基于频率扫描方法的SBS沥青不同侵蚀条件下流变行为对比分析

刘定清 施培华

摘要：为改善沥青路面的耐久性和稳定性，文章针对不同盐分侵蚀模式探讨SBS沥青的流变行为变化规律。通过进行不同盐分侵蚀条件下SBS沥青的频率扫描试验，获得复数模量与相位角来对比分析不同侵蚀条件下SBS沥青的流变性能变化及其温度敏感性，并采用车辙因子与疲劳因子指标评估侵蚀模式对SBS沥青的高温抗车辙能力和疲劳性能的影响。研究结果可为优化沥青路面的设计和养护提供参考。

关键词：道路工程；SBS沥青；侵蚀作用；流变行为

中图分类号：U416.03 A 33 104 4

0 引言

随着交通运输行业的发展，沥青材料作为道路建设的重要组成部分，对保障道路结构的稳定性和使用寿命具有关键性的影响，沥青路面的耐久性和稳定性也变得越来越重要［1］。然而，盐分侵蚀是沥青路面材料在海岸地区、高盐度环境或冬季道路除雪时面临的一种常见问题。这种盐分侵蚀现象会导致沥青路面材料的物理和化学性质发生变化，进而对其流变行为和性能产生显著影响［2］。因此，了解沥青材料在不同盐分侵蚀条件下的流变行为，对于改善沥青路面的耐久性和稳定性具有重要意义。

在过去的研究中，SBS沥青被广泛应用于道路建设领域，因其优异的粘弹性能和抗老化能力而备受青睐［3］。盐侵蚀通常会对沥青路面产生严重影响，显著降低使用寿命。由于盐的侵蚀条件不同，沥青基材料的性能可能会出现不同程度的降低，其中盐分起着加速老化的作用［4］。已有研究采用扫描电子显微镜和原子力显微镜发现，在盐水冻融循环过程中，其侵蚀作用显著破坏了SBS沥青的沥青膜，导致沥青性能恶化。同时，沥青中四组分的比例在侵蚀过程中发生了变化，主要表现为饱和分、芳香分等轻组分比例下降，沥青质比例增加［5］。然而，SBS沥青在不同盐分侵蚀条件下的流变行为仍然存在许多未知的因素和挑战。

本研究旨在通过基于频率扫描的试验方法，对比分析SBS沥青在不同盐分侵蚀条件下的流变行为。通过对不同侵蚀模式的预处理，研究沥青材料的复数模量和相位角等流变参数的变化情况。通过这些试验结果进而得到车辙因子与疲劳因子等指标，可以评估不同侵蚀条件下SBS沥青的流变性能差异。研究成果有助于深入了解盐分侵蚀模式对沥青材料的影响，并为改进沥青路面的设计和维护提供重要的参考依据。

1 试验概况

1.1 试验原材料与试样制备

本研究以SBS改性沥青为研究对象，使用线型SBS改性剂，其用量为4%。参照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004），SBS改性沥青的主要性能如表1所示。

氯离子已被证明是富盐侵蚀环境中沥青路面损坏的主要因素，因此本研究选择氯化钠作为侵蚀的盐介质，利用饱和氯化钠溶液作为SBS沥青的侵蚀环境。将沥青试样制成硬币形状，分别采用盐水冻融循环和盐水浸泡的方法对沥青试样进行两种侵蚀条件试验。将盐水冻融循环或盐水浸泡时长24 h记为1次侵蚀，考虑到氯化钠溶液水分蒸发等体积减小会改变侵蚀过程的速率，因此在侵蚀过程之前将沥青试样用薄膜包裹。本研究将未侵蚀处理和已侵蚀处理的沥青试样分别作为对照组和试验组，并且每个侵蚀条件下至少设置3个平行组。

1.2 频率扫描试验方法

参考美国规范ASTM D7175，采用频率扫描试验测定沥青材料在两种侵蚀条件模式下的复数模量G*和相位角δ，这两个参数是粘弹性材料的重要指标，与沥青路面的长期荷载特性有关。在本研究中，频率扫描试验的测试频率范围设定为0.1～20 Hz，测试温度范围分别为40 ℃、50 ℃、60 ℃和70 ℃。在复数模量G*和相位角δ的基础之上，便可以进一步计算沥青材料的车辙因子G*/sinδ和疲劳因子G*sinδ。此外，沥青材料试样在不同侵蚀条件下的损伤劣化程度也可以用侵蚀过程前后车辙因子G*/sinδ和疲劳因子G*sinδ的变化来表征，记为ΔG*/sinδ和ΔG*sinδ，可以通过式（1）（2）来计算：

2 基于频率扫描的沥青材料流变行为测试结果与讨论

2.1 不同侵蚀模式下SBS沥青的复数模量和相位角测试结果

两种不同侵蚀模式下SBS沥青的复数模量G*和相位角δ测试结果随着侵蚀次数与测试温度的变化如图1所示。SBS沥青的复数模量随着试验温度的升高呈下降趋势，并且随着侵蚀次数而升高。从图1（a）中可知，在40 ℃～70 ℃的温度，经过21次盐水冻融循环后SBS沥青的复数模量相比于对照组增加了10.15%～43.78%。经过盐水浸泡后SBS沥青的复数模量表现出类似趋势，G*值增加了16.32%～48.75%，见图1（b）。这一结果可归因于侵蚀过程中沥青中饱和分和芳香分的比例降低，加速沥青的老化而导致其硬化。因此，在不同盐侵蚀条件下沥青的复数模量有所增加。此外，沥青试样的相位角随试验温度发生变化，主要是由于SBS改性剂的三维网格结构增加了沥青分子间的结合力，抑制沥青向黏性流动状态转变。随着两种侵蚀模式进程，δ值的变化相对较小，表明这侵蚀条件对SBS沥青的相位角影响不大。

从图1可以看出，随着测试温度的升高，复数模量显著下降，说明沥青逐渐从弹性状态转变为黏性状态。复数模量指数（|GTS|）是评估沥青温度敏感性的有效指标，为进一步研究不同侵蚀模式对SBS沥青温度敏感性的影响，通过式（3）进行拟合得到|GTS|。

lglgG=GTS×lgT+C（3）

式中：T——测试温度（K）；

C——截距常数。

|GTS|值越大，表示复数模量的温度敏感性越高。通过拟合建立SBS沥青的lglg G*和lgT之间的线性关系如图2所示，其拟合参数如表2所示。相关系数（R2）均接近1，表明lglg G*和lgT之間存在良好的线性关系。根据表2可知，|GTS|值随着两种侵蚀模式循环次数的增加而降低，表明SBS沥青在侵蚀条件下温度敏感性降低。此外，对于盐水冻融循环和盐水浸泡侵蚀模式而言，SBS沥青的|GTS|值差异不大。

如下页图3所示汇总了在两种不同侵蚀模式下SBS沥青的复数模量G*对比结果。从图中可以看出，相比于盐水冻融循环的沥青试样组别，盐水浸泡后SBS沥青试样在经过7次、14次和21次循环后的G*值分别平均增加了3.92%、4.27%和4.20%。这表明盐和冻融循环的耦合作用对SBS沥青复数模量影响小于盐水浸泡，其原因可能是盐分的存在会阻碍冻融循环的冻结过程，削弱冻融循环的影响。同时，在冻融循环的冻結过程中盐析效应有所下降。因此，盐水浸泡对SBS沥青复数模量的影响更大，其影响程度随着温度的升高而减小。

2.2 不同侵蚀模式下SBS沥青的车辙因子与疲劳因子分析

车辙因子（G*/sinδ）为评估沥青高温性能和抗车辙能力的指标，G*/sinδ值越高，沥青的抗车辙变形能力越好；疲劳因子（G*sinδ）可用于评估沥青的疲劳性能，G*sinδ值越大，抗疲劳性能越差。图4为SBS沥青在两种不同侵蚀模式下的车辙因子G*/sinδ。从图4可以看出，随着两种侵蚀模式循环次数的增加，SBS沥青的车辙因子G*/sinδ值显著增加。这表明在侵蚀条件的影响下，沥青的高温性能和抗车辙能力得到了一定程度改善。与经过盐水冻融循环的沥青相比，经过盐水浸泡后SBS沥青的G*/sinδ值明显更高。相比于盐水冻融循环，经过7次、14次和21次侵蚀循环，SBS沥青在盐水浸泡下的G*/sinδ值分别平均提高了4.12%、4.36%和3.95%。这表明盐水浸泡后沥青具有较好的高温性能和抗车辙能力。侵蚀条件可以改善SBS沥青的抗车辙性能，但盐水冻融循环对沥青抗车辙性能的改善作用弱于盐水浸泡，其原因可能是在盐水浸泡过程中沥青的盐析效应更加严重。此外，SBS沥青的车辙因子变量ΔG*/sinδ随着侵蚀循环的增加而增加，SBS沥青的损伤程度随着侵蚀进程而增大，同时也验证了盐水浸泡对SBS沥青的高温性能和抗车辙能力有更显著的影响。

如图5所示为SBS沥青在两种侵蚀模式下的疲劳因子G*sinδ结果。根据图5（a）、（b）结果，沥青的疲劳因子G*sinδ值随着两种侵蚀模式循环次数的增加而明显增加，这表明侵蚀条件对SBS沥青的疲劳性能产生了较为显著的负面影响，这可能是由于侵蚀条件加速了沥青的老化过程。此外，侵入的氯化钠和沥青分子之间的粘附力通常小于沥青分子间的粘附力，因此在侵蚀条件下沥青的抗疲劳开裂性能有所下降。与盐水冻融循环相比，经过7次、14次和21次侵蚀循环后，SBS沥青在盐水浸泡下的疲劳因子G*sinδ值分别增加了3.72%、4.17%和4.45%。如图5（c）、（d）所示，SBS沥青的疲劳因子变量ΔG*sinδ值随着侵蚀循环的增加而增加，并且盐水冻融循环后沥青的ΔG*sinδ明显小于盐水浸泡循环。上述结果表明SBS沥青在盐水浸泡模式下的疲劳性能劣化更为严重。

3 结语

通过本研究采用频率扫描方法对比分析不同侵蚀条件下SBS沥青材料的流变行为，可以得出以下结论：

（1）不同盐侵蚀条件下SBS沥青中饱和分和芳香分的比例降低，加速了沥青老化而导致其硬化，复数模量有所增加；相位角的变化相对较小，侵蚀条件对沥青的相位角影响不大。

（2）相比于盐水冻融循环，盐水浸泡对SBS沥青试样复数模量的影响更大，其影响程度随着温度的升高而减小。这可归因于盐分的存在会阻碍冻融循环的冻结过程，削弱冻融循环影响，且冻结过程中盐析效应有所下降。

（3）两种侵蚀模式作用下，SBS沥青的高温性能和抗车辙能力有轻微改善，但明显削弱了沥青的温度敏感性和抗疲劳开裂能力。

综上所述，不同侵蚀模式对SBS沥青的流变行为有显著影响，本研究相关发现与结果对于理解沥青材料的稳定性以及在工程应用中的可持续性具有重要意义，可以进一步帮助优化沥青材料的设计和使用，并为沥青路面保护措施和修复方法提供指导。

参考文献

［1］熊奎元，侯剑楠，韦畅明，等.基质沥青与SBS改性沥青老化行为研究［J］.西部交通科技，2022（1）：20-22，30.

［2］崔亚楠，韩吉伟，冯 蕾，等.盐冻循环条件下改性沥青微细观结构［J］.吉林大学学报（工学版），2017，47（2）：452-458.

［3］隆艳梅.SBS改性沥青机理分析与抗老化试验研究［J］.西部交通科技，2020（7）：4-6.

［4］孟勇军，韦耿平，李正华，等.TLA改性沥青及其混合料氯盐侵蚀作用下的性能［J］.广西大学学报（自然科学版），2020，45（1）：61-66.

［5］单鸣宇，王 岚，张宝鑫.盐冻融循环下温拌胶粉改性沥青混合料的低温性能［J］.建筑材料学报，2019，22（3）：467-473.

收稿日期：2023-08-15