PA-1/UV-531/SBR复合改性沥青抗老化性能评价

闵天府，苏延桂，刘延金

(青海大学土木工程学院，青海 西宁 810016)

青海地处西北寒旱区，紫外线辐射强、气温低、风速大等气候特征导致沥青路面过早老化，路用性能严重降低。莫延英[1]通过对青海省高等级公路沥青路面病害调查发现，裂缝、泛油、坑槽与翻浆等是沥青路面的主要病害；黄班玛[2]对尖扎县和玛多县严冬期出现的路面裂缝病害进行了研究，认为严冬期温度骤降是导致沥青路面温缩裂缝的成因；杨凯[3]、艾长发等[4]研究表明，青海地区气温低、紫外线辐射强，易导致沥青发生老化，缩短沥青路面使用寿命，并指出开裂破坏是沥青路面病害的主要形式；张恒龙等[5]研究发现，SBS改性沥青老化后平均分子量会随重组分(沥青质和胶质)含量的增加而增大；代震[6]研究发现，沥青四组分与其微观结构具有很强的线性关联，随着老化程度加剧，沥青质和胶质的含量会增加；另外，有关研究也表明[7～9]，紫外线和低温开裂是引起沥青路面老化及破坏的主要原因。刘红瑛等[10]、马峰等[11]研究了PPA/SBR复合改性沥青的高低温性能，得到PPA/SBR复合改性沥青能改善PPA改性沥青高温抗老化性能的结论；张恒龙等[12]研究发现，抗剥落剂(M1、T9和LOF-6500)有利于提升胶粉改性沥青的低温性和延展性；申爱琴等[13]通过对PA-1型沥青和LX-6525型沥青的研究发现，抗剥落剂能促进沥青官能团的变化，使低温性能得到提高，适合寒冷地区道路使用；光稳定剂可提高沥青的抗紫外线老化性能，且不会对沥青的化学结构产生实质性影响[14～15]。

本研究采用抗剥落剂PA-1(以下简称PA-1)、抗紫外线剂UV-531(以下简称UV-531)、低温性能提升剂SBR(以下简称SBR)设计不同改性沥青方案，进行抗老化性能及高低温性能研究，为提高青海地区道路沥青路面路用性能提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究选用兰炼70#原油沥青，性能测试主要技术指标如表1所示。

PA-1技术指标：凝固点<0 ℃，密度0.95～0.99 g/cm3,pH>7；UN-531技术指标：熔点48～49 ℃，相对密度1.19 g/cm3(25 ℃)，透光率300～400 nm≥93(甲苯含量10 g/100 mL);SBR技术指标：分子量200 000～300 000,粒度830 μm,门尼黏度50～70 Pa·s。

1.2 试验方法

分别将PA-1、TX-2、SBR、桐油、UV-531、纳米TiO2按质量分数1%对基质沥青改性。结合四组分试验结果，通过开展三大指标(针入度、软化点和延度)、布什黏度、动态剪切流变(Dynamic Shear Rheometer，DSR)及低温弯曲梁流变(Bending Beam Rheometer，BBR)试验，对六种改性沥青进行性能评价。抗车辙因子G*/sinδ(复数模量/相位角正弦值)可反映沥青高温抗永久变形能力，以G*/sinδ作为高温性能评价指标，利用BBR在-12、-18和-24 ℃三种温度下进行低温试验。由于S/m(蠕变劲度/蠕变模量)值可表征沥青低温延塑性，因此将S/m值作为低温性能评价指标。本试验筛选出三种优质改性剂，按照2%的总掺量进行1∶1两掺复配，通过相同评价方法，筛选出抗老化性能提升最显著的两掺复配改性沥青；并设置不同掺量梯度的三掺复配方案，通过相同评价方法，确定最佳复配方案，得到终配改性沥青，并对其性能进行评价。

2 结果与分析

2.1 基质沥青和改性沥青四组分结果及分析

沥青各组分相互作用形成的结构体系会显著影响沥青的黏稠性。重组分(沥青质+胶质)占比越大，抗老化性能越好，因此可通过四组分含量来分析沥青老化机理和老化程度(图1)。图1中，A、B、C、D、E、F分别表示1.0%UV-531改性沥青、1.0%PA-1改性沥青、1.0%SBR改性沥青、1.0%PA-1+1.0%UV-531改性沥青、1.0%PA-1+1.0%UV-531+1.0%SBR改性沥青和0.7%PA-1+1.6%UV-531+1.0%SBR改性沥青。

根据沥青化学组分分析结果显示，随着改性剂的加入，重组分含量有所增加，说明改性剂可促使沥青胶体结构更趋向于凝胶型，此时沥青质和由胶质形成的胶团含量都很高，能提高沥青的抗老化性能。比较各种改性复配方案发现，改性沥青F重组分含量提高33.35%，抗老化效果最显著。

为了更好地分析四个组分之间相互作用对沥青胶体稳定性的影响，采用不稳定指数Ic进行评价。

Ic=[沥青质+饱和分]/[胶质+芳香分]

Ic越小，说明胶体结构越稳定，性能改变也越小。由图2可知，Ic受沥青类型影响显著，基质沥青Ic为1.72，改性沥青F Ic为0.72,说明改性沥青F不仅具有很好的抗老化性能，而且胶体结构也更稳定。

2.2 单掺改性沥青性能试验

2.2.1 三大指标及旋转黏度试验 对掺量为1%的六种改性沥青物理力学性能进行评价，结果见表2。由表2可知，A、B、C三种改性沥青残留针入度比分别提高11.1%、5.8%和12.3%，延度保留率分别提高16.7%、22.9%和19.8%。随着改性剂的加入，沥青具有较高附着力，抗老化性能显著提升，原因是由于改性剂的加入使沥青中的四个组分被重新分配后达到新的平衡，抑制了沥青老化进程[16]。

表2 单掺改性沥青三大指标和旋转黏度指标评价结果

2.2.2 低温性能试验 由文献[17]可知，加入改性剂会引起沥青四个组分达到新的平衡状态，导致低温抗裂性改变。采用S/m值评价沥青低温性能，S/m值越小，沥青低温抗裂性越好。对比图3a和图3b发现，经短期老化后(5 h TFOT)，改性沥青S/m值均明显降低，并且在-18 ℃后变化幅度变缓，说明此时改性沥青内部结构此时达到相对稳定的平衡状态。同时在三种温度下，短期老化沥青S/m值比未老化S/m值降低1.8%，说明改性沥青低温抗裂性优越。

图3 S/m值随温度变化曲线图

2.2.3 温度扫描试验 本试验采用温度为46～82 ℃，频率扫描范围为0.1～100 rad/s，应变值为10%的应变控制模式。本试验利用G*/sinδ作为评价指标，研究改性沥青的高温性能，结果见图4。

图4 G*/sin δ随温度变化曲线图

由图4可知，基质沥青的G*/sinδ随着温度的升高逐渐降低，而三种改性沥青的G*/sinδ均随着温度的升高呈先降低后增加趋势，具有一致的规律性，且在高温区域远高于基质沥青，其原因是高温条件下沥青黏性起主导作用，此时黏结力降低，导致抗变形能力减弱。黏弹性成分比例发生变化，说明三种改性剂的加入会显著提高沥青的高温稳定性。

2.3 两掺复配改性沥青性能试验

以单掺改性沥青为基础，将PA-1、UV-531和SBR三种改性剂进行两掺复配改性研究。

交通环境是安全设施设计过程中需特别重视的关键因素，也是交通设计者最容易忽略的一个因素，由此引发的交通事故也时有发生。道路情况、所使用的交通工具组合、气候环境和季节性气候变化、不同的人群对交通环境都有很大的影响。因此，设计交通安全设施时，应以适宜本地生活习惯、工作环境的交通参与者为参照物，采取共享交通资源的方式，尽量引导人们积极参与交通安全工程中，确保平安出行。

2.3.1 三大指标及旋转黏度试验 由表3可知，在三种两掺复配改性沥青中，1.0%PA-1+1.0%UV-531改性沥青残留针入度比、延度保留率分别提高8.6%和27.8%，黏度老化指数下降幅度达到2.4%。结合四组分分析结果，1.0%PA-1+1.0%UV-531改性沥青的重组分含量提高27.54%，轻组分含量降低6.96%。沥青的黏度增大，流动时内部会产生更大的内摩擦阻力，使1.0%PA-1+1.0%UV-531改性沥青的抗老化性能得到显著改善。

表3 两掺改性沥青三大指标和旋转黏度指标评价结果

2.3.2 低温性能试验 由图5可知，两掺复配改性沥青S/m值在-24～-12 ℃时随着温度的升高而降低，但呈现出不同的变化速率。对比分析两种状态下三种改性沥青S/m值随温度的变化规律时发现，只有1.0%PA-1+1.0%UV-531改性沥青的S/m值在-12、-18和-24 ℃下均小于基质沥青的S/m值，且随着老化过程的持续，S/m值随温度的升高，呈现更加稳定的降低趋势，说明1.0%PA-1+1.0%UV-531改性沥青的低温抗裂性最好。

图5 S/m值随温度变化曲线图

2.3.3 温度扫描试验 将两掺改性沥青和基质沥青的G*/sinδ随温度变化的主曲线进行对比分析发现(图6)，基质沥青G*/sinδ在未老化状态下随着温度的升高不断降低，经短期老化后，G*/sinδ非常小。两掺改性沥青在两种状态下G*/sinδ均随温度的升高先降低，然后在60～82 ℃范围呈上升趋势，说明高温范围内沥青主要是黏性起主导作用，此时黏附力也显著提高。两掺改性沥青G*/sinδ在60～82 ℃远高于基质沥青，且在短期老化状态下的变化趋势更加稳定，高温变形能力更佳。

图6 G*/sin δ随温度变化曲线图

2.4 三掺复配改性沥青性能试验

在两掺复配改性沥青试验基础上，按照不同掺量梯度设计试验组，通过对基础性能及高低温性能的研究，确定改性沥青最佳复配方案。

2.4.1 三大指标及旋转黏度试验 由表4可知，PA-1掺量在0.7%时，残留针入度比提升27.1%，延度保留率提升47.7%，黏度老化指数下降4.3%，改善效果最佳。UV-531掺量在1.6%时，残留针入度比提升14.1%，延度保留率提升47.8%，黏度老化指数下降3.8%，改善效果较为显著。SBR的掺量在1.0%时，残留针入度提升6.6%，延度保留率和黏度老化指数和其他掺量变化幅度基本持平。通过以上试验结果，将三种掺量作为最佳掺量复配F沥青。

表4 三掺改性沥青三大指标和旋转黏度评价指标结果

2.4.2 低温性能试验 由图7可知，0.7%PA-1+1.0%UV-531+1.0%SBR改性沥青S/m值在两种状态下的变化幅度分别达到-47.7%和-64.7%，且曲线变化更稳定，说明低温抗裂性和低温稳定性有显著提升。1.0%PA-1+1.6%UV-531+1.0%SBR改性沥青在两种状态下的S/m值变化幅度分别达到-37.2%和-56.9%。1.0%PA-1+1.0%UV-531+1.0%SBR改性沥青在两种状态下S/m值变化幅度分别达到-33.3%和-42.9%，且S/m值受老化影响较小，说明低温抗裂性得到显著提升。因此按0.7%PA-1+1.6%UV-531+1.0%SBR制备的复配改性沥青具有最佳的低温抗裂性。

图7 S/m值随温度变化曲线图

2.4.3 温度扫描试验 由图8可见，经短期老化后(5 h TFOT)，基质沥青G*/sinδ降低明显，不同掺量的三掺复配改性沥青的G*/sinδ明显呈指数增长，且保持相对稳定，这与单掺改性沥青和两掺改性沥青变化规律一致。说明改性剂在高温作用下能保持沥青结构相对稳定，使高温性能更优越。

图8 G*/sin δ随温度变化曲线图

2.5 改性沥青F与基质沥青性能分析

表5 基质沥青与终配沥青不同老化状态基本性能指标对比表

图9和图10分别为S/m值随着温度变化曲线图和温度扫描G*/sinδ曲线图。

图9 S/m值随温度变化曲线图

图10 温度扫描G*/sin δ曲线图

由图9可知，在-12、-18和-24 ℃三种温度下，改性沥青F在未老化、短期老化状态下的S/m值均小于基质沥青，且随温度升高而降低，下降斜率更加平缓，说明在这两种状态下改性沥青F低温性能优越。相对于基质沥青，改性沥青F的S/m值在三种状态下平均降低-35.6%、-53.6%和-22.6%，表明改性沥青F具有更好的低温抗裂性。由图10可知，在46～82 ℃范围内进行扫描时，改性沥青F在高温区域的G*/sinδ大于基质沥青的G*/sinδ，且呈现明显的规律性，在未老化、短期老化和长期老化状态下，G*/sinδ斜率明显变缓，说明按该方案对沥青进行复合改性，老化对沥青高温稳定性的影响变小，沥青抗老化性能提高。

3 讨论与结论

针对改性沥青抗老化性能的研究，目前大多数学者[3，8，12]通过基础性能试验、BBR试验与DSR试验相结合的方式对改性沥青抗老化性能进行评价。本研究基于青海地区特殊的自然环境，提出将四组分试验与以上试验相结合的方法，研究青海地区沥青路面抗老化性能，得到以下结论：(1)改性剂会促使沥青胶体结构更趋向于凝胶型，能提高沥青质和由胶质形成的胶团含量，从而提升沥青抗老化性能。0.7%PA-1+1.6%UV531+1.0%SBR改性沥青重组分含量提升33.35%，不稳定指数(Ic为0.72)下降最明显；(2) 0.7%PA-1+1.0%UV-531+1.0%SBR改性沥青中三种改性剂共同作用使四个组分达到新的平衡状态，延缓了沥青老化过程，同时S/m值变化曲线下降斜率更平缓，三种状态下平均降低-35.6%、-53.6%，-22.6%，说明其具有更好的低温抗裂性和低温稳定性；(3)通过46～82 ℃温度扫描试验发现，0.7%PA-1+1.0%UV-531+1.0%SBR改性沥青G*/sinδ远高于基质沥青，随着老化过程的进行，G*/sinδ增加速率明显减小，表明沥青内部结构在高温作用下能保持相对稳定，具有较好的高温性能。