SBS改性瀝青微波加熱老化試驗研究

摘" 要：該研究旨在探討SBS改性瀝青在微波加熱條件下的老化行為，系統(tǒng)分析微波加熱老化后瀝青的軟化點(diǎn)、針入度、延度、多重應(yīng)力蠕變回復(fù)（MSCR）性能和黏附性的變化。結(jié)果表明，微波加熱顯著加速SBS改性瀝青的老化過程，導(dǎo)致軟化點(diǎn)提高，針入度和延度降低，反映出材料硬化的趨勢；MSCR測試結(jié)果顯示，老化瀝青的蠕變恢復(fù)能力減弱，應(yīng)變恢復(fù)率減小、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭龃?；與集料的黏附性下降。在微波加熱作用下，SBS改性瀝青的性能退化主要與高分子結(jié)構(gòu)的破壞和交聯(lián)密度的增加有關(guān)。

關(guān)鍵詞：瀝青老化；微波加熱；多重應(yīng)力蠕變試驗；流變性能；黏附性

中圖分類號：U414" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0063-04

在道路建設(shè)與維護(hù)中，瀝青材料的長期性能是決定道路質(zhì)量和壽命的關(guān)鍵因素之一。隨著使用時間的延長和環(huán)境因素的影響，瀝青會逐漸老化，其物理和化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化，導(dǎo)致道路表面出現(xiàn)龜裂、松散等多種病害[1]。因此，準(zhǔn)確模擬并研究瀝青的老化過程，對于提高道路材料的設(shè)計與維護(hù)策略具有重要意義。傳統(tǒng)的瀝青老化研究方法如熱風(fēng)老化和紫外線老化，雖能模擬自然環(huán)境下的老化情況，但通常耗時較長，且難以模擬高溫快速老化過程[2-3]。微波加熱技術(shù)作為一種新型的加熱手段，因其加熱速度快、熱效率高、易于控制等特點(diǎn)，被提出用于瀝青的快速老化研究。微波加熱能夠通過電磁波作用使瀝青內(nèi)部分子迅速振動產(chǎn)生熱量，從而在較短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境，加速瀝青的老化過程[4-5]。本研究旨在探討微波加熱對瀝青老化的影響，研究不同微波加熱條件對瀝青性能的影響，通過對瀝青老化后的性能評估以及老化機(jī)理的分析，以期為瀝青道路的施工和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1" 微波加熱原理及試驗設(shè)計

1.1" 微波加熱原理

微波加熱瀝青老化試驗是一種使用微波技術(shù)，基于電磁波的介電加熱原理來模擬和加速瀝青在道路使用過程中因高溫和環(huán)境因素導(dǎo)致的老化過程。微波是一種電磁波，其頻率范圍通常在300 MHz～300 GHz，當(dāng)微波穿透瀝青材料時，瀝青中的極性分子（如某些油分子組分）會因為微波電場的影響而快速振動，分子偶極子會發(fā)生周期性轉(zhuǎn)動和極化重排，分子間的相互摩擦和碰撞產(chǎn)生熱量，并在材料內(nèi)部均勻分布，導(dǎo)致瀝青整體溫度升高。微波加熱過程中的介電損耗（P）可以用以下公式表示

式中：f為微波頻率；？著″為材料的介電損耗因子；E為電場強(qiáng)度。由此可見，微波加熱效率與材料的介電性質(zhì)和微波頻率直接相關(guān)。

微波在介質(zhì)中傳播時的吸收和衰減通過下式表述

式中：P（z）為在距離微波源z處的功率；P0為微波源初始功率；？琢為衰減系數(shù)，其與介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率相關(guān)。對于瀝青材料，其吸收微波能量的能力主要由介電常數(shù)和介電損耗因子決定。實(shí)際應(yīng)用中，瀝青的介電特性決定了其對微波的吸收效率和加熱速率。

在微波加熱過程中，瀝青材料會發(fā)生一系列熱氧化和化學(xué)反應(yīng)。高溫使得瀝青中的輕質(zhì)組分揮發(fā)，重質(zhì)組分發(fā)生聚合或交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致瀝青的硬化和脆化。熱氧化反應(yīng)過程中，瀝青中的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生新的化學(xué)鍵和交聯(lián)點(diǎn)，使得材料的物理性能如黏度、滲透性和延展性發(fā)生顯著變化。這種變化主要通過以下化學(xué)反應(yīng)過程實(shí)現(xiàn)

式中：R-H為瀝青中的有機(jī)分子；O2為氧氣分子；R-O-O-H為過氧化物；R-O·和O-H·為自由基。在高溫和微波能量的作用下，這些自由基發(fā)生聚合和交聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致材料的硬化和性能劣化。這種變化影響了瀝青的黏度、滲透性、延伸性和彈性等性能指標(biāo)。

1.2" 微波加熱特性

1.2.1" 快速加熱

微波能直接穿透物質(zhì)內(nèi)部并在其中快速產(chǎn)生熱量，可以在短時間內(nèi)將物質(zhì)加熱到所需溫度。

1.2.2" 選擇性加熱

由于不同物質(zhì)的介電常數(shù)和損耗因數(shù)不同，微波加熱具有一定的選擇性，如水分含量高的部分會比干燥部分吸收更多的微波能量，從而更快地加熱。

1.2.3" 能量效率高

微波加熱的能量轉(zhuǎn)化效率通常高于傳統(tǒng)加熱方法，能量直接轉(zhuǎn)換為熱量，減少了熱量在傳遞過程中的損失。

1.2.4" 均勻性

微波加熱能實(shí)現(xiàn)更均勻的加熱分布，盡管實(shí)際應(yīng)用中可能由于微波場分布的不均勻或樣品本身的不均勻性而受到影響。

1.2.5" 無接觸加熱

微波加熱不需要物質(zhì)與加熱元件直接接觸，有利于減少設(shè)備的磨損和污染風(fēng)險，尤其適用于需要無菌條件或化學(xué)反應(yīng)條件的加熱。

1.2.6" 可控性

微波輸出功率可以精確控制，使得加熱過程可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制和加熱剖面。

1.3" 試驗設(shè)計

此試驗旨在評估微波老化對SBS改性瀝青的三大性能指標(biāo)（軟化點(diǎn)、針入度、延度）、多重應(yīng)力蠕變回復(fù)（MSCR）性能及黏附性的影響，以便深入了解高溫和微波輻射對改性瀝青性能的綜合作用。

本文中微波加熱老化試驗采用VE12-MKX型微波加熱設(shè)備，微波功率6 kW，微波頻率2 600 Hz。首先，稱取300 g瀝青至坩堝中，微波加熱至溫度達(dá)到160 ℃停止加熱，待冷卻至130 ℃后再次加熱至160 ℃，每次加熱—冷卻為一個循環(huán)，通過循環(huán)“冷卻—加熱”來實(shí)現(xiàn)瀝青的老化。微波加熱循環(huán)次數(shù)擬選擇0、10、20、30、40和50次。

2" 微波加熱對瀝青基本性能的影響

首先研究了微波加熱對瀝青基本性質(zhì)的影響，試驗結(jié)果如圖1—圖3所示?？梢娢⒉訜釋r青的三大常規(guī)性能指標(biāo)（軟化點(diǎn)、針入度和延度）有顯著影響，隨微波加熱循環(huán)次數(shù)增加，瀝青針入度和延度下降，軟化點(diǎn)提高。分析原因可知，微波加熱產(chǎn)生的高溫加速了瀝青中輕質(zhì)組分的揮發(fā)以及分子間可能的交聯(lián)反應(yīng)，這些化學(xué)變化增加了瀝青的黏度，使得瀝青在達(dá)到軟化狀態(tài)前需要更高的溫度；與此同時，在微波加熱過程中，高溫促進(jìn)了重質(zhì)組分的聚合，分子間發(fā)生更多的化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致瀝青變硬和更加致密，因此針入度和延度降低。這種變化意味著瀝青的可塑性和抗裂性變差，尤其在較低溫度下，可能導(dǎo)致材料易于發(fā)生脆性斷裂。

3" 微波加熱對瀝青流變性能的影響

本文采用DSR瀝青流變儀進(jìn)行多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗，試驗溫度擬選擇40、50、60、70和80 ℃，應(yīng)力選擇0.1、3.2 kPa以模擬輕型和重型交通荷載條件。試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4可知，隨溫度的升高，SBS改性瀝青的應(yīng)變恢復(fù)率在持續(xù)降低，主要原因是SBS聚合物的熱敏感性及高溫條件下瀝青基質(zhì)支撐作用的減弱。SBS是一種三元共聚物，具有獨(dú)特的塊狀結(jié)構(gòu)，其中苯乙烯塊提供硬段，丁二烯塊提供軟段，常溫條件下SBS表現(xiàn)出良好的彈性和高的應(yīng)變恢復(fù)能力，隨著溫度的升高，SBS聚合物的硬段可能會因熱運(yùn)動加劇而逐漸松弛，導(dǎo)致物理交聯(lián)點(diǎn)的斷裂。SBS中的軟段丁二烯部分在高溫下會變得更加流動，減少了分子間的摩擦和相互作用力，這也加劇了聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的松弛。因此，當(dāng)SBS改性瀝青受到重復(fù)應(yīng)力時，材料的結(jié)構(gòu)變化降低了其即時反彈的能力，導(dǎo)致應(yīng)變恢復(fù)率下降。此外，瀝青基質(zhì)在高溫下的黏度降低，不能有效地支撐SBS聚合物結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加劇了恢復(fù)率的下降。

從圖4中還可以看出，隨著微波加熱循環(huán)次數(shù)的不斷增加，SBS改性瀝青的應(yīng)變恢復(fù)率在逐步提高，分析原因可能在于微波加熱促進(jìn)了SBS聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重新排列，導(dǎo)致聚合物塊之間的交聯(lián)度增加，從而增強(qiáng)了材料的彈性和應(yīng)變恢復(fù)能力；其次，微波加熱過程中的溫度控制也可能有助于優(yōu)化SBS聚合物和瀝青基質(zhì)之間的相容性，減少瀝青中揮發(fā)性成分的喪失，保持聚合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，這有助于改善聚合物的分散均勻性和提高復(fù)合材料的整體性能。

由圖5可知，當(dāng)溫度升高時，SBS改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繒饾u增大，這主要是由于SBS中的丁二烯組分在高溫下變軟，減弱了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和黏彈性。然而，通過微波加熱處理的SBS改性瀝青顯示出更低的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，這可能是因為微波加熱能夠更均勻快速地加熱瀝青，促進(jìn)SBS聚合物和瀝青基質(zhì)間更好地相容及交聯(lián)，從而增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)完整性和抗變形能力。

4" 微波加熱對瀝青集料黏附性的影響

基于表面自由能理論，分析了微波加熱對瀝青集料黏附性的影響，試驗結(jié)果如圖6、圖7所示。

由圖6可知，隨著微波加熱循環(huán)次數(shù)的增加，SBS改性瀝青的表面自由能和色散分量呈下降趨勢，而極性分量則呈上升趨勢。這種現(xiàn)象可能與微波加熱導(dǎo)致的分子結(jié)構(gòu)重組和化學(xué)環(huán)境變化有關(guān)，微波加熱能夠引發(fā)瀝青中的部分揮發(fā)性組分蒸發(fā)，減少了色散力主導(dǎo)的非極性區(qū)域。同時，加熱過程可能促進(jìn)了瀝青中極性組分的活化或新極性基團(tuán)的形成，如氧化反應(yīng)增加了含氧官能團(tuán)，從而增加了極性分量。這種改變直接影響改性瀝青的濕潤性和黏附性，圖7中可以看出，黏附功與微波加熱循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)，剝落功與微波加熱循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)。如前所述，微波加熱可能促進(jìn)了瀝青中極性組分的增加，可能通過氧化等反應(yīng)形成新的極性基團(tuán)，這些極性基團(tuán)能增強(qiáng)瀝青與聚合物或骨料之間的極性相互作用，此外微波加熱還可能改善聚合物的分布和瀝青基質(zhì)的相容性。

5" 結(jié)論

本研究深入探討了SBS改性瀝青在微波加熱條件下的老化特性和性能退化過程，主要結(jié)論如下：

1）微波加熱老化后的SBS改性瀝青軟化點(diǎn)提高、針入度和延度降低，說明瀝青在微波作用下逐漸硬化，耐高溫性增強(qiáng)，但會影響瀝青混合料在低溫時的抗裂性能。

2）經(jīng)過微波老化后的瀝青應(yīng)變恢復(fù)率隨著溫度的升高而降低，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S溫度的升高而增加，這說明微波加熱老化后瀝青的高溫穩(wěn)定性提高，抗車轍能力有所提升。

3）微波加熱老化處理后的SBS改性瀝青與骨料的黏附性能有所下降，這與老化過程中瀝青表面自由能和黏附功的降低有關(guān)，嚴(yán)重影響瀝青路面的抗剝落性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 剡海瑞.瀝青混合料老化的檢測評價對公路維修性能的影響[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2024，22（4）：20-22.

[2] 祁文洋，李立寒，張明杰，等.SBS改性瀝青的階段性老化特征與機(jī)理[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，44（1）：95-99.

[3] 王立軍，胡耀宗.紫外老化對瀝青混合料低溫性能及力學(xué)性能的影響研究[J].路基工程，2018（1）：56-59.

[4] 張明欣，朱興興，王清亮，等.瀝青-集料黏附性評價方法研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2022，36（S2）：129-136.

[5] 常琨，王選倉.SBS改性瀝青RTFOT老化黏附性量化評價方法研究[J].公路交通科技，2019，36（12）：29-36.

Abstract： The purpose of this study was to investigate the aging behavior of SBS modified asphalt under microwave heating， and systematically analyze the changes in softening point， penetration， ductility， multiple stress creep recovery （MSCR） properties and adhesion of asphalt after microwave heating aging. The results showed that microwave heating significantly accelerated the aging process of SBS modified asphalt， resulting in an increase in softening point， a decrease in penetration and ductility， reflecting the trend of material hardening. The MSCR test results show that the creep recovery ability of the aged asphalt is weakened， the strain recovery rate is reduced， the irrecoverable creep compliance is increased; and the adhesion to aggregate is reduced. Under the action of microwave heating， the performance degradation of SBS modified asphalt is mainly related to the destruction of polymer structure and the increase of crosslinking density.

第一作者簡介：胡敏（1990-），男，工程師。研究方向為道路與橋梁。