基于頻率掃描方法的SBS瀝青不同侵蝕條件下流變行為對比分析

劉定清 施培華

摘要：為改善瀝青路面的耐久性和穩定性，文章針對不同鹽分侵蝕模式探討SBS瀝青的流變行為變化規律。通過進行不同鹽分侵蝕條件下SBS瀝青的頻率掃描試驗，獲得復數模量與相位角來對比分析不同侵蝕條件下SBS瀝青的流變性能變化及其溫度敏感性，并采用車轍因子與疲勞因子指標評估侵蝕模式對SBS瀝青的高溫抗車轍能力和疲勞性能的影響。研究結果可為優化瀝青路面的設計和養護提供參考。

關鍵詞：道路工程；SBS瀝青；侵蝕作用；流變行為

中圖分類號：U416.03 A 33 104 4

0 引言

隨著交通運輸行業的發展，瀝青材料作為道路建設的重要組成部分，對保障道路結構的穩定性和使用壽命具有關鍵性的影響，瀝青路面的耐久性和穩定性也變得越來越重要［1］。然而，鹽分侵蝕是瀝青路面材料在海岸地區、高鹽度環境或冬季道路除雪時面臨的一種常見問題。這種鹽分侵蝕現象會導致瀝青路面材料的物理和化學性質發生變化，進而對其流變行為和性能產生顯著影響［2］。因此，了解瀝青材料在不同鹽分侵蝕條件下的流變行為，對于改善瀝青路面的耐久性和穩定性具有重要意義。

在過去的研究中，SBS瀝青被廣泛應用于道路建設領域，因其優異的粘彈性能和抗老化能力而備受青睞［3］。鹽侵蝕通常會對瀝青路面產生嚴重影響，顯著降低使用壽命。由于鹽的侵蝕條件不同，瀝青基材料的性能可能會出現不同程度的降低，其中鹽分起著加速老化的作用［4］。已有研究采用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡發現，在鹽水凍融循環過程中，其侵蝕作用顯著破壞了SBS瀝青的瀝青膜，導致瀝青性能惡化。同時，瀝青中四組分的比例在侵蝕過程中發生了變化，主要表現為飽和分、芳香分等輕組分比例下降，瀝青質比例增加［5］。然而，SBS瀝青在不同鹽分侵蝕條件下的流變行為仍然存在許多未知的因素和挑戰。

本研究旨在通過基于頻率掃描的試驗方法，對比分析SBS瀝青在不同鹽分侵蝕條件下的流變行為。通過對不同侵蝕模式的預處理，研究瀝青材料的復數模量和相位角等流變參數的變化情況。通過這些試驗結果進而得到車轍因子與疲勞因子等指標，可以評估不同侵蝕條件下SBS瀝青的流變性能差異。研究成果有助于深入了解鹽分侵蝕模式對瀝青材料的影響，并為改進瀝青路面的設計和維護提供重要的參考依據。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料與試樣制備

本研究以SBS改性瀝青為研究對象，使用線型SBS改性劑，其用量為4%。參照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004），SBS改性瀝青的主要性能如表1所示。

氯離子已被證明是富鹽侵蝕環境中瀝青路面損壞的主要因素，因此本研究選擇氯化鈉作為侵蝕的鹽介質，利用飽和氯化鈉溶液作為SBS瀝青的侵蝕環境。將瀝青試樣制成硬幣形狀，分別采用鹽水凍融循環和鹽水浸泡的方法對瀝青試樣進行兩種侵蝕條件試驗。將鹽水凍融循環或鹽水浸泡時長24 h記為1次侵蝕，考慮到氯化鈉溶液水分蒸發等體積減小會改變侵蝕過程的速率，因此在侵蝕過程之前將瀝青試樣用薄膜包裹。本研究將未侵蝕處理和已侵蝕處理的瀝青試樣分別作為對照組和試驗組，并且每個侵蝕條件下至少設置3個平行組。

1.2 頻率掃描試驗方法

參考美國規范ASTM D7175，采用頻率掃描試驗測定瀝青材料在兩種侵蝕條件模式下的復數模量G*和相位角δ，這兩個參數是粘彈性材料的重要指標，與瀝青路面的長期荷載特性有關。在本研究中，頻率掃描試驗的測試頻率范圍設定為0.1～20 Hz，測試溫度范圍分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃和70 ℃。在復數模量G*和相位角δ的基礎之上，便可以進一步計算瀝青材料的車轍因子G*/sinδ和疲勞因子G*sinδ。此外，瀝青材料試樣在不同侵蝕條件下的損傷劣化程度也可以用侵蝕過程前后車轍因子G*/sinδ和疲勞因子G*sinδ的變化來表征，記為ΔG*/sinδ和ΔG*sinδ，可以通過式（1）（2）來計算：

2 基于頻率掃描的瀝青材料流變行為測試結果與討論

2.1 不同侵蝕模式下SBS瀝青的復數模量和相位角測試結果

兩種不同侵蝕模式下SBS瀝青的復數模量G*和相位角δ測試結果隨著侵蝕次數與測試溫度的變化如圖1所示。SBS瀝青的復數模量隨著試驗溫度的升高呈下降趨勢，并且隨著侵蝕次數而升高。從圖1（a）中可知，在40 ℃～70 ℃的溫度，經過21次鹽水凍融循環后SBS瀝青的復數模量相比于對照組增加了10.15%～43.78%。經過鹽水浸泡后SBS瀝青的復數模量表現出類似趨勢，G*值增加了16.32%～48.75%，見圖1（b）。這一結果可歸因于侵蝕過程中瀝青中飽和分和芳香分的比例降低，加速瀝青的老化而導致其硬化。因此，在不同鹽侵蝕條件下瀝青的復數模量有所增加。此外，瀝青試樣的相位角隨試驗溫度發生變化，主要是由于SBS改性劑的三維網格結構增加了瀝青分子間的結合力，抑制瀝青向黏性流動狀態轉變。隨著兩種侵蝕模式進程，δ值的變化相對較小，表明這侵蝕條件對SBS瀝青的相位角影響不大。

從圖1可以看出，隨著測試溫度的升高，復數模量顯著下降，說明瀝青逐漸從彈性狀態轉變為黏性狀態。復數模量指數（|GTS|）是評估瀝青溫度敏感性的有效指標，為進一步研究不同侵蝕模式對SBS瀝青溫度敏感性的影響，通過式（3）進行擬合得到|GTS|。

lglgG=GTS×lgT+C（3）

式中：T——測試溫度（K）；

C——截距常數。

|GTS|值越大，表示復數模量的溫度敏感性越高。通過擬合建立SBS瀝青的lglg G*和lgT之間的線性關系如圖2所示，其擬合參數如表2所示。相關系數（R2）均接近1，表明lglg G*和lgT之間存在良好的線性關系。根據表2可知，|GTS|值隨著兩種侵蝕模式循環次數的增加而降低，表明SBS瀝青在侵蝕條件下溫度敏感性降低。此外，對于鹽水凍融循環和鹽水浸泡侵蝕模式而言，SBS瀝青的|GTS|值差異不大。

如下頁圖3所示匯總了在兩種不同侵蝕模式下SBS瀝青的復數模量G*對比結果。從圖中可以看出，相比于鹽水凍融循環的瀝青試樣組別，鹽水浸泡后SBS瀝青試樣在經過7次、14次和21次循環后的G*值分別平均增加了3.92%、4.27%和4.20%。這表明鹽和凍融循環的耦合作用對SBS瀝青復數模量影響小于鹽水浸泡，其原因可能是鹽分的存在會阻礙凍融循環的凍結過程，削弱凍融循環的影響。同時，在凍融循環的凍結過程中鹽析效應有所下降。因此，鹽水浸泡對SBS瀝青復數模量的影響更大，其影響程度隨著溫度的升高而減小。

2.2 不同侵蝕模式下SBS瀝青的車轍因子與疲勞因子分析

車轍因子（G*/sinδ）為評估瀝青高溫性能和抗車轍能力的指標，G*/sinδ值越高，瀝青的抗車轍變形能力越好；疲勞因子（G*sinδ）可用于評估瀝青的疲勞性能，G*sinδ值越大，抗疲勞性能越差。圖4為SBS瀝青在兩種不同侵蝕模式下的車轍因子G*/sinδ。從圖4可以看出，隨著兩種侵蝕模式循環次數的增加，SBS瀝青的車轍因子G*/sinδ值顯著增加。這表明在侵蝕條件的影響下，瀝青的高溫性能和抗車轍能力得到了一定程度改善。與經過鹽水凍融循環的瀝青相比，經過鹽水浸泡后SBS瀝青的G*/sinδ值明顯更高。相比于鹽水凍融循環，經過7次、14次和21次侵蝕循環，SBS瀝青在鹽水浸泡下的G*/sinδ值分別平均提高了4.12%、4.36%和3.95%。這表明鹽水浸泡后瀝青具有較好的高溫性能和抗車轍能力。侵蝕條件可以改善SBS瀝青的抗車轍性能，但鹽水凍融循環對瀝青抗車轍性能的改善作用弱于鹽水浸泡，其原因可能是在鹽水浸泡過程中瀝青的鹽析效應更加嚴重。此外，SBS瀝青的車轍因子變量ΔG*/sinδ隨著侵蝕循環的增加而增加，SBS瀝青的損傷程度隨著侵蝕進程而增大，同時也驗證了鹽水浸泡對SBS瀝青的高溫性能和抗車轍能力有更顯著的影響。

如圖5所示為SBS瀝青在兩種侵蝕模式下的疲勞因子G*sinδ結果。根據圖5（a）、（b）結果，瀝青的疲勞因子G*sinδ值隨著兩種侵蝕模式循環次數的增加而明顯增加，這表明侵蝕條件對SBS瀝青的疲勞性能產生了較為顯著的負面影響，這可能是由于侵蝕條件加速了瀝青的老化過程。此外，侵入的氯化鈉和瀝青分子之間的粘附力通常小于瀝青分子間的粘附力，因此在侵蝕條件下瀝青的抗疲勞開裂性能有所下降。與鹽水凍融循環相比，經過7次、14次和21次侵蝕循環后，SBS瀝青在鹽水浸泡下的疲勞因子G*sinδ值分別增加了3.72%、4.17%和4.45%。如圖5（c）、（d）所示，SBS瀝青的疲勞因子變量ΔG*sinδ值隨著侵蝕循環的增加而增加，并且鹽水凍融循環后瀝青的ΔG*sinδ明顯小于鹽水浸泡循環。上述結果表明SBS瀝青在鹽水浸泡模式下的疲勞性能劣化更為嚴重。

3 結語

通過本研究采用頻率掃描方法對比分析不同侵蝕條件下SBS瀝青材料的流變行為，可以得出以下結論：

（1）不同鹽侵蝕條件下SBS瀝青中飽和分和芳香分的比例降低，加速了瀝青老化而導致其硬化，復數模量有所增加；相位角的變化相對較小，侵蝕條件對瀝青的相位角影響不大。

（2）相比于鹽水凍融循環，鹽水浸泡對SBS瀝青試樣復數模量的影響更大，其影響程度隨著溫度的升高而減小。這可歸因于鹽分的存在會阻礙凍融循環的凍結過程，削弱凍融循環影響，且凍結過程中鹽析效應有所下降。

（3）兩種侵蝕模式作用下，SBS瀝青的高溫性能和抗車轍能力有輕微改善，但明顯削弱了瀝青的溫度敏感性和抗疲勞開裂能力。

綜上所述，不同侵蝕模式對SBS瀝青的流變行為有顯著影響，本研究相關發現與結果對于理解瀝青材料的穩定性以及在工程應用中的可持續性具有重要意義，可以進一步幫助優化瀝青材料的設計和使用，并為瀝青路面保護措施和修復方法提供指導。

參考文獻

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收稿日期：2023-08-15