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标题 基于灰色理论的SBS改性沥青老化性能的评价方法
范文 高榕 赵乐 房士伟



摘要：为了研究SBS改性沥青的老化性能，通过沥青薄膜烘箱试验，研究了老化温度、老化时间、沥青膜厚度与转速对SBS改性沥青老化性能的影响规律。根据灰色理论关联度分析，得出沥青膜厚度与SBS改性沥青老化性能的关联性最好。因此，提出通过减小SBS改性沥青薄膜厚度改进沥青薄膜烘箱试验的方法。试验结果表明，当SBS改性沥青薄膜厚度为2.568 mm时，即当TFOT试验中SBS改性沥青试样质量为41 g时，TFOT试验能够准确评价SBS改性沥青短期老化性能。
关键词：SBS改性沥青；沥青膜厚度；老化性能；TFOT
中图分类号：U414.1文献标志码：B
Evaluation of Aging Properties of SBS Modified Asphalt Based on Grey Theory
GAO Rong1， ZHAO Le2， FANG Shiwei3
（1. School of Civil Engineering， Xijing University， Xian 710023， Shaanxi， China； 2. CCCC First Highway
Consultants Co.， Ltd.， Xian 710074， Shaanxi， China； 3. Qinghai Provincial Institute of Highway Research，
Survey and Design， Xining 810001， Qinghai， China）
Abstract： The impact of aging temperature， aging time， thickness of asphalt film and the rotation speed on the aging properties of SBS modified asphalt was studied with thin film oven test （TFOT）. By means of the correlation analysis based on the grey theory， it is suggested that the thickness of asphalt film has the highest relevance to the aging properties. So an improved TFOT with thinner asphalt film was proposed， and the results show that when the thickness of SBS modified asphalt film is 2.568 mm， or the mass of SBS modified asphalt sample for TFOT is 41 g， the aging properties can be accurately evaluated by TFOT.
Key words： SBS modified asphalt； thickness of asphalt film； aging property； TFOT
0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》（JTG E20—2011）采用基质沥青短期老化的评价方法（163 ℃的TFOT或RTFOT）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127 mm、直径为635 mm的钢棒评价SBS改性沥青的短期老化性能；申来明等 [16]认为，当SBS改性沥青163 ℃粘度大于025 Pa·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[7]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（TFOT），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。
1原材料与试验方案设计
1.1原材料性能
1.1.1沥青
采用3种SBS改性沥青1#、2#、3#，分别由新加坡埃索AH90、韩国SK90、壳牌90#制备，改性剂均为为燕山石化SBS 4303，掺量为4.5%，其性能指标如表1所示。
1.2试验方案设计
1.2.1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5 h、沥青膜厚度为28 mm、转盘转速为55 r·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2.8 mm、转盘转速为55 r·min-1不变，研究老化时间分别为5、6、7、8、9 h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5 h、转盘转速为55 r·min-1不变，研究沥青膜厚度分别为1.5、2、2.5、3、3.5 mm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5 h、沥青膜厚度为28 mm不变，研究转盘转速分别为55、65、75、85、95 r·min-1时SBS改性沥青的老化性能。
1.2.2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。
1.2.3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AC13马歇尔试件，油石比为4.5%，集料与级配如表2～4所示；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。
2试验结果与分析
2.1各因素对SBS改性沥青针入度的影响
老化温度、老化时间、转盘转速、沥青膜厚度等因素对SBS改性沥青老化后针入度的影响如表5和图1所示。
由表5和图1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，因此针入规律度减小。
2.2各因素对SBS改性沥青软化点的影响
老化温度、老化时间、转盘转速、沥青膜厚度对SBS改性沥青老化后软化点的影响如表6和图2所示。
由表6和图2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。
2.3各因素对SBS改性沥青延度的影响
老化温度、老化时间、转盘转速、沥青膜厚度对SBS改性沥青老化后5 ℃延度的影响如表7和图3所示。
由表7和图3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。
3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。
3.1参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。由表5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
{X1}={15.38%，17.56%，20.32%，28.01%，32.08%}
{X2}={15.38%，16.98%，20.90%，30.19%，31.20%}
{X3}={15.38%，21.77%，23.22%，34.11%，37.01%}
{X4}={15.38%，20.75%，26.42%，32.80%，35.99%}
{X1}、{X2}、{X3}、{X4}即为比较数列，参考数列
{X0}={15.38%，21.77%，26.42%，34.11%，37.01%}
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。
3.2各影响因素与三大指标关联性分析
老化温度、老化时间、转速以及沥青膜厚度与SBS改性沥青针入度、软化点、延度三大指标的关联性分析结果如表8所示。
由表8可知，沥青薄膜试验中沥青膜厚度（沥青试样质量）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。
4沥青膜厚度研究
4.1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5 h、转盘转速为5.5 r·min-1不变，沥青膜厚度分别为19、22、25、28、31 mm，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，结果如表9所示。
从表9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。
4.2沥青抽提试验
采用表4所示的AC13级配配制混合料，油石比为45%，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，试验结果如表10所示。
4.3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，结果如表11所示。
上述各指标对应的沥青膜厚度的平均值为2568 mm，沥青的质量m=406 g，即当沥青薄膜烘箱试验中沥青试样的用量为41 g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5 h、转速为5.5 r·min-1、沥青试样质量为41 g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。
5结语
（1）通过单一变化法研究了不同的老化温度、老化时间、转盘转速以及沥青膜厚度对SBS改性沥青老化后针入度、软化点、延度的影响规律，针入度、延度均随老化温度升高、老化时间增长、转速增大、沥青膜厚度的减小而降低，而软化点变化规律不明显。
（2）通过灰色关联度分析，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。
（3）通过抽提试验与不同沥青膜厚度的老化试验得出，当沥青薄膜烘箱试验中沥青试样用量为41 g时，能够准确评价SBS改性沥青的短期老化性能。
参考文献：
[1]申来明，房士伟，马庆伟.SBS改性沥青薄膜烘箱试验改进方法的研究[J].筑路机械与施工机械化，2014，31（4）：5457.
[2]康宏伟，谭学章，纪小平.SBS改性沥青的老化方程及应用[J].武汉理工大学学报，2011，33（5）：9599.
[3]陈华鑫，周燕，王秉纲.SBS改性沥青老化后的动态力学性能[J].长安大学学报；自然科学版，2009，29（10）：15.
[4]王冲，徐世法，季节，等.再生SBS改性沥青混合料再度老化性能的研究[J].北京建筑工程学院学报，2006，22（3）：2023.
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[6]张俊，廖克俭，闫锋，等.基质沥青与SBS改性沥青的老化性能分析[J].石化技术与应用，2008，26（3）：237239.
[7]李平，张争奇，王秉纲.旋转薄膜烘箱试验对于改性沥青适用性探讨[J].河北工业大学学报，2007，36（1）：106109.
[责任编辑：杜卫华]
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更新时间：2024/12/23 3:22:30