中單個(gè)“蜂”形結(jié)構(gòu)面積較Virgin瀝青增幅分別為3.1%、17.5%、23.6%，說(shuō)明短期老化對(duì)高含量SBS改性瀝青中分子組成影響不明顯，而長(zhǎng)期老化影響顯著。此外，現(xiàn)有研究表明[18]，瀝青中“蜂”形結(jié)構(gòu)是瀝青中的蠟分子與瀝青中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等大分子的側(cè)鏈烷基發(fā)生共晶反應(yīng)形成晶核而成，而瀝青老化前后蠟含量相對(duì)穩(wěn)定，單個(gè)“蜂型結(jié)構(gòu)”的面積逐漸增大則說(shuō)明瀝青在老化過(guò)程中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等大分子數(shù)量在增加。同時(shí)，“蜂”形結(jié)構(gòu)數(shù)量逐漸減少說(shuō)明瀝青在老化過(guò)程中部分飽和分、芳香分輕組分轉(zhuǎn)變成瀝青質(zhì)、膠質(zhì)，“蜂”形結(jié)構(gòu)會(huì)隨之發(fā)生相融的現(xiàn)象，使得瀝青中“蜂”形結(jié)構(gòu)的面積逐漸增大。

圖11 不同老化程度高含量SBS改性瀝青AFM圖像Fig.11 AFM image of high-viscosity asphalt with different aging degrees

圖12 “蜂”形結(jié)構(gòu)面積計(jì)算方法Fig.12 Calculation method of “bee”-shaped structure area

圖13 “蜂”形結(jié)構(gòu)的數(shù)量Fig.13 Number of “bee”-shaped structures

圖14 單個(gè)“蜂”形結(jié)構(gòu)面積Fig.14 Single “bee”-shaped structure area

綜上，將高含量SBS改性瀝青性能與組分變化試驗(yàn)結(jié)果與普通SBS改性瀝青相比，發(fā)現(xiàn)不同含量SBS改性瀝青老化初期主要發(fā)生聚合物降解，長(zhǎng)期老化會(huì)顯著影響SBS改性瀝青的高低溫性能。然而，高含量SBS改性瀝青高溫性能、低溫性能方面變化幅度較普通SBS改性瀝青低。在經(jīng)歷長(zhǎng)期老化后，相比較普通SBS改性瀝青，高含量SBS改性瀝青的彈性響應(yīng)最小。此外，高含量SBS改性瀝青的高低溫性能較普通SBS改性瀝青更優(yōu)。

3 結(jié)論

(1)高含量SBS改性瀝青物理指標(biāo)中25 ℃針入度、15 ℃延度隨瀝青老化程度的增加而減小，軟化點(diǎn)則反之。流變性能中，隨著高含量SBS改性瀝青老化程度的增加，復(fù)數(shù)模量、蠕變速率增大，恢復(fù)率R先減小后增大，不可恢復(fù)蠕變Jnr與相位角則反之。

(2)高含量SBS改性瀝青的高溫流變性隨老化程度的增加呈先降低后增加的趨勢(shì)，低溫流變性逐漸降低。高含量SBS改性瀝青老化分為兩個(gè)階段，短期老化以及1PAV以SBS聚合物降解老化為主，而2PAV階段以瀝青的熱氧老化為主。

(3)FTIR試驗(yàn)表明，SBS的降解在短期老化期間就會(huì)發(fā)生，但是降解程度較低，隨著老化時(shí)間的增加，SBS的降解程度逐漸增大。同時(shí)，AFM試驗(yàn)中，隨著高含量SBS改性瀝青老化程度的增加，“蜂”形結(jié)構(gòu)數(shù)量降低，單個(gè)面積增大，瀝青組分向膠質(zhì)、瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變。