基于激光回弹快速检测方法的SBS改性沥青自然老化行为研究

Research on Natural Aging Behavior of SBS Modified Asphalt Based on Asphalt Binder Quality Test Method

摘要

为解决沥青老化行为预测研究中室内模拟老化与实际老化偏差大、缺乏易于工程推广的科学评价指标等问题，以在役高速不同老化程度的SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物）改性沥青为对象，借助沥青质量激光回弹快速检测系统（ABQT），通过获取最大蠕变变形、弹性恢复率、加载变形速率系数和回弹变形速率系数等指标评价沥青性能变化规律，并与沥青常规老化性能指标相对比，分析这些指标评价沥青自然老化行为的准确性；在此基础上，以这些指标建立沥青老化非线性预测模型，通过获取沥青老化速率值分析自然老化状态下沥青性能衰变规律，并最终提出合理的预防性养护时间。结果表明，最大蠕变变形、加载变形速率系数和回弹变形速率系数等指标可以有效表征沥青老化性能衰变过程，同时基于这些指标建立的沥青老化非线性预测模型适用性强，可以实现沥青性能-老化时间的双向计算；随老化时间的延长，最大蠕变变形、加载变形速率系数和回弹变形速率系数指标所对应的老化速率值均以三次函数模型形式衰变，老化速率拐点分别为6.67、5.56、6.67 a，考虑到沥青混合料性能安全，建议以5.56 a作为介入预防性养护措施恢复沥青性能的阈值。

Abstract

In order to solve the problems in predicting the asphalt aging behavior， such as the large performance deviation between simulated aging asphalt and actual aging asphalt， the lack of scientific evaluation index easy to promote in the practical engineering， properties of natural aging SBS （Styrene Butadiene Styrene Triblock Copolymer） modified asphalt from an in-service expressway were tested by Asphalt Binder Quality Test System （ABQT）. Then， some indexes， including maximum creep deformation， elastic recovery rate， loading deformation rate coefficient and rebound deformation rate coefficient， were proposed to evaluate the changes of asphalt’s properties； meanwhile， the accuracy of evaluating asphalt aging behavior with the above indicators were also analyzed by analyzing the differences between the above indicators and conventional performance indicators in evaluating the asphalt aging properties. On this basis， the nonlinear prediction model for asphalt aging was established based on the above indicators， and the aging rate values of asphalt were obtained to analyze the degradation laws of asphalt properties under natural aging conditions， and ultimately a reasonable preventive maintenance time was proposed. Results showed that， the maximum creep deformation， loading deformation rate coefficient and rebound deformation rate coefficient can effectively characterize the decay process of asphalt aging properties under natural aging conditions. Meanwhile， the nonlinear prediction model for asphalt aging established based on the above indicators had strong applicability， which can achieve bidirectional calculation for asphalt performance and aging time. Furthermore， as the aging time prolonged， the aging rate values corresponding to the maximum creep deformation， loading deformation rate coefficient and rebound deformation rate coefficient all decayed in the form of a cubic function model； and the turning points of aging rate were 6.67 a， 5.56 a， and 6.67 a， respectively. Therefore， considering the safety of asphalt mixture performance， it was suggested that 5.56 a as the threshold for intervention in preventive maintenance measures to restore asphalt performance.

Graphical abstract

关键词

道路工程 / SBS改性沥青 / 沥青老化 / 性能评价 / 非线性预测

Key words

road engineering / SBS modified asphalt / aging of asphalt / performance evaluation / nonlinear prediction

0 引 言

沥青路面在使用过程中会发生胶结料自然老化现象，对沥青自然老化行为进行准确、科学的评价对于指导路面预防性养护具有重要意义。当前主要借助常规物理性能指标、沥青流变性能指标、沥青特征官能团指数及相关指标的转化值来表征沥青的老化性能^［1-4］，如陈龙等^［5］采用软化点、针入度及旋转黏度等常规物理性能指标研究了光热耦合老化作用下沥青性能变化规律，并推荐采用针入度比定量评价沥青老化程度。此外，相关学者还建立了沥青老化性能非线性预测模型对其老化速率进行量化分析，为沥青路面使用寿命提供参考，如郑南翔等^［6］、纪小平等^［7］建立了以沥青针入度、黏度及延度为指标的非线性老化预测模型分析与预测不同热氧老化及紫外光老化程度下沥青性能衰变规律；Masad等^［8］借助温度扫描试验和频率扫描试验分析了沥青老化前后黏弹性能变化规律，建立了以流变学参数为指标的非线性预测模型对沥青老化性能进行分析；Lin等^［9］则借助红外光谱试验，建立了以羰基指数为指标的沥青老化非线性预测模型。

综上，不少学者通过选取各类评价指标建立了非线性预测模型对不同老化因素下沥青性能衰变规律开展了相关研究工作。然而，借助常规物理性能指标分析沥青老化性能虽然试验设备和操作方法相对简便，但其在本质上属于经验性方法，测试结果易受外界干扰，且上述指标更适用于基质沥青，对改性沥青试验结果离散性大、重复率低；借助流变学指标分析沥青老化性能虽然符合沥青材料自身黏弹性特性，但传统流变学测试对仪器设备要求高，且试验操作和数据分析复杂，同时对改性沥青测试结果离散性也较大。因此，亟须寻求一种能够高效、科学、准确的检测方法对沥青老化前后性能进行测试与评价，并在此基础上建立老化预测模型实现对沥青老化性能的精准预测。

沥青质量激光回弹快速检测系统（ABQT）是由美国LTI公司生产的一种快速测试沥青蠕变恢复性能的仪器，相比于传统沥青性能测试方法，ABQT测试过程更加便捷、测试时间更短，并且已有研究证明ABQT测试方法可以代替传统方法对沥青性能进行快速评价^［10］。为此，本研究通过借助ABQT测试方法对自然老化条件下沥青性能进行测试，选取合适的指标表征沥青老化性能变化特征，进而完善沥青老化性能评价体系；在此基础上建立沥青老化性能非线性预测模型，实现对沥青性能衰变的有效预测，进一步提出合理的养护时机，为提升沥青路面养护质量提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 老化沥青

本研究所采用的老化沥青源自山东省某在役高速公路上面层，该高速运营期内进行了程度各异的路面维修与养护，为不同使用年限老化沥青的获取提供了客观条件。为减少沥青种类、结构层类型等因素对试验结果的干扰，根据养护维修历史，分别获取服役时间为0、2、4、6、9 a的上面层SMA-13（沥青玛蹄脂）混合料，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），采用阿布森法抽提回收老化SBS（苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物）改性沥青作为研究对象，分别测试了不同老化程度下SBS改性沥青的基本物理性能指标，结果见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 沥青质量激光回弹快速检测系统

沥青质量激光回弹快速检测系统由美国LTI公司系统生产，本研究所采用的为LTI-210型沥青激光回弹快速检测系统，如图1所示。该仪器采用圆管压缩空气施加压力，测量沥青在不同温度区间和单一或多应力水平作用下的蠕变及回弹变形，通过记录沥青全过程变形曲线，如图2所示，以沥青最大蠕变变形、弹性恢复率等指标评价沥青性能。

由图2可知，具体试验过程分为3个阶段：第1阶段为预加载阶段，此阶段不对试样进行加载，沥青没有变形；第2阶段为加载阶段，沥青产生蠕变，变形量快速增大并达到最大值；第3阶段为卸载阶段，沥青变形逐渐恢复。根据沥青质量快速检测系统可以获得2个指标值来评价沥青性能的优劣，分别为最大蠕变变形ε_max、弹性恢复率R。其中，最大蠕变变形反映沥青的劲度，最大蠕变变形越小，沥青劲度越大；弹性恢复率（式（1））可以反映沥青的变形恢复能力，弹性恢复率越大，沥青永久变形越小^［10］。

R=\frac{{\epsilon }_{\mathrm{u}}}{{\epsilon }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}。（1）

式中：R为弹性恢复率；ε_u为变形恢复值，mm；ε_max为最大蠕变变形值，mm。

ABQT沥青试验样品同针入度试验样品类似，试验开始前将装有沥青的试样盒置于温度为25 ℃的环境箱中保温（60±10） min，取出后进行测试，预加载10 s，空气压力加载10 s，卸载10 s，空气压力为0.062 MPa，测试温度25 ℃。

1.2.2 傅里叶变换红外光谱试验

现有研究表明^［11-12］，羰基指数I_C=O和亚砜基指数I_S=O等特征官能团指数可以有效表征沥青的老化程度，因此本研究借助傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）获取得到不同老化程度下沥青的FTIR图谱，根据式（2）计算得到沥青的I_C=O和I_S=O，从微观角度表征沥青的老化程度。扫描波数范围为4000~600 cm^-1，扫描频率为4 cm^-1。

I_i=A_i/\sum A\mathrm{。}（2）

式中：I_i为波数为i的特征官能团指数；A_i为波数为i的吸收峰面积；\sum A为波数为2 000~600 cm^-1的吸收峰面积。

1.2.3 沥青老化动力学方程的构建步骤

随老化程度的增加，沥青的性能会发生规律性的变化趋势，借助老化动力学理论，建立沥青老化动力学方程可以对沥青的老化性能进行预测，有助于提出合理的养护时机。本研究将借助Petersen^［13］提出的沥青老化非线性微分方程预测模型来建立沥青老化动力学方程，实现对沥青老化性能的预测。具体建立步骤如下。

Petersen^［13］研究认为，在老化过程中，沥青内部微观结构的变化会使沥青分子活性和氧反应能力降低，基于该发现提出了沥青硬化微观模型，通常以式（3）的非线性微分方程描述

x\mathrm{\text{'}}(t)=ax(t)-b{x}^{\mathrm{2}}(t)。（3）

式中：x(t)为t时刻沥青的性能；x\mathrm{\text{'}}(t)为沥青性能在t时刻的变化率；a\mathrm{、}b为参数。令a=r,\frac{a}{b}=K，则式（3）可转化为式（4）

x\mathrm{\text{'}}(t)=rx(t)\left[\mathrm{1}-\frac{x(t)}{K}\right]。（4）

将式（3）分离变量，可得其通解式（5）

x(t)=\frac{K}{\mathrm{1}+C{\mathrm{e}}^{-rt}}。（5）

设t=\mathrm{0}时的沥青的性能为x_{\mathrm{0}}，将其带入式（5），可得C表达式

C=\frac{K}{x_{\mathrm{0}}}-\mathrm{1}。（6）

将式（6）带入式（5）得

x(t)=\frac{K}{\mathrm{1}+\left(\frac{K}{x_{\mathrm{0}}}-\mathrm{1}\right){\mathrm{e}}^{-rt}}。（7）

令K=L{x}_{\mathrm{0}}，带入式（7）即可得沥青老化动力学方程

x(t)=\frac{L{x}_{\mathrm{0}}}{\mathrm{1}+(L-\mathrm{1}){\mathrm{e}}^{-rt}}。（8）

式中，L为参数。

当t→∞时，\underset{t\to \mathrm{\infty }}{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}}x(t)=L{x}_{\mathrm{0}}，L=\frac{\underset{t\to \mathrm{\infty }}{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}}x(t)}{x_{\mathrm{0}}}，即参数L是沥青老化最终时刻与初始时刻性能的比值，用以衡量沥青性能的变化量；r是任意时刻t时沥青性能变化率，由上述2参数可以定量描述沥青老化状态和老化速率，实现对沥青老化的进程和行为的准确表征。

2 结果与分析

2.1 沥青性能随老化时间的变化规律

2.1.1 ABQT试验结果分析

根据1.2.1节所述步骤，借助沥青质量激光回弹快速检测系统对不同自然老化时间条件下沥青的蠕变恢复性能进行测试，所得沥青全过程变形曲线如图3所示。

由图3可以看出，随老化时间的延长，沥青的最大蠕变变形量逐渐减小，说明沥青的劲度模量值增大，这主要在于老化会导致沥青内部的组分发生改变，轻质组分向重质组分发生了转移，进一步促使沥青分子内部大分子量增加，沥青的硬度和劲度模量值增大，表现为其蠕变变形恢复能力降低。为定量分析老化对沥青性能的影响，获取不同老化程度下沥青的最大蠕变变形量及弹性恢复率，结果如图4所示。

由图4可知，随老化时间的延长，沥青的最大蠕变变形量呈现逐渐减小并最终趋于稳定的变化趋势，在老化初期（2 a），沥青的最大蠕变变形量变化幅度最大，可以达到66.25%，而在老化后期，沥青的最大蠕变变形量变化幅度有所降低，这说明沥青的自然老化主要发生在沥青路面服役初期，在后期沥青老化速率逐渐降低并最终达到极限老化状态。

对于弹性恢复率指标，可以发现其随老化时间的延长总体上呈正相关的变化趋势，表现为沥青老化程度越深，弹性恢复率值越大，原因在于老化会致使沥青的黏性成分降低，而弹性成分增加，因此沥青的弹性恢复能力增强^［14］，在相同的温度和应力条件下，沥青老化程度越严重，则沥青蠕变总变形和永久变形就越小，同时沥青总变形中可恢复变形和最大蠕变变形的比例增大促使沥青的弹性恢复率增大，由此可见老化会对沥青的黏弹性特性产生重要影响。

此外，由图3还可以发现，在加载阶段及卸载阶段，沥青的变形曲线近乎符合对数函数形式的变化趋势，因此本研究采用对数函数对老化SBS改性沥青回弹变形曲线进行拟合，进一步分析老化对沥青黏弹性能的影响情况，拟合结果见表2。

由表2可知，当老化时间小于6 a时，SBS改性沥青拟合变形曲线平滑连续，拟合系数R²较高，拟合相关性较高，表明此时沥青性能变化较稳定，老化程度处于较低水平；随老化时间的延长，SBS改性沥青拟合变形曲线出现不连续断点，拟合系数R² 降低，此时拟合相关性下降，表明沥青性能变化稳定性变差，SBS改性沥青老化程度严重，原因在于老化后期，SBS改性沥青内部组分会出现不均匀性老化现象，进而导致沥青性能呈现不稳定的变化趋势。

由表2还可知，由于不同老化时间的沥青变形曲线方程形式相同，仅方程系数有所差别，因此可自拟合方程提出某个指标表征沥青的老化程度。本研究具体定义老化沥青加载、回弹阶段拟合方程系数分别为加载变形速率系数及回弹变形速率系数，通过分析沥青变形速率系数随老化时间的变化特征，探究沥青的老化程度。沥青变形速率系数随老化时间的变化规律曲线如图5所示。

由图5可知，随老化时间的延长，SBS改性沥青的加载变形速率系数和回弹变形速率系数变化率均呈现先迅速增加，后趋于稳定的变化趋势，结果同样说明SBS改性沥青的自然老化主要发生在沥青路面服役初期，在后期沥青老化速率逐渐降低并最终达到极限老化状态，这与最大蠕变变形量指标所表征的结论相一致。

2.1.2 红外光谱试验结果分析

为在微观角度分析SBS改性沥青的自然老化行为，采用傅里叶变换红外光谱仪对不同老化程度下沥青内部分子结构进行测试，获取得到老化SBS改性沥青FTIR图谱，同时计算得到羰基指数I_C=O和亚砜基指数I_S=O值，定量表征沥青的老化程度。试验结果如图6所示。

由图6可知，不同自然老化时间条件下SBS改性沥青的FTIR谱图几乎一致，区别仅在于某些特征峰吸收强度的变化，主要表现为C=O、S=O及SBS改性剂中C=C吸收峰强度的变化。随老化时间的延长，SBS改性沥青C=O及S=O吸收峰的强度逐渐变大，而C=C吸收峰的强度逐渐变小。其中，C=O及S=O等含氧极性官能团吸收峰强度的变化主要在于沥青老化过程中会发生吸氧反应，自然老化会导致沥青内部形成羧酸、酮和醛等官能团^［15-16］，同时沥青内部的硫元素也容易被氧化为亚砜基官能团，这些含氧极性官能团的生成会促使沥青内部分子之间的相互缔合作用加强，导致沥青的性能发生变化；同时，长时间的自然老化也会导致SBS改性沥青中改性剂不断发生降解，致使966 cm^-1处C=C吸收峰的强度不断降低。

此外，由图6（b）可以，随老化时间的延长，沥青I_C=O和I_S=O呈现先快速增加最后趋于稳定的变化趋势，这与由ABQT试验所获取的最大蠕变变形和变形速率系数的变化规律相一致，进一步证明SBS改性沥青的自然老化主要发生在沥青路面服役初期^［17］，同时也可以间接说明采用最大蠕变变形和变形速率系数去表征沥青的老化程度是可行的。

2.1.3 ABQT试验指标表征沥青老化行为的合理性分析

借助ABQT试验，通过获取最大蠕变变形、弹性恢复率、加载变形速率系数和回弹变形速率系数等指标评价了自然老化过程中沥青性能的变化规律，由于ABQT试验是一个新的试验方法，用其评价沥青性能的合理性还需做进一步验证，为此，本研究对最大蠕变变形及弹性恢复率与沥青传统性能指标（针入度及羰基指数）之间的相关性进行分析，结果如图7所示。

由图7可知，沥青最大蠕变变形、弹性恢复率与其针入度和羰基指数值均表现出较好的相关性，拟合系数R² 均高达0.836以上，这表明随老化时间的改变，沥青的各性能指标并不是独立地发生变化，这些指标之间存在较好的相关关系，原因在于随自然老化时间的延长，沥青分子内部含氧极性官能团数量增多，促使沥青内部分子之间的相互缔合作用加强^［18］，沥青分子链发生位移运动时受到的内摩擦阻力增大，宏观上导致沥青的刚性增加，沥青的针入度减小，沥青硬度增大，在空气压力加载作用下沥青不易发生变形，表现为其最大蠕变变形量也随之减小。结果验证了采用ABQT试验指标评价沥青性能的优劣是合理可行的，可借助沥青质量激光回弹快速检测系统代替传统试验方法对沥青性能进行评价，进而丰富沥青老化性能评价手段和指标，有效提高沥青老化性能评价的准确性和操作便易性。

2.2 沥青老化动力学方程结果分析

2.2.1 沥青老化动力学方程的构建

根据前文分析结果，老化沥青的最大蠕变变形、两阶段变形速率系数随老化时间的变化均呈现先快后慢直至趋于稳定的规律，符合非线性微分方程反映的老化行为。因此，本研究将以最大蠕变变形、加载及回弹变形速率系数为沥青性能指标，建立沥青老化动力学方程，分析非线性预测模型对上述指标的适用性。

以老化时间0 a为沥青老化性能初始状态，老化时间9 a为沥青老化性能最终状态，依据式（8），计算参数L、r，确定沥青老化动力学方程，结果见表3。

由表3可知，最大蠕变变形、加载变形速率系数、回弹变形速率系数与非线性预测模型的拟合系数分别为0.982、0.985、0.988，表明沥青老化非线性预测模型对所述指标有很强的适用性，建立的老化动力学方程可以实现对沥青老化性能的有效预测，这为激光回弹检测数据在沥青老化性能预测中的应用提供了理论基础。

2.2.2 SBS改性沥青自然老化速率计算结果

对老化动力学方程（式（8））进行一阶导数求导即可得到老化速率方程，用以表征沥青在不同老化时间下性能变化速率，计算得到SBS改性沥青各指标老化速率与老化时间关系，如图8所示。

由图8可知，自然老化条件下，随老化时间的延长，SBS改性沥青材料性能老化速率逐渐降低并最终趋于稳定状态，进一步证明SBS改性沥青的自然老化主要发生在沥青路面服役初期。此外，根据图8，在0~9 a沥青最大蠕变变形、加载变形速率系数和回弹变形速率系数等性能指标老化速率与老化时间的关系均符合三次函数模型，因此，本研究通过建立三次函数模型，然后求解连续区间上各函数模型拐点，以确定SBS改性沥青性能老化速率变化拐点，结果见表4。

由表4可知，对于最大蠕变变形、加载变形速率系数和回弹变形速率系数指标，其老化速率分别在6.67、5.56、6.67 a出现拐点，在拐点出现之前，沥青自然老化速率较快，拐点之后，沥青中轻质组分向重质化转变且随着轻质组分含量的降低沥青老化速率减缓，达到拐点年限时沥青混合料通常呈现沥青膜脱落、微裂纹等宏观老化现象，需考虑介入预防性养护措施恢复沥青性能，防止在拐点之后沥青老化迅速发展。由于不同指标拐点时间略有差异，为了确保性能安全，建议在较近的年限，即5.56 a对沥青路面进行针对性预防性养护。

3 结论

本研究借助沥青质量快速检测系统（ABQT）探究了SBS改性沥青的自然老化行为，分析了相关指标用于评价沥青老化性能的准确性，并建立了沥青老化性能非线性预测模型，进一步提出合理的养护时机，为提升沥青路面养护质量提供理论支撑。主要结论如下。

1）随老化时间的延长，SBS改性沥青的最大蠕变变形量逐渐减小，弹性恢复率值及变形速率系数逐渐增大，同时在老化后期，上述指标的变化速率逐渐降低，表明老化会对沥青的黏弹性能产生显著性影响，且SBS改性沥青的自然老化过程主要发生在路面服役初期。

2）沥青最大蠕变变形及弹性恢复率与沥青传统性能指标（针入度、羰基指数）之间具有较好的相关性，可借助沥青质量快速检测系统代替传统试验方法对沥青老化性能进行快速评价。

3）以最大蠕变变形、加载变形速率系数、回弹变形速率系数建立了SBS改性沥青自然老化动力学方程，实现了沥青老化时间-材料性能双向计算，同时随老化时间的延长，这些指标所对应的老化速率值均以三次函数模型形式衰变，老化速率拐点分别为6.67、5.56、6.67 a，考虑到沥青混合料性能安全，建议以5.56 a作为介入预防性养护措施恢复沥青性能的阈值。

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基金资助

国家重点研发计划项目(18YFB1600103)

引江济淮工程科技创新项目(YJJH-ZT-ZX-20220708485)