浅析不同SBS 掺量沥青混合料耐老化性能

■赖锦兴

（福建省交通科技发展集团有限责任公司，福州 350004）

沥青路面在施工和使用过程中因受到高温、氧化、 紫外线等影响而发生热氧老化和紫外老化，使得沥青性能下降，与集料的粘附性降低，出现集料脱落，沥青路面的破坏应变减小并产生裂缝，路用性能显著降低，导致路面过早出现病害而减少其使用寿命[1]。 因此，有必要通过研究沥青混合料的耐老化性能，优选耐久性较好的沥青混合料，以延长沥青路面的使用寿命。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

试验所用基质沥青为福建省常用的70# 道路石油沥青，所用SBS 改性剂为燕山星型SBS4303改性剂， 集料为玄武岩纤维，SMA 型沥青混合料的加筋纤维为木质素纤维。

1.2 沥青混合料的短期热氧老化

沥青混合料拌合后， 以21～22 kg/m2的密度松铺，将混合料置于135℃±3℃老化条件下（烘箱内采用电加热与温度维持， 以间歇强制通风进行供养）老化4 h±5 min，每隔1 h 整体翻动1 次，以模拟混合料摊铺时的短期老化。

1.3 沥青混合料的长期紫外老化

将短期老化的混合料置于顶部安装有500 W紫外灯的改进型TFOT 烘箱中，通过老化箱自动控温系统控制试验温度为60℃。 将拌合均匀的沥青混合料以密度约21～22 kg/m2状态松铺，每12 h 翻动1 次，老化5 d，其辐射强度相当于我国太阳能辐射较强的二类地区1 年的紫外线强度，约为600 kJ/cm2·a。

1.4 沥青混合料的海水环境老化

参照沥青混合料浸水马歇尔试验方法进行海水环境老化。 向恒温水槽中注入福州长乐所取的海水，控制恒温水槽中海水的温度为25℃，将成型的马歇尔试验试件放入恒温水槽中老化12 h，然后取出并放入25℃的恒温环境中，自然干燥12 h，此为海水环境老化的1 次循环。 本项目中沥青混合料的海水环境老化循环次数为5 次。 5 次海水环境循环老化后，进行相关性能测试。

2 沥青混合料老化性能评价

经过老化， 沥青混合料的各项性能发生劣化，为评价沥青混合料的老化程度，本文确定了马歇尔稳定度变化率、动稳定度变化率、疲劳寿命变化率3 项指标，采用指标的大小来判断沥青混合料的老化情况。 马歇尔稳定度变化率、动稳定度变化率、疲劳寿命变化率的计算方法分别为：

马歇尔稳定度变化率=老化后马歇尔稳定度/老化前马歇尔稳定度×100% （1）

动稳定度变化率=老化后动稳定度/老化前动稳定度×100% （2）

研究在不同射击工况下的弹丸膛内运动规律，对弹丸装药的设计和弹炮匹配性设计具有一定的指导意义，未来将对不同磨损程度的身管内弹丸运动规律作进一步的研究。

疲劳寿命变化率=老化后疲劳寿命/老化前疲劳寿命×100% （3）

根据变化率计算结果，3 项变化率指标越接近100%，说明老化对沥青混合料的性能影响越小，即沥青老化程度越小。

3 试验结果分析

3.1 短期热氧老化

（1）马歇尔稳定度变化率

由图1 可知，经过短期热氧老化的AC-13 型沥青混合料马歇尔稳定度整体变化率随着SBS 掺量的增加先降低后放缓；当SBS 掺量由2%增加至3%时， 马歇尔稳定度变化率下降最明显，SBS 掺量对增加沥青的抗老化性能也最明显；当掺量增加至4%时，马歇尔稳定度变化率曲线放缓；随着SBS 掺量的再次增加，又再次明显降低；当SBS 掺量为5%～6%时，经过短期老化，AC-13 型沥青马歇尔稳定度变化率达到临界平台约为108.5%左右。

图1 短期热氧老化对不同SBS 掺量的沥青混合料马歇尔稳定度变化率的影响

随着SBS 掺量的增加，SMA-13 型沥青混合料的马歇尔稳定度变化率也逐渐减小。 且短期热氧老化对SMA-13 型沥青混合料的马歇尔稳定度变化率影响随SBS 掺量的增加而减小的速率是逐渐减缓的，掺量超过4%速率减小变缓。

（2）动稳定度变化率

由图2 可知，经过短期热氧老化的AC-13 型沥青混合料动稳定度变化率随着SBS 掺量的增加呈下降趋势；当SBS 掺量由2%增加至3%时，动稳定度变化率并无明显变化，SBS 掺量的变化此时并未影响到沥青老化前后的动稳定度比值；随着SBS 掺量的进一步增加，AC-13 型沥青混合料经过短期热氧老化的动稳定变化率开始降低； 当掺量增加至5%时，变化曲线有所放缓；当SBS 掺量由5%增加至6%，动稳定度变化率再次下降明显。低掺量情况下，SBS 掺量与动稳定变化率成负相关， 与沥青的抗老化性呈正相关。 短期热氧老化对SMA-13 型沥青混合料的动稳定度变化率的影响显著，随着SBS掺量的增加，SMA-13 型沥青混合料的动稳定度变化率呈下降趋势，动稳定度变化率减少速度先加快后减慢。

图2 短期热氧老化对不同SBS 掺量的沥青混合料动稳定度变化率的影响

（3）疲劳寿命变化率

由图3 可知，随着SBS 掺量的增加，经过短期热氧老化的AC-13 型沥青混合料的疲劳寿命变化率先增加后减少；随着SBS 掺量的增加，疲劳寿命变化率初期增加较缓慢， 当SBS 掺量从4%增加至5%时，疲劳寿命变化率快速增加至峰值约为93%，此时短期热氧老化对AC-13 型沥青混合料疲劳寿命影响最小， 沥青的抗老化性能最好， 其后随着SBS 掺量的再次增加，沥青的抗老化性随着疲劳寿命变化率的降低而降低。 短期热氧老化对SMA-13型沥青混合料疲劳寿命变化率的影响与SBS 掺量有关，SBS 掺量从2%增加到5%时，SMA-13 型沥青混合料疲劳寿命变化率随掺量增加而增加，SBS 掺量从5%增加到6%时，SMA-13 型沥青混合料疲劳寿命变化率随掺量增加而减小。

图3 短期热氧老化对不同SBS 掺量的沥青混合料疲劳寿命变化率的影响

3.2 长期紫外老化

（1）马歇尔稳定度变化率

由图4 可知， 随着SBS 掺量的增加，AC-13 型沥青混合料马歇尔稳定度变化率在长期紫外老化的影响下不断减小，AC-13 型沥青混合料马歇尔稳定度变化率的减小速率先增大后减小。随着SBS 掺量的增加，SMA-13 沥青混合料马歇尔稳定度变化率与AC-13 型沥青混合料相似，主要区别为掺量为2%～3%时，SMA-13 型沥青混合料马歇尔稳定度变化率减小速度更缓慢。

图4 长期紫外老化对不同SBS 掺量的沥青混合料马歇尔稳定度变化率的影响

（2）动稳定度变化率

由图5 可知， 随着SBS 掺量的增加，AC-13 型沥青混合料动稳定度变化率下降的速率呈现出先减小后增大再减小的特点。 随着SBS 掺量的增加，SMA-13 型沥青混合料动稳定度变化率在长期紫外老化的影响下不断减小，减小的速率先增大后减小。

图5 长期紫外老化对不同SBS 掺量的沥青混合料动稳定度变化率的影响

（3）疲劳寿命变化率

由图6 可知， 随着SBS 掺量的增加，AC-13 型沥青混合料疲劳寿命变化率在长期紫外老化的影响下不断增大且疲劳寿命变化率增加的速率先变大后减小，最后又增大。 随着SBS 掺量的增加，SMA-13 型沥青混合料疲劳寿命变化率在长期紫外老化的影响下逐渐增大。当SBS 掺量超过5%时，变化率降低，没有超过5%时，变化率增加的速率先增大后减小。

图6 长期紫外老化对不同SBS 掺量的沥青混合料疲劳寿命变化率的影响

3.3 海水环境老化

与普通环境下的沥青路面水损坏相比， 滨海盐环境及其严苛气候条件下沥青混合料水损坏的形成机理具有其特殊性和复杂性。 目前，有关沥青混合料水损坏的研究已取得了众多重要研究成果，但在中国南部滨海的盐环境地区，夏季高温高湿、冬季微冻融及盐蚀的共同作用对沥青混合料的水损伤性能影响很大，也很复杂，相关研究必不可少。

（1）马歇尔稳定度变化率

由图7 可知，在海水环境老化后，沥青混合料马歇尔稳定度显著降低，主要原因是海水环境老化后，海水进入到混合料内部，随着水分的蒸发，海水中的盐分晶体在试件内部慢慢累积并结晶膨胀，破坏沥青混合料内部结构，同时海水中的离子会使沥青乳化，进一步降低沥青混合料强度。 随着SBS 改性剂掺量增加，AC-13 型和SMA-13 型沥青混合料老化后沥青混合料残留马歇尔稳定度均增大。 当SBS 掺量达到4%左右时， 沥青混合料残留马歇尔稳定度增速趋于平缓， 但随着SBS 掺量继续增加，沥青混合料残留马歇尔稳定度增速又继续增大，整体曲线呈波浪线形。

（2）动稳定度变化率

由图8 可知，海水环境老化后，沥青混合料动稳定度下降，随着SBS 掺量上升，沥青混合料残留动稳定度增加。 当SBS 改性剂掺量较低时，AC-13型和SMA-13 型沥青混合料残留动稳定度增加不明显，但当SBS 掺量达到3%后继续增加SBS 掺量，沥青混合料残留动度明显增加。

图8 海水环境老化对不同SBS 掺量的沥青混合料动稳定度变化率的影响

（3）疲劳寿命变化率

由图9 可知，海水环境老化后，沥青混合料的疲劳寿命减低、抗疲劳性能下降。 当SBS 掺量较小时，随着SBS 掺量上升，沥青混合料残留疲劳寿命增加和沥青混合料抗疲劳性能得到明显改善，但当SBS 掺量达到4%后，随着SBS 掺量的增加，其残余疲劳寿命增长趋于平缓，整体曲线呈凸曲线形。

图9 海水环境老化对不同SBS 掺量的沥青混合料疲劳寿命变化率的影响

4 结论

本文围绕SBS 改性剂的不同掺量对改性沥青混合料的路用性能和抗老化性能展开研究，得出如下结论：（1）当密级配型和间断级配型改性沥青混合料受到短期老化和长期老化时，其基本路用性能均会受到不良影响而导致沥青性能劣化，从而加速沥青混合料的破坏。 （2）随着SBS 改性剂含量的增加，短期老化和长期老化对沥青混合料性能的影响也均随之递减，表明SBS 改性剂的加入可以在一定程度上提高沥青材料的抗老化性能，进而增强沥青混合料的耐老化性能； 并且当SBS 改性剂含量从4%增加至5%以上时，SBS 对混合料耐老化性能的改善作用减缓。 综合考虑性能和成本，SBS 沥青中SBS 改性剂最佳掺量为5%左右。 （3）随着盐雾环境下水的侵蚀，沥青混料高温稳定度和车辙动稳定度都会随之下降，随着改性剂含量的增加，其受到的影响也随着减小；根据沥青混合料耐久性能研究也可以得到相同变化趋势。 （4）相较密级配型，间断级配型改性沥青混合料受到短期老化、长期老化和盐雾环境老化时均表现出了更好的路用性能和抗老化性能。