SBS改性沥青施工老化的评价体系研究

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SBS改性沥青施工老化的评价体系研究

摘要

目前SBS改性历青通过室内TFOT试验和RTFOT试验并不能完全表征沥青在现场加热、拌和、运输、摊铺后的老化状态，为准确反映施工现场的沥青性能衰减情况，以RTFOT试验方法为基础，以沥青实际施工老化条件为依据，分析其老化后性能的文化情况，建立室内模拟老化与现场实际老化之间的联系，形成新的沥青老化评价体系。研究结果表明：SBS改性沥青RTFOT试验只是对于室内混合料拌和的一种模拟，实际施工时SBS改性沥青短期老化温度约173°C，老化时间也较长。结合工程实际，为满足实际施工时的沥青老化模拟需求，提出合适的沥青短期老化方法和条件，建立了RTFOT软化点差、RTFOT弹性恢复差、MSCR等试验作为改性沥青质量控制的关键指标的评价体系。结果表明，新的评价体系可以有效地评价沥青在施工过程中的短期老化，相比于传统的针入度比、残留延度等指标，更能反映现场沥青老化情况的真实性。

关键词：SBS改性沥青 | 沥青老化 | 老化指标 | 老化评价

根据2004年颁发实施的《公路沥青路面施工技术规范》要求，国内高速公路上、中面层普遍采用改性沥青，使沥青面层混合料的高、低温稳定性得到了明显的改善，其中SBS改性沥青应用广泛[1]。随着国内的路网流量急速增加，路面承受的交通压力日益zeng大，逐步提高SBS改性沥青性能，应对大交通量、重载交通和超重载交通。以江苏省为例，在2011年之前SBS改性沥青性能等级为PG70-22，至2014年后已不再能支撑性能需求，江苏省交通工程建设局于2018年出台了《关于调整沥青、沥青混合料技术标准及检测频率的通知》苏交建质[2018]77号，提高改性沥青性能等级为PG76-22。至2021年，有许多沥青厂家和科研单位提出了PG82-22、甚至是PG100的特种沥青的技术要求。

为开发的高性能沥青、特种沥青甚至是PG76-22的改性沥青，生产厂通过添加特种改性剂、相变改性剂等方式和手段，来提高沥青本身的指标。用以满足工程需要。由于采用的添加剂不同，抗老化性能方面存在一定的缺陷。在沥青使用过程中，极有可能因为添加剂材料本身的衰减而使得沥青性能大幅度下降，直接影响了路面的使用寿命。实际工程实践表明，在生产、施工中、使用中，受各种条件影响，导致材料性能失效，如温度达到一个临界值时沥青黏度会突然变大、存放过程发生离析，初期2~3月内使用性能持续衰减。采用传统的TFOT和RTFOT试验，检测针入度比、残留延度、老化指数等参数不易识别该类沥青的老化，无法直接表征短期老化的衰减情况。因此，常常出现检测指标全部满足规范或设计要求，可一旦实际使用，在短短几个月内，路面上的沥青衰减成已使用几年的状态。本文优化室内老化试验条件和短期老化试验方法，对工程实际采用的几种改性沥青短期老化进行研究，关联工程实际与室内模拟条件，建立沥青短期老化评价体系。

SBS改性沥青短期老化试验方法研究

老化条件优化

尤论是TFOT试验还是RTFOT试验，规范上所规定的163°C是模拟沥青在加热、拌和、运输时的一种老化温度。而实际上，沥青混合料在生产时，改性沥青加热、拌和、运输时的温度均要高于163°C。本文通过监控三个施工标段的混合料拌和温度、摊铺温度，用以确定路面施工时沥青达到的实际温度。三个标段的沥青加热温度如图1所示。

由图1可知，实际施工时，拌和温度的平均值约为178°C。摊铺时，受运输距离、保温措施等多种因素影响，沥青混合料在摊铺时温度在160-175°C之间，摊铺时的温度平均值约168℃。混合料运输过程高温持续时间较长，是zui为主要的改性沥青短期老化过程。混合料温度从拌和温度开始持续降低，本文暂将该过程定义为线性渐变，因此改性沥青施工温度拟定为173°C，并以此温度作为室内老化温度。

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20-2011[2]中规定，RTFOT的老化时间为85min，其中实际老化时间为75min，另外的10min作为升温时间。在工程现场，混合料出料到摊铺由于受到路线距离、行驶速度、保温措施等系列影响，导致混合料到场温度不一。本文通过江苏省内高速公路大数据中心，对拌和、运输时间进行了统计，收集438份样本数据，统计了工程实际改性沥青短期老化时间分布，如图2所示。

从图2可以看出，混合料从生产到摊铺的运输时间集中在1-2.5h之间，其中1-1.5h和1.5-2h占比超过了一半。因此，结合工程实际施工老化时间，推导出相对合理的模拟现场老化的室内老化试验时间：70，85，100，120，135，150min。

室内模拟短期老化试验指标确定

江苏省交通工程建设局苏交建质(2018)77号文《关于调整沥青、沥青混合料技术标准及检测频率的通知》中将SBS改性沥青指标分为控制类和实测类两大类，具体参数见表1。

由表1可知，77号文中涉及到老化的参数有RTFOT试验质量损失、针入度比、残留延度、PG分级、软化点差、弹性恢复差、MSCR等七个，本文根据其表达性能不同，将其分为高温性能指标(软化点、DSR)、低温性能指标(延度)、粘弹性指标(弹性恢复、MSCR)，这些老化参数可以从沥青的不同方面来表征其本身的性能，具体情况见表2。

基于施工实际的短期老化方法确定

本文以室内老化试验时间为变量，得到SBS改性沥青的相应的老化指标，以取施工现场摊铺的混合料，利用旋转蒸发的方法回收沥青，检测其性能指标，分别得到室内短期老化试验模拟施工实际情况下沥青的性能。以通沙改性沥青为例，不同指标随老化时间变化结果与现场施工实际老化指标的对比见图3~8。

由图3-8可知，对于通沙沥青而言，室内173℃、120min老化后的针入度、软化点、DSR与施工现场回收后的沥青指标相近；室内173°C、100min老化后延度、MSCR(Jnr3.2)更贴近现场老化情况；室内173℃、85min老化后弹性恢复与施工现场无异。

本文同时还采集宝利、天诺、埃索、宝盈等不同改性沥青样品，通过上述方法，总结出现场混合料回收数据对应的室内老化条件，具体结果见表3。

由表3可知，不同的沥青指标对应的老化时间是不同的，不同厂家的沥青对应的老化时间也有些许差异，说明沥青本身会随着基质沥青、改性剂、添加剂的不同，性能发生的老化程度不同。从本次研究的指标数据变化上看，残留延度指标zui为敏感，甚出会现直接脆断的情况；弹性恢复试验变化较小，所以其考虑老化时参照的权重zui小；针入度、软化点、DSR试验基本属于渐变性质；MSCR会在一个特定的老化条件下出现拐点。所以综合上述情况，确定室内老化试验的温度173℃、老化时间100min模拟现场老化zui为合适。

SBS改性沥青施工老化的评价体系研究

关键指标研究

本文以常见的老化检测指标为基础，引入了残留针入度比PRR、延度保留率DRR、软化点增量SPI、黏度老化指数VAI、复数剪切模量指数CMI、相位角指数PAI指标，通过数值拟合的方法，更加科学地评价改性沥青老化性能。各指标的计算方法见式1-6。

其中，P、D、S、η、G和δ分别为老化后改性沥青的针入度、延度、软化点黏度、复数剪切模量和相位角，P。、D。、S。、η。、G。和δ。分别为老化前改性沥青的针入度、延度、软化点、黏度、复数剪切模量和相位角。

由于沥青老化时，复数剪切模量的线性变化好，所以分别分析复数剪切模量和相位角与改性沥青指标的相关性，如图9和图10所示。

图9是PRR、SPI、VAI、弹性恢复差与CMI之间的关系图。通过线性拟合可知，VAI、弹性恢复差与CMI之间的线性相关系数分别为0.69和-0.08，线性相关系数较小，表明VAI、弹性恢复差与CMI之间不存在明显的线性相关性。本文也对VAI、弹性恢复差与CMI之间的关系进行了多项式拟合、对数拟合等，发现相关性系数均较低，表明沥青老化过程中VAI、弹性恢复差和复数剪切模量CMI没有明显的相关关系。

由PRR、SPI与CMI的关系图可知，随着CMI值zeng大，PRR、SPI逐渐降低。复数剪切模量表征沥青材料在重复剪切变形时的总阻力，复数剪切模量越大，沥青内部越黏稠，针入度越小。经过线性拟合发现，CMI与PRR的线性方程为y=-0.32x+1.16，成负相关关系，相关系数为0.89。CMI与SPI的线性方程为y=-8.17x+5.94，成负相关关系，相关系数为0.86，表明PRR、SPI与CMI具有较好的线性相关性。

图10是PRR、SPI、VAI、弹性恢复差与PAI之间的关系图。通过线性拟合可知，PRR、SPI、VAI、弹性恢复差与PAI之间的线性相关系数分别为0.28、0.55、0.18和-0.24，线性相关系数较小，表明PRR、SPI、VAI、弹性恢复差与PAI之间不存在明显的线性相关性。同样，也对PRR、SPI、VAI、弹性恢复差与PAI之间的关系进行了多项式拟合、对数拟合等，发现相关性系数均较低，表明沥青老化过程中PRR、SPI、VAI、弹性恢复差和相位角指数PAI没有明显的相关关系。

综合改性沥青短期老化后常规指标与流变性能指标相关性可以得到，改性沥青短期老化后残留针入度比与软化点增量指标与DSR的流变指标相关性较好。但是研究表明，残留针入度比受改性沥青本身影响较大，不同品种改性沥青的残留针入度比相差较大，不宜用来评价改性沥青的短期老化性能。而软化点增量指标与改性沥青短期老化相关性较好，可以将其作为改性沥青质量控制的关键指标。改性沥青的高温性能指标随老化时间增加变化较明显。改性沥青的软化点、弹性恢复及多应力重复蠕变恢复与时间的线性关系较强，且具有明显的区分度，可以初步确定软化点、弹性恢复和MSCR试验的不可恢复蠕变柔量为改性沥青的关键指标。

关键指标技术范围确定

软化点差技术指标范围确定

本文对5种不同厂家生产的(1~5)和5种自制的(A~E)改性沥青进行老化前后软化点差试验研究，结果见表4。5种自制的改性沥青中，调整改性剂掺量或者添加其他外加剂，终使得三种改性沥青(编号为A、B、C)常规指标(针入度、软化点、延度等)能达到同一水平，根据基质沥青质量优劣，A、B、C三种沥青性能优劣排序为A>B>C；选取一种固定的基质沥青(进口70号)，选取三种不同的改性剂掺量，再添加其他外加剂(如PE等)，制备3种改性沥青(编号为A、D、E)，使得这三种沥青常规指标(针入度、软化点延度等)处于同一个水平。其中A沥青SBS改性剂的掺量为4%，D沥青SBS改性剂的掺量为3%，E沥青SBS改性剂的掺量为2.5%，故根据SBS改性剂掺量的多少，A、D、E三种沥青性能优劣排序为A>D>E。

通过表4的数据分析可知：

1)5种厂家改性沥青的软化点指标差异不大，基本处于80~90°C之间，都能很好的满足软化点"65°C"的要求。RTFOT后5种沥青软化点基本上也比较接近，都在70~80°C之间，RTFOT软化点差在-11~-8°C之间。

2)从室内制备的改性沥青测试结果可以看出，A、B、C三种沥青的RTFOT软化点差数值大小排序为A>B>C(分别为-8°C、-9°C、-12°C);A、D、E三种沥青的RTFOT软化点差数值大小排序为A>D>E(分别为-8°C、-10°C、-13°C)。因此，RTFOT软化点差指标对SBS改性沥青性能好坏有一定甄别作用。

为了给出软化点差的控制范围，对52组沥青样本，157组试验数据进行了统计分析，涵盖了宁合项目所用改性沥青2个样品、成品沥青14个样品、自制的沥青10个样品及搜集的江苏省其他高速公路建设中的数据进行分析，如图11所示。

从图11所测试的不同改性沥青老化前后软化点差结果可以看出，市场上的成品改性沥青软化点差基本在-11~-4°C之间，自制沥青中有3组数据<-11°C，分别是由于基质沥青较差、改性剂掺量少、改性剂质量差。搜集的江苏省内各高速建设所用改性沥青的软化点差除个别点外基本也在-11~-4°C之间。通过分析，建议RTFOT前后软化点差控制范围为-11~-4°C，其中软化点差数据在-8~-4°C之间的沥青，性能一般较为优异和稳定。

弹性恢复差技术指标范围确定

本文对5种厂家生产的(1~5)和5种自制的(A~E)改性沥青进行老化前后弹性恢复试验研究，结果见表5。

通过表5的数据分析可知：

1)5种厂家改性沥青老化前的弹性恢复差异不大，且都 95%,远大于江苏省现行SBS改性沥青技术要求规定的80%的要求。RTFOT老化后弹性恢复有一定下降，基本处于85%~90%之间，差异也较小。

2)室内制备的5种改性沥青老化后的弹性恢复有一定差异性，尤其是A、D、E三种沥青，三种沥青SBS改性剂掺量由高到低，相应的三种沥青的弹性恢复分别为88%、76%、74%，说明降低SBS改性剂掺量转而添加其他物质会造成沥青老化后弹性恢复大幅下降。因此，RTFOT弹性恢复差指标对沥青性能优劣有一定甄别作用。

为了给出RTFOT弹性恢复差的控制范围，对52组沥青样本，157组试验数据进行了统计分析，涵盖了宁合项目所用改性沥青2个样品、成品沥青14个样品、自制的沥青10个样品及搜集的江苏省其他高速公路建设中的数据进行分析，如图12所示。

从图12所测试的不同沥青RTFOT弹性恢复差结果可以看出，市场上的成品改性沥青RTFOT弹性恢复差均在-11%之内，自制的沥青中有3组数据<-11%，分别是由于基质沥青较差、改性剂掺量少、改性剂质量差。因此，研究建议RTFOT弹性恢复差值指标的控制范围设定为"-11%"，其中弹性恢复差值指标数据>-8%的沥青，性能一般较为优异和稳定。

MSCR技术指标范围确定

对6种室内制备的不同质量的改性沥青进行MSCR试验，将0.1kPa、3.2kPa应力水平下10个蠕变回复周期内SBS改性沥青蠕变回复率平均值分别表示为R0.1、R3.2，将0.1kPa、3.2kPa应力水平下10个蠕变回复周期内SBS改性沥青不可回复蠕变柔量平均值分别表示为Jnr0.1，Jnr3.2。试验结果如图13-16。图中，黑色折线表示基质沥青的品质不同，从左至右分别表示进口you质沥青、国产you质沥青和国产一般沥青；红色折线表示同一种沥青中改性剂掺量不同，从左至右分别是4%、3%、2%的改性剂掺量。

通过多应力重复蠕变试验数据分析可知：

1)MSCR试验中的不可恢复蠕变柔量Jnr(0.1kPa、3.2kPa)越小，改性沥青高温性能越好。通过Jnr数据来看，针对晶质沥青质量优劣变化、改性剂掺量变化、改性剂质量优劣变化，Jnr数值大小排序均与沥青性能变化完全一致。

2)MSCR试验中的可恢复应变量R(0.1kPa、3.2kPa)越大，改性沥青高温性能越好。通过R数据来看，针对基质沥青质量优劣变化、改性剂掺量变化、改性剂质量优劣变化，Jnr数值大小排序均与沥青性能变化也完全一致。因此MSCR试验对于不同沥青性能具有区分度。

由于MSCR在实际工程中测试数据较少，很难成体系地、大量地收集到不同类型、不同厂家的检测结果，所以本文结合目前美国SHRP计划的研究结果，针对特重交通，来定义不可恢复蠕变柔量Jnr3.2。根据AASHTO规范，对于特重交通，不可恢复蠕变柔量Jnr3.2≤0.5，但是通过描述可知此类沥青主要应用在港口运输的特重交通，由于平均车速<20km/h，所以需要的弹性类指标特别高，因此江苏省交通工程建设局苏交建质(2018)77号文中将指标同样定为0.5是不合适的。在此，本文建议改性沥青MSCR试验的Jnr3.2指标控制不大于1.0即可，根据调查SBS改性沥青Jnr3.2数据在0.7以下，其性能已经极为you秀和稳定。