SBS改性瀝青抗老化性能研究

摘 要：根據(jù)3種基質(zhì)瀝青的組分和特性，本研究選用兩種SBS改性劑進(jìn)行復(fù)配，制備了兩組基礎(chǔ)SBS改性瀝青。為研究其抗老化性能，采用瀝青薄膜加熱試驗對不同熱穩(wěn)定劑摻量下的改性瀝青的抗老化性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，SBS改性瀝青在老化后軟化點(diǎn)、5℃延度和135℃黏度均有所降低，材料的交聯(lián)結(jié)構(gòu)受到破壞，低溫抗裂性和流變性明顯下降，但摻入熱穩(wěn)定劑有效抑制了老化現(xiàn)象；合理選擇和優(yōu)化熱穩(wěn)定劑的種類和摻量，可以顯著提高SBS改性瀝青的抗老化性，延長其使用壽命。

關(guān)鍵詞：SBS改性瀝青；抗老化性能；熱穩(wěn)定劑；軟化點(diǎn)差值；延度損失率；黏度老化指數(shù)

中圖分類號：U 41" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

SBS改性瀝青因其優(yōu)異的抗裂性和耐久性，廣泛應(yīng)用于高速公路[1]、橋梁[2]和機(jī)場跑道[3]等工程領(lǐng)域。然而，盡管SBS改性瀝青在改善路面使用性能方面表現(xiàn)突出，但是其在長期服役過程中仍存在抗老化性能不足的問題，尤其是在高溫環(huán)境下，容易因熱氧化老化導(dǎo)致材料性能劣化，從而影響路面的使用壽命[4]。因此，大量學(xué)者對其進(jìn)行了深入研究。秦堅等[5]在SBS改性瀝青中摻入不同量的凹凸棒土，通過一系列試驗認(rèn)為低于7.5%摻量的凹凸棒土可以有效降低瀝青的老化速率。王詩雨等[6]研究了相容劑組分對SBS改性瀝青抗老化性能的影響，結(jié)果表明，相容劑芳香分含量越高、飽和分含量越低，SBS改性瀝青抗老化性能越佳。

本文設(shè)計兩組基礎(chǔ)SBS改性瀝青配方，并摻入不同摻量的熱穩(wěn)定劑，對其在高溫下的抗老化性能進(jìn)行研究。所得結(jié)果可為SBS改性瀝青的配方設(shè)計和實際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青性能及配比

本文瀝青用以下3種不同硬度和不同適用性的基質(zhì)瀝青復(fù)配得到。

瀝青1：標(biāo)號70#，硬度較高，針入度較低，適用于高溫地區(qū)，能在高溫環(huán)境下保持較好的穩(wěn)定性。

瀝青2：標(biāo)號90#，硬度中等，針入度中等，廣泛用于溫帶地區(qū)，兼顧了高溫穩(wěn)定性和低溫柔性。

瀝青3：標(biāo)號200#，質(zhì)地較軟，針入度較高，適用于嚴(yán)寒氣候區(qū)，能在低溫環(huán)境中保持良好的柔性，減少了溫度變化引起的開裂風(fēng)險。

根據(jù)規(guī)范試驗測得3種瀝青的指標(biāo)見表1。

對上述3種基質(zhì)瀝青進(jìn)行飽和分、芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)四組分的分離試驗，所得結(jié)果如下。其中，飽和分是由鏈烷烴（直鏈和支鏈）及環(huán)烷烴（飽和環(huán)狀化合物）組成的透明或半透明的油狀液體，具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，能有效提高瀝青的柔韌性和抗老化性能。在3種基質(zhì)瀝青中，瀝青3的飽和分含量最高約為26%，而瀝青1和瀝青2的含量僅為11%和16%，即瀝青3在寒冷氣候下的抗裂性能和耐久性能更好。

芳香分是一種芳香烴類化合物，主要由稠環(huán)芳烴組成，深棕色的黏稠液體，可以起到溶解其他組分、調(diào)節(jié)流變性能的作用，可提高瀝青的黏度和流動性，同時對瀝青的低溫性能和柔韌性有重要影響。在3種基質(zhì)瀝青中，芳香分的含量均超過40%，即3種瀝青均具有較高的黏度和良好的溶解能力。

膠質(zhì)是由高分子量的多環(huán)芳烴和極性化合物組成，深棕色固體，可以起到增加黏度和提高彈性的作用，并賦予瀝青更好的黏附性和抗變形能力，尤其在高溫下能夠提高瀝青的穩(wěn)定性和抗車轍能力。在3種基質(zhì)瀝青中，膠質(zhì)的含量約為20%，即3種瀝青均具有較好的黏附性和彈性。

瀝青質(zhì)是黑棕色固體，常以微粒形式分散存在，起到骨架作用，可以賦予瀝青較高的強(qiáng)度和硬度，提高其抗老化性能和耐久性，但其過高的含量可能會導(dǎo)致瀝青脆性增加，影響低溫性能。在3種瀝青中，瀝青1的瀝青質(zhì)含量最高為19%，瀝青2和瀝青3的瀝青質(zhì)含量接近，即瀝青1硬度和強(qiáng)度均較高，在高溫環(huán)境下的抗變形性能和抗老化性能更優(yōu)。

1.2 SBS改性劑性能

目前市面上的SBS改性劑種類繁多，通常可以分為線型和星型兩類。線型SBS改性劑適用于需要提高低溫性能和抗裂性的應(yīng)用。而星型SBS改性劑適合用于高溫或重載條件下的工程。本文選用2種不同的星型改性劑，其性能指標(biāo)參數(shù)如下。

改性劑1：型號為T162，其苯乙烯嵌段與丁二烯嵌段的比例為3∶7。當(dāng)拉伸至原始長度的300%時，所需的拉力為1.5MPa，拉伸強(qiáng)度為18MPa，拉斷伸長率為625%，永久變形為30%。

改性劑2：型號為T161B，其苯乙烯嵌段與丁二烯嵌段的比例為3∶7。當(dāng)拉伸至原始長度的300%時，所需的拉力為1.9MPa，拉伸強(qiáng)度為18MPa，拉斷伸長率為650%，永久變形為30%。

1.3 外加劑性能

本研究所用外加劑主要有相容劑、穩(wěn)定劑和熱穩(wěn)定劑3種。選用糠醛抽出油作為相容劑，其摻量為3%?；瘜W(xué)交聯(lián)劑作為穩(wěn)定劑，其摻量為0.3%。選用兩種受阻酚類抗氧劑（型號1010和型號1076）作為熱穩(wěn)定劑。

2 SBS改性瀝青的抗老化性能

2.1 試驗設(shè)計

綜合考慮3種基質(zhì)瀝青的組成分布、基本性質(zhì)以及兩種SBS改性劑的性能指標(biāo)，設(shè)置2組SBS改性瀝青。

SBS改性瀝青1：由瀝青1和瀝青3按照6∶4的比例，摻入10%的改性劑2配合而成，將其標(biāo)記為G1。

SBS改性瀝青2：由瀝青2和瀝青3按照7∶3的比例，摻入10%的改性劑1配合而成，將其標(biāo)記為G2。

為了進(jìn)一步研究SBS改性瀝青在高溫條件下的抗老化性能，本文對G1和G2兩組改性瀝青樣品分別摻入0.3%、0.6%、0.9%和1.2%的熱穩(wěn)定劑。為了模擬瀝青在高溫施工過程中的老化情況，根據(jù)規(guī)范，對上述改性瀝青進(jìn)行瀝青薄膜加熱試驗，其步驟如下。1）試樣制備：將一定質(zhì)量的瀝青試樣均勻地涂布在標(biāo)準(zhǔn)試驗皿內(nèi)，形成厚度為3.2mm的薄膜，并確保薄膜厚度均勻。2）加熱處理：將試驗皿置于薄膜加熱試驗箱中，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度163°C進(jìn)行加熱，持續(xù)時間為5h。此過程旨在模擬瀝青在實際施工中所經(jīng)歷的高溫氧化環(huán)境，研究其熱氧化老化行為。3）冷卻與性能測定：在加熱結(jié)束后，將試樣置于室溫下冷卻。待冷卻至常溫后，對各試樣軟化點(diǎn)、5℃延度及135℃黏度等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測定，評估其老化程度。

2.2 結(jié)果分析

上述改性瀝青老化試驗前后的軟化點(diǎn)差值如圖1所示。由試驗結(jié)果可知，老化試驗后，各試驗組改性瀝青的軟化點(diǎn)均有降低。而未摻入熱氧化劑時，其試驗前后軟化點(diǎn)差值最大，因此可知熱穩(wěn)定劑可以有效抑制SBS改性瀝青的老化。

對基礎(chǔ)組G1來說，摻熱穩(wěn)定劑1076的改性瀝青試驗前后軟化點(diǎn)差值相對較小，抗老化作用越明顯。當(dāng)熱穩(wěn)定劑1076的摻量為1.2%時，軟化點(diǎn)差值最小。

對基礎(chǔ)組G2來說，摻熱穩(wěn)定劑1010的改性瀝青試驗前后軟化點(diǎn)差值相對較小，抗老化作用越明顯。當(dāng)熱穩(wěn)定劑1010摻量為0.6%時，軟化點(diǎn)差值最小。

上述改性瀝青老化試驗前后的延度損失率如圖2所示。由試驗結(jié)果可知，老化試驗后，各試驗組改性瀝青5℃延度均存在一定的損失，而未摻入熱氧化劑的試驗組的延度損失率最大，即其低溫抗裂性明顯下降。而摻入熱穩(wěn)定劑后，改性瀝青的延度損失率明顯降低，即熱穩(wěn)定劑可以有效提高老化后瀝青的低溫抗裂性。

對基礎(chǔ)組G1來說，摻入0.9%以上的熱穩(wěn)定劑1076才能使其延度損失率降至20%以下。熱穩(wěn)定劑1010對其影響相對較小，試驗組延度損失率均在20%以上。

而對基礎(chǔ)組G2來說，熱穩(wěn)定劑1010的摻量越多，延度損失率越低。當(dāng)其摻量在0.6%～1.2%時，改性瀝青的延度損失率低于20%。而熱穩(wěn)定劑1076的摻量對延度損失率的影響較小，當(dāng)摻量為0.9時，其延度損失率為18.9%，其余試驗組延度損失率均高于20%。

上述改性瀝青老化試驗前后的黏度老化指數(shù)絕對值如圖3所示。由試驗結(jié)果可知，老化試驗后，各試驗組改性瀝青135℃黏度均存在一定下降，在老化作用下，SBS改性瀝青的流變性能顯著降低。未摻入熱氧化劑的試驗組的黏度老化指數(shù)最大，劣化最為明顯。

對基礎(chǔ)組G1來說，熱穩(wěn)定劑1076的改善效果最佳，當(dāng)其摻量為1.2%時，黏度老化指數(shù)絕對值最小，為12.5%。對基礎(chǔ)組G2來說，熱穩(wěn)定劑1010的改善效果最佳，當(dāng)其摻量為1.2%時，黏度老化指數(shù)絕對值最小，為13.3%。

綜合考慮上述3項基礎(chǔ)性能指標(biāo)可知，對基礎(chǔ)組G1來說，熱穩(wěn)定劑1076的改善效果最佳，最佳摻量為0.9%。對基礎(chǔ)組G2來說，熱穩(wěn)定劑1010的改善效果最佳，最佳摻量為1.2%。

3 結(jié)論

研究對3種不同硬度和適用性的基質(zhì)瀝青進(jìn)行組合配比，并與兩種SBS改性劑進(jìn)行復(fù)配，得到兩組基礎(chǔ)SBS改性瀝青。為研究其抗老化性能，采用瀝青薄膜加熱試驗對不同熱穩(wěn)定劑摻量下的改性瀝青樣品進(jìn)行了老化試驗，得出以下結(jié)論。1）SBS改性瀝青在老化后軟化點(diǎn)均有所降低，表明老化過程對材料的交聯(lián)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞。摻入熱穩(wěn)定劑有效抑制了SBS改性瀝青的老化，G1組摻入1.2%熱穩(wěn)定劑1076，G2組摻入0.6%熱穩(wěn)定劑1010，軟化點(diǎn)差值最小。2）老化后的改性瀝青延度損失明顯，其中未摻入熱穩(wěn)定劑的試樣延度損失率最高，低溫抗裂性下降顯著。熱穩(wěn)定劑1076對G1組的低溫抗裂性改善效果更優(yōu)，熱穩(wěn)定劑1010對G2組低溫抗裂性的改善效果更優(yōu)。3）老化后的黏度老化指數(shù)顯著增加，表明材料的流變性能明顯下降。在G1組中，當(dāng)熱穩(wěn)定劑1076摻量0.9%時，黏度老化指數(shù)最小。在G2組中，當(dāng)熱穩(wěn)定劑1010摻量1.2%時，黏度老化指數(shù)最小。4）通過合理選擇和優(yōu)化熱穩(wěn)定劑的種類和摻量，可以顯著提高SBS改性瀝青的抗老化性，延長其使用壽命。對G1組來說，0.9%的熱穩(wěn)定劑1076改善效果最佳，對G2組來說，1.2%的熱穩(wěn)定劑1010改善效果最佳。

參考文獻(xiàn)

[1]王超，任正陽，周波超，等.不同種類道路瀝青材料異味特征及析源分析[J].材料導(dǎo)報，2024，38（2）：268-272.

[2]趙明宇，李志強(qiáng)，譙理格，等.大跨徑鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁橋面鋪裝材料的研究與應(yīng)用[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，39（2）：287-295.

[3]張冰洋，解建光，張芷英，等.機(jī)場跑道改性瀝青混凝土抗沖擊性能[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2023，55（1）：139-145.

[4]郭猛，任鑫，焦峪波，等.瀝青及瀝青混合料老化與抗老化研究綜述[J].中國公路學(xué)報，2022，35（4）：41-59.

[5]秦堅，唐基凱，韋夢賢，等.凹凸棒土/SBS復(fù)合改性瀝青抗老化性能與熱穩(wěn)定性研究[J].公路，2024，69（8）：339-345.

[6]王詩雨，董夫強(qiáng)，于新，等.相容劑組成對SBS改性瀝青抗老化性能的影響[J].建筑材料學(xué)報，2023，26（9）：996-1002.