基于灰色理论的SBS改性沥青老化性能的评价方法

文章来源：微信公众号”沥青路面“

引　言

SBS改性沥青的施工温度比基质沥青高15℃~20℃，SmA沥青混合料的施工温度更高。目前，《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》采用基质沥青短期老化的评价方法评价SBS改性沥青的短期老化性能。

国内外学者对此做了相关研究，例如美国国家公路研究计划中提出在rTFOT试验中添加长127mm、直径为6.35mm的钢棒评价SBS改性沥青的短期老化性能；申来明等认为，当SBS改性沥青163℃粘度大于0.25Pa·s时，可采用173℃的rTFOT试验评价SBS改性沥青的短期老化性能；李平等从粘度角度分析了现行rTFOT试验不适用于评价SBS改性沥青短期老化的原因，并介绍了倾斜玻璃瓶2°的改进措施。

本文基于沥青薄膜烘箱试验，研究老化温度、老化时间、沥青膜厚度、转盘转速等因素对SBS改性沥青短期老化性能的影响规律，以期得到适合评价SBS改性沥青短期老化性能的试验方法。

原材料与试验方案设计

原材料性能

沥青

采用3种SBS改性沥青1#、2#、3#，分别由新加坡埃索Ah-90、韩国SK-90、壳牌90#制备，改性剂均为为燕山石化SBS　4303，掺量为4.5%。

集料

粗集料采用角闪岩，规格为3~5mm、5~10mm、10~15mm三种；细集料为0~3mm的石灰岩机制砂。

级配

采用AC-13级配。

试验方案设计

模拟沥青老化

采用沥青薄膜烘箱试验TFOT模拟SBS改性沥青短期热老化过程。首先采用单一变量法分别研究老化温度、老化时间、沥青膜厚度、转盘转速对沥青老化性能的影响。沥青采用1#SBS改性沥青。具体模拟过程如下。

(1)设定老化时间为5h、沥青膜厚度为2.8mm、转盘转速为5.5r·min-1不变，研究老化温度分别为163℃、168℃、173℃、178℃、183℃时SBS改性沥青的老化性能。

(2)设定老化温度为163℃、沥青膜厚度为2.8mm、转盘转速为5.5r·min-1不变，研究老化时间分别为5、6、7、8、9h时SBS改性沥青的老化性能。

(3)设定老化温度为163℃、老化时间为5h、转盘转速为5.5r·min-1不变，研究沥青膜厚度分别为1.5、2、2.5、3、3.5mm时SBS改性沥青的老化性能。

(4)设定老化温度为163℃、老化时间为5h、沥青膜厚度为2.8mm不变，研究转盘转速分别为5.5、6.5、7.5、8.5、9.5r·min-1时SBS改性沥青的老化性能。

关联度分析

利用灰色理论关联度分析法研究各因素对SBS改性沥青老化后针入度、软化点、延度等指标的影响程度，即关联度的大小，得出与SBS改性沥青老化性能关联度最大的因素。

老化试验

对3种SBS改性沥青分别进行老化试验，试验变量为与SBS改性沥青老化性能关联度最大的因素，得到老化后的指标。采用3种SBS改性沥青成型3组AC-13马歇尔试件，油石比为4.5%；进行抽提试验，测得回收后的SBS改性沥青的指标，与上述老化后的指标进行对比，确定该因素的最优值，进而确定适合评价SBS改性沥青短期老化性能的评价方法。

试验结果与分析

各因素对SBS改性沥青针入度的影响

可知：针入度随老化温度升高、老化时间增长、转速增大、沥青膜厚度减小(试样质量的减少)而减小。因为老化温度升高、老化时间增长、转速增大、沥青膜厚度减小会增加SBS改性沥青的老化程度，轻质组分挥发，沥青变硬，因此针入度减小。

各因素对SBS改性沥青软化点的影响

可知：软化点随老化温度、老化时间、转速与沥青膜厚度变化的规律不明显。影响软化点的因素较多，包括改性剂在沥青中的应力状态与基质沥青的配伍性、相容性以及沥青各组分的相对分子质量，这些因素与SBS改性沥青所处的温度环境有很大的关系，因此，变化规律不明显。

各因素对SBS改性沥青延度的影响

可知：5℃延度随老化温度升高、老化时间增长、转速增大、沥青膜厚度减小(试样质量的减少)而降低。胶质是影响延度的主要因素，但其稳定性差，当老化温度升高、老化时间增长、转速增大、沥青膜厚度减小，胶质转化为沥青质，胶质相对含量降低，延度变小。

灰色关联度研究

通过单一变量法研究了老化温度、老化时间、转速以及沥青膜厚度对SBS改性沥青老化性能的影响规律，但是不能确定对SBS改性沥青老化性能影响程度最大的因素。根据以上试验数据，通过灰色理论关联度分析，确定对SBS改性沥青老化性能影响最大的因素。

参考数列与比较数列的确定

由于现行SBS改性沥青老化试验方法不能达到实际施工过程中的SBS改性沥青老化程度，因此选择各影响因素不同水平下的SBS改性沥青指标值最大衰减率作为参考数列。

以针入度指标为例说明参考数列与比较数列的确定过程。可知，不同老化温度、老化时间、转速以及沥青膜厚度引起的SBS改性沥青针入度的衰减率｛X1｝、｛X2｝、｛X3｝、｛X4｝分别为SBS改性沥青指标衰减率越大，表明老化程度越大，越有利于确定SBS改性沥青老化性能的评价方法。因此选择SBS改性沥青性能指标的最大衰减率作为参考数列。

各影响因素与三大指标关联性分析

可知，沥青薄膜试验中沥青膜厚度对SBS改性沥青老化性能影响最大，其次为转盘转速和老化温度，老化时间对SBS改性沥青老化性能影响最小。因此，通过减小沥青膜厚度，即减少沥青试样的用量，评价SBS改性沥青老化性能。

沥青膜厚度研究

不同沥青膜厚度的SBS改性沥青老化性能研究

采用1#、2#、3#SBS改性沥青进行沥青薄膜烘箱试验，设定试验温度为163℃、老化时间为5h、转盘转速为5.5r·min-1不变，沥青膜厚度分别为1.9、2.2、2.5、2.8、3.1mm，分别测得SBS改性沥青老化后的针入度、软化点、延度、粘度、弹性恢复。

可以看出，3种SBS改性沥青的针入度、5℃延度、弹性恢复均随着沥青膜厚度的减小而降低，粘度随着沥青膜厚度的减小而增大，软化点变化规律不明显。

沥青抽提试验

采用AC-13级配配制混合料，油石比为4.5%，沥青采用1#、2#、3#SBS改性沥青，拌和温度为175℃。利用旋转蒸发器法抽提回收沥青，并检测回收后3种SBS改性沥青的性能指标。

沥青膜厚度的确定

SBS改性沥青老化后的针入度、延度、粘度、弹性恢复与沥青膜厚度的相关性较好，因此以抽提回收后的SBS改性沥青针入度、延度、粘度、弹性恢复等指标值为标准，通过插值法确定回收后SBS改性沥青各指标值所对应的沥青膜厚度，即沥青试样的用量。

上述各指标对应的沥青膜厚度的平均值为2.568mm，沥青的质量m=40.6g，即当沥青薄膜烘箱试验中沥青试样的用量为41g时，能够评价SBS改性沥青的短期老化性能。

综上所述，采用老化温度为163℃、老化时间为5h、转速为5.5r·min-1、沥青试样质量为41g的沥青薄膜烘箱试验能够准确评价SBS改性沥青的短期老化性能。