SBS-ZnO復(fù)合改性：高粘高彈瀝青流變與老化性能的深度剖析

SBS-ZnO復(fù)合改性：高粘高彈瀝青流變與老化性能的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義道路作為交通運輸?shù)年P(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，其質(zhì)量與耐久性直接關(guān)系到交通運輸?shù)男?、安全以及?jīng)濟發(fā)展。隨著交通量的迅猛增長、車輛荷載的日益加重以及極端氣候條件的頻繁出現(xiàn)，對道路性能提出了更為嚴苛的要求。瀝青作為道路建設(shè)的核心材料，其性能的優(yōu)劣直接影響著道路的使用品質(zhì)。傳統(tǒng)的基質(zhì)瀝青在高溫下易軟化流淌，導(dǎo)致路面出現(xiàn)車轍、擁包等病害；在低溫下則易脆裂，降低路面的抗裂性能，縮短道路的使用壽命。此外，瀝青在使用過程中還會受到氧氣、紫外線、溫度等因素的作用而發(fā)生老化，進一步劣化其性能。因此，研發(fā)高性能的改性瀝青以提升道路的質(zhì)量和耐久性具有至關(guān)重要的現(xiàn)實意義。SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性瀝青是目前應(yīng)用最為廣泛的一種改性瀝青，它通過在基質(zhì)瀝青中添加SBS聚合物，有效改善了瀝青的高低溫性能、抗疲勞性能和耐老化性能。SBS分子中的苯乙烯鏈段具有剛性，能夠提高瀝青的高溫穩(wěn)定性；丁二烯鏈段具有柔性，可增強瀝青的低溫韌性，使瀝青在不同溫度條件下都能保持較好的性能。然而，隨著道路使用環(huán)境的日益復(fù)雜，單一的SBS改性瀝青在某些性能方面仍顯不足，難以完全滿足現(xiàn)代道路建設(shè)的需求。納米ZnO具有獨特的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，將其引入瀝青改性領(lǐng)域，為提升瀝青性能開辟了新途徑。納米ZnO的高比表面積和高活性使其能夠與瀝青分子產(chǎn)生較強的相互作用，從而改善瀝青的物理和化學(xué)性能。在抗老化性能方面，納米ZnO能夠有效吸收紫外線，抑制瀝青的光氧老化反應(yīng)；在流變性能方面，它可以調(diào)整瀝青的分子結(jié)構(gòu)，改變其粘彈性，進而提升瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。將SBS與ZnO復(fù)合用于改性瀝青，有望實現(xiàn)二者的優(yōu)勢互補，產(chǎn)生協(xié)同增效作用。一方面，SBS可以為納米ZnO提供良好的分散介質(zhì)，使其在瀝青中均勻分散，充分發(fā)揮納米粒子的性能優(yōu)勢；另一方面，納米ZnO能夠增強SBS與瀝青之間的相互作用，進一步優(yōu)化改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，從而全面提升改性瀝青的流變性能和抗老化性能，使其更能適應(yīng)復(fù)雜多變的道路使用環(huán)境。研究SBS-ZnO復(fù)合高粘高彈改性瀝青的流變與老化性能，對于推動道路材料技術(shù)的進步、提高道路建設(shè)質(zhì)量、延長道路使用壽命具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。從科學(xué)意義層面來看，深入探究復(fù)合改性瀝青的流變特性，有助于揭示其在不同溫度、荷載條件下的變形和流動規(guī)律，豐富和完善瀝青材料的流變學(xué)理論；研究其老化性能則能夠明晰老化過程中的物理化學(xué)變化機制，為開發(fā)有效的抗老化措施提供理論依據(jù)。在實際應(yīng)用價值方面，性能優(yōu)良的SBS-ZnO復(fù)合高粘高彈改性瀝青可顯著提高道路的抗車轍、抗開裂和抗老化能力，減少道路病害的發(fā)生，降低道路養(yǎng)護成本，提高交通運輸效率，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1SBS改性瀝青研究現(xiàn)狀SBS改性瀝青自問世以來，在道路工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用與深入研究。國外對SBS改性瀝青的研究起步較早，美國戰(zhàn)略公路研究計劃（SHRP）對SBS改性瀝青的性能進行了系統(tǒng)研究，提出了基于性能分級（PG）的瀝青評價體系，為SBS改性瀝青的性能評價和應(yīng)用提供了重要依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，SBS改性瀝青的高溫性能、低溫性能和抗疲勞性能相較于基質(zhì)瀝青有顯著提升，這得益于SBS在瀝青中形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效增強了瀝青的內(nèi)聚力和彈性恢復(fù)能力。國內(nèi)學(xué)者也對SBS改性瀝青展開了大量研究。在流變性能方面，通過動態(tài)剪切流變儀（DSR）、彎曲梁流變儀（BBR）等先進設(shè)備，研究SBS改性瀝青在不同溫度、頻率和荷載條件下的流變特性，建立了相應(yīng)的流變模型，深入分析其粘彈性行為。如[作者姓名]通過DSR試驗，研究了不同SBS摻量下改性瀝青的復(fù)數(shù)模量、相位角等流變參數(shù)隨溫度和頻率的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著SBS摻量增加，復(fù)數(shù)模量增大，相位角減小，表明瀝青的彈性成分增加，粘性成分減少，高溫性能得到改善。在老化性能研究中，采用薄膜烘箱試驗（TFOT）、壓力老化箱試驗（PAV）等模擬老化方法，結(jié)合紅外光譜（FT-IR）、凝膠滲透色譜（GPC）等微觀分析技術(shù)，探究SBS改性瀝青的老化機理和微觀結(jié)構(gòu)變化。研究表明，老化過程中SBS分子鏈發(fā)生降解和交聯(lián)，導(dǎo)致瀝青的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)改變，性能劣化。1.2.2ZnO改性瀝青研究現(xiàn)狀近年來，隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，納米ZnO在瀝青改性中的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。國外研究發(fā)現(xiàn)，納米ZnO能夠提高瀝青的抗老化性能，其原理是納米ZnO對紫外線具有較強的吸收能力，可有效抑制瀝青的光氧老化反應(yīng)。同時，納米ZnO的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)使其能夠與瀝青分子緊密結(jié)合，增強瀝青的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善流變性能。國內(nèi)關(guān)于ZnO改性瀝青的研究主要集中在改性瀝青的制備工藝、性能優(yōu)化及作用機理方面。在制備工藝上，研究不同的分散方法（如高速剪切、超聲分散等）對納米ZnO在瀝青中分散均勻性的影響，以充分發(fā)揮納米ZnO的改性效果。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，超聲分散結(jié)合高速剪切的方法能使納米ZnO在瀝青中達到較好的分散狀態(tài)，從而顯著提升改性瀝青的性能。在性能優(yōu)化方面，研究不同ZnO摻量對瀝青性能的影響規(guī)律，確定最佳摻量。有研究表明，適量的納米ZnO（如2%-4%）可使瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗老化性能得到綜合改善。在作用機理研究中，利用原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀測試手段，分析納米ZnO與瀝青分子之間的相互作用，揭示其改性機理。微觀分析顯示，納米ZnO均勻分散在瀝青中，與瀝青分子形成物理吸附和化學(xué)交聯(lián)，改變了瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，進而提升了瀝青的性能。1.2.3SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青研究現(xiàn)狀將SBS與ZnO復(fù)合用于瀝青改性是近年來的研究熱點。國內(nèi)外研究表明，SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青能夠?qū)崿F(xiàn)兩者的協(xié)同增效，性能優(yōu)于單一改性瀝青。在流變性能方面，復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)模量更高，相位角更小，高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性得到進一步提升。[國外研究者姓名]通過動態(tài)剪切流變試驗研究發(fā)現(xiàn)，SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在高溫下具有較低的相位角和較高的復(fù)數(shù)模量，表明其具有更好的抗車轍能力；在低溫下，其蠕變勁度模量降低，蠕變速率增大，低溫抗裂性能顯著提高。在抗老化性能方面，復(fù)合改性瀝青表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。國內(nèi)學(xué)者利用FT-IR、熱重分析（TGA）等手段研究復(fù)合改性瀝青的老化性能，發(fā)現(xiàn)納米ZnO能夠有效抑制SBS在老化過程中的降解和交聯(lián)，減少瀝青中羰基、亞砜基等老化產(chǎn)物的生成，從而延緩瀝青的老化進程，延長其使用壽命。1.2.4研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足盡管國內(nèi)外在SBS改性瀝青、ZnO改性瀝青以及SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的流變與老化性能研究方面取得了豐碩成果，但仍存在一些不足與空白。在流變性能研究方面，現(xiàn)有研究多集中在常規(guī)溫度和荷載條件下，對于極端溫度（如超高溫、超低溫）和復(fù)雜荷載（如沖擊荷載、循環(huán)荷載）作用下復(fù)合改性瀝青的流變行為研究較少，其流變模型的普適性和準確性有待進一步提高。在老化性能研究中，雖然對老化機理有了一定認識，但老化過程中微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的定量關(guān)系尚不明確，缺乏有效的老化預(yù)測模型。此外，目前關(guān)于SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的研究主要側(cè)重于性能測試和機理分析，在工程應(yīng)用方面的研究相對較少，缺乏系統(tǒng)的施工工藝和質(zhì)量控制標(biāo)準，限制了其在實際道路工程中的廣泛應(yīng)用。綜上所述，開展對SBS-ZnO復(fù)合高粘高彈改性瀝青在復(fù)雜條件下流變性能和老化性能的深入研究，建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的定量關(guān)系，開發(fā)老化預(yù)測模型，并完善工程應(yīng)用技術(shù)，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值，將為該材料在道路工程中的廣泛應(yīng)用提供有力支撐。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容SBS-ZnO復(fù)合高粘高彈改性瀝青的制備：選取合適的基質(zhì)瀝青，通過單因素試驗系統(tǒng)研究SBS和ZnO的不同摻量對改性瀝青性能的影響。設(shè)置SBS摻量梯度為3%、4%、5%、6%、7%，ZnO摻量梯度為1%、2%、3%、4%、5%，采用高速剪切與超聲分散相結(jié)合的方法制備改性瀝青。在高速剪切過程中，控制剪切速率為5000-8000r/min，剪切時間為45-60min，溫度維持在170-180℃；超聲分散時，功率設(shè)定為300-500W，時間為20-30min，以確保SBS和ZnO在瀝青中均勻分散，分析不同摻量組合下改性瀝青的基本性能指標(biāo)，確定最佳摻量組合。SBS-ZnO復(fù)合高粘高彈改性瀝青的流變性能測試：運用動態(tài)剪切流變儀（DSR），在不同溫度（40-80℃）和頻率（0.1-10Hz）條件下，對最佳摻量組合的SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青進行動態(tài)剪切流變試驗，獲取復(fù)數(shù)模量、相位角等流變參數(shù)。利用彎曲梁流變儀（BBR），在低溫（-10-0℃）環(huán)境下測試復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度模量和蠕變速率，分析其低溫流變性能。通過多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗（MSCR），施加不同等級的應(yīng)力（0.1kPa和3.2kPa），測定復(fù)合改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓謴?fù)率，深入研究其在不同應(yīng)力水平下的粘彈性和抗永久變形能力。SBS-ZnO復(fù)合高粘高彈改性瀝青的老化性能測試：采用薄膜烘箱試驗（TFOT）模擬瀝青的短期老化過程，在163℃溫度下老化5h，通過壓力老化箱試驗（PAV）模擬長期老化過程，在100℃、2.1MPa壓力下老化20h。老化前后分別對復(fù)合改性瀝青進行物理性能測試，如針入度、軟化點、延度等，分析老化對其基本性能的影響。利用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、凝膠滲透色譜（GPC）、熱重分析（TGA）等微觀分析技術(shù)，研究老化前后復(fù)合改性瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量分布和熱穩(wěn)定性變化，揭示其老化機理。影響SBS-ZnO復(fù)合高粘高彈改性瀝青流變與老化性能的因素分析：從微觀層面，借助掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）觀察SBS和ZnO在瀝青中的微觀形態(tài)、分散狀態(tài)以及與瀝青分子的相互作用，分析微觀結(jié)構(gòu)對宏觀流變和老化性能的影響。探討溫度、荷載等外部因素對復(fù)合改性瀝青流變性能的影響規(guī)律，建立流變性能與溫度、荷載之間的數(shù)學(xué)模型。研究老化時間、老化溫度、紫外線照射等老化條件對復(fù)合改性瀝青老化性能的影響，確定影響老化性能的關(guān)鍵因素，建立老化性能預(yù)測模型。1.3.2研究方法試驗研究法：嚴格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20-2011）進行各類試驗，確保試驗操作的規(guī)范性和數(shù)據(jù)的準確性。在改性瀝青制備試驗中，精確控制原材料的配比和加工工藝參數(shù)；在流變性能測試試驗中，對DSR、BBR、MSCR等試驗設(shè)備進行校準和調(diào)試，保證測試結(jié)果的可靠性；在老化性能測試試驗中，準確模擬老化條件，嚴格控制老化時間和溫度。微觀分析方法：利用FT-IR分析老化前后瀝青分子中官能團的變化，確定老化反應(yīng)的類型和程度；通過GPC測定瀝青的分子量及其分布，了解老化過程中分子鏈的降解和交聯(lián)情況；借助TGA分析瀝青的熱穩(wěn)定性，確定老化對瀝青熱分解行為的影響。運用SEM觀察SBS和ZnO在瀝青中的分散形態(tài)和界面結(jié)合情況；使用AFM分析瀝青微觀表面的形貌、粗糙度以及分子間作用力，從微觀角度解釋宏觀性能變化的原因。數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法：對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Origin、SPSS等數(shù)據(jù)分析軟件繪制圖表，直觀展示數(shù)據(jù)變化趨勢。通過回歸分析建立流變性能參數(shù)與溫度、荷載之間的數(shù)學(xué)模型，以及老化性能指標(biāo)與老化條件之間的預(yù)測模型，并對模型進行顯著性檢驗和驗證，確保模型的準確性和可靠性。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1SBS改性瀝青概述SBS作為一種苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，具有獨特的分子結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的性能特點，在瀝青改性領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其分子結(jié)構(gòu)由中間的聚丁二烯軟段和兩端的聚苯乙烯硬段組成，這種特殊的嵌段結(jié)構(gòu)使其呈現(xiàn)出兩相分離狀態(tài)。聚丁二烯軟段賦予了SBS良好的柔韌性、彈性以及低溫性能，使其在低溫環(huán)境下仍能保持較好的變形能力；而聚苯乙烯硬段則提供了剛性和強度，增強了材料的高溫穩(wěn)定性。在常溫下，聚苯乙烯硬段形成物理交聯(lián)點，使SBS呈現(xiàn)出類似橡膠的彈性；當(dāng)溫度升高至聚苯乙烯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時，物理交聯(lián)點消失，SBS表現(xiàn)出熱塑性，可進行加工成型。SBS對瀝青的改性作用機理主要體現(xiàn)在物理共混和化學(xué)改性兩個方面。在物理共混過程中，瀝青中的油分使SBS發(fā)生溶脹，使其均勻分散在瀝青中，形成穩(wěn)定的分散體系。SBS分子與瀝青分子之間通過分子間作用力相互作用，SBS的加入改變了瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，使瀝青的內(nèi)聚力增強。研究表明，SBS在瀝青中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠有效阻礙瀝青分子的流動，從而提高瀝青的粘度和彈性恢復(fù)能力。在化學(xué)改性方面，SBS與瀝青中的某些成分可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，進一步增強了兩者之間的結(jié)合力，改善了瀝青的性能。SBS改性瀝青在道路工程中具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。在高溫性能方面，SBS的加入提高了瀝青的軟化點，降低了其在高溫下的流動性，有效增強了瀝青的抗車轍能力。通過動態(tài)剪切流變試驗可知，SBS改性瀝青的復(fù)數(shù)模量明顯高于基質(zhì)瀝青，相位角減小，表明其在高溫下具有更好的彈性和抗變形能力。在低溫性能上，SBS改善了瀝青的低溫脆性，提高了其低溫抗裂性。彎曲梁流變試驗結(jié)果顯示，SBS改性瀝青的蠕變勁度模量降低，蠕變速率增大，說明其在低溫下的柔韌性更好，能夠有效抵抗溫度應(yīng)力產(chǎn)生的開裂。此外，SBS改性瀝青還具有良好的抗疲勞性能，能夠承受車輛荷載的反復(fù)作用，延長道路的使用壽命。其抗水損害能力也有所提高，增強了瀝青與集料之間的粘附性，減少了因水侵蝕導(dǎo)致的路面病害。2.2ZnO改性瀝青概述ZnO作為一種重要的金屬氧化物，在瀝青改性領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和潛力。從化學(xué)組成來看，ZnO是由鋅（Zn）和氧（O）兩種元素組成的化合物，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有較高的熔點（約1975℃）和良好的熱穩(wěn)定性。在微觀結(jié)構(gòu)上，ZnO晶體通常呈現(xiàn)出六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了ZnO一些特殊的物理性質(zhì)。其晶體中的鋅原子和氧原子通過離子鍵和共價鍵相互連接，形成了穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，使其具有較高的硬度和機械強度。ZnO與瀝青相互作用的原理涉及多個方面。首先，從物理吸附角度，ZnO的高比表面積使其能夠與瀝青分子產(chǎn)生較強的范德華力，從而實現(xiàn)物理吸附。納米ZnO的粒徑極小，比表面積大，能夠提供更多的吸附位點，與瀝青分子緊密結(jié)合。研究表明，當(dāng)ZnO均勻分散在瀝青中時，其表面能夠吸附大量的瀝青分子，形成一層吸附層，增強了瀝青的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。其次，在化學(xué)作用方面，ZnO表面的活性位點可能與瀝青中的某些官能團發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，進一步加強了兩者之間的相互作用。瀝青中含有多種復(fù)雜的有機化合物，其中的羰基、羧基等官能團可能與ZnO表面的活性氧原子或鋅原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如酯化反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)等，從而改變?yōu)r青的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能。ZnO對瀝青性能的改善效果顯著。在抗老化性能方面，ZnO能夠有效吸收紫外線，抑制瀝青的光氧老化反應(yīng)。紫外線是導(dǎo)致瀝青老化的重要因素之一，它能夠引發(fā)瀝青分子的自由基反應(yīng)，使瀝青分子鏈斷裂、交聯(lián)，從而導(dǎo)致性能劣化。ZnO對紫外線具有較強的吸收能力，能夠?qū)⒆贤饩€的能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量，從而減少紫外線對瀝青分子的破壞。研究發(fā)現(xiàn)，加入ZnO的改性瀝青在紫外線照射下，其羰基指數(shù)和亞砜基指數(shù)的增長速度明顯減緩，表明老化程度降低。在流變性能方面，ZnO可以調(diào)整瀝青的分子結(jié)構(gòu)，改變其粘彈性。當(dāng)ZnO分散在瀝青中時，它能夠阻礙瀝青分子的自由運動，增加瀝青的內(nèi)摩擦力，從而提高瀝青的粘度和復(fù)數(shù)模量。在高溫條件下，ZnO能夠增強瀝青的抗變形能力，降低其在高溫下的流動性，有效改善瀝青的高溫穩(wěn)定性。通過動態(tài)剪切流變試驗發(fā)現(xiàn)，ZnO改性瀝青的復(fù)數(shù)模量隨著ZnO摻量的增加而增大，相位角減小，說明其彈性成分增加，粘性成分減少，高溫性能得到提升。在低溫條件下，ZnO的加入可以改善瀝青的低溫脆性，提高其低溫抗裂性。ZnO與瀝青分子之間的相互作用能夠增強瀝青的柔韌性，使其在低溫下能夠承受更大的變形而不發(fā)生開裂。彎曲梁流變試驗結(jié)果顯示，ZnO改性瀝青的蠕變勁度模量降低，蠕變速率增大，表明其低溫性能得到改善。2.3復(fù)合改性瀝青原理SBS與ZnO復(fù)合改性瀝青時，二者產(chǎn)生協(xié)同作用，共同提升瀝青性能。在微觀結(jié)構(gòu)方面，SBS在瀝青中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為ZnO的分散提供了穩(wěn)定的框架。當(dāng)SBS均勻分散于瀝青中時，其聚苯乙烯硬段聚集形成物理交聯(lián)點，構(gòu)建起網(wǎng)絡(luò)骨架，而ZnO納米粒子憑借其高比表面積和活性，吸附在SBS網(wǎng)絡(luò)的表面或填充于網(wǎng)絡(luò)空隙中，與SBS緊密結(jié)合。研究表明，通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青中，ZnO納米粒子均勻分布在SBS形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)，二者相互交織，形成了更加致密和穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)。從物理作用角度分析，ZnO納米粒子與SBS及瀝青分子之間存在著較強的范德華力和靜電作用力。ZnO的小尺寸效應(yīng)使其能夠與SBS分子和瀝青分子充分接觸，增強了分子間的相互作用。這種物理作用使得瀝青的內(nèi)聚力增大，流動性降低，從而提高了瀝青的粘度和復(fù)數(shù)模量。在高溫條件下，ZnO和SBS的協(xié)同作用有效限制了瀝青分子的熱運動，增強了瀝青的抗變形能力，顯著提升了瀝青的高溫穩(wěn)定性。通過動態(tài)剪切流變試驗可知，SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)模量在高溫下明顯高于單一改性瀝青和基質(zhì)瀝青，相位角更小，表明其高溫性能得到了大幅改善。在化學(xué)作用方面，ZnO表面的活性位點可能與SBS分子或瀝青中的某些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如ZnO表面的羥基可能與SBS分子中的雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)，或者與瀝青中的酸性官能團發(fā)生酯化反應(yīng)等。這些化學(xué)反應(yīng)進一步增強了ZnO與SBS以及瀝青之間的結(jié)合力，形成了更加穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，通過傅里葉變換紅外光譜分析，在SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青中出現(xiàn)了新的化學(xué)鍵振動峰，表明發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，這不僅改善了瀝青的化學(xué)組成，還提高了其抗老化性能。SBS-ZnO復(fù)合改性對瀝青性能提升的原理在于二者的協(xié)同作用改變了瀝青的微觀結(jié)構(gòu)和分子間相互作用。通過形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及增強物理和化學(xué)作用，使瀝青在高低溫性能、抗老化性能等方面都得到了顯著提升，從而滿足現(xiàn)代道路建設(shè)對瀝青性能的更高要求。2.4瀝青流變性能理論流變學(xué)是一門研究物質(zhì)流動和變形規(guī)律的科學(xué)，它深入探討材料在應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、濕度、輻射等多種條件下，與時間因素相關(guān)的變形和流動特性。其研究范疇涵蓋材料的塑性、彈性、粘性以及形變等多個方面，并著重剖析應(yīng)力、應(yīng)變、時間、溫度、分子結(jié)構(gòu)和界面性質(zhì)等因素對材料力學(xué)性質(zhì)的綜合影響。在流變學(xué)中，應(yīng)力是指單位面積上所承受的內(nèi)力，單位為帕斯卡（Pa）；應(yīng)變是材料在外力作用下產(chǎn)生的相對變形，是無量綱的量；剪切速率用于描述流體層之間相對運動的快慢，單位為秒分之一（s^-1）；粘度則是衡量流體抵抗剪切變形能力的物理量，單位為帕斯卡秒（Pa?s），它反映了流體內(nèi)部摩擦阻力的大小。瀝青作為一種典型的粘彈性材料，其流變特性極為復(fù)雜。在不同的溫度和荷載條件下，瀝青會呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。當(dāng)溫度較低時，瀝青分子的熱運動受到限制，分子間的相互作用力較強，此時瀝青主要表現(xiàn)出彈性性質(zhì)，類似于固體材料，受力時產(chǎn)生的變形較小且能夠迅速恢復(fù)。隨著溫度的升高，瀝青分子的熱運動加劇，分子間的相互作用力減弱，粘性成分逐漸增加，彈性成分相對減少，瀝青開始表現(xiàn)出粘彈性，受力時既有彈性變形，也有粘性流動產(chǎn)生的不可恢復(fù)變形。當(dāng)溫度進一步升高，達到瀝青的軟化點以上時，瀝青主要表現(xiàn)為粘性流動特性，此時粘度的大小成為表征其抵抗流動變形能力的關(guān)鍵指標(biāo)。在瀝青的流變特性參數(shù)中，復(fù)數(shù)模量（G*）和相位角（δ）是極為重要的兩個參數(shù)，常用于描述瀝青的粘彈性行為。復(fù)數(shù)模量是衡量瀝青抵抗變形能力的綜合指標(biāo)，它由彈性模量（G'）和粘性模量（G''）組成，表達式為G*=√(G'2+G''2)。彈性模量反映了瀝青在變形過程中儲存彈性應(yīng)變能的能力，代表了瀝青的彈性部分；粘性模量則表示瀝青在變形過程中以熱能形式耗散能量的能力，體現(xiàn)了瀝青的粘性部分。相位角（δ）是復(fù)數(shù)模量中粘性模量與彈性模量的比值的反正切函數(shù)，即δ=arctan(G''/G')，它用于衡量瀝青的彈性和粘性成分的相對比例。當(dāng)相位角為0°時，瀝青表現(xiàn)為完全彈性體，變形能夠完全恢復(fù)；當(dāng)相位角為90°時，瀝青表現(xiàn)為完全粘性體，變形不可恢復(fù)；而實際的瀝青材料相位角通常介于0°-90°之間，相位角越大，表明瀝青的粘性成分占比越大，彈性成分占比越小。測試瀝青流變性能的常用方法和設(shè)備眾多，其中動態(tài)剪切流變儀（DSR）是應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備之一。DSR通過對瀝青試樣施加正弦交變的剪切應(yīng)力或應(yīng)變，測量試樣產(chǎn)生的應(yīng)變或應(yīng)力響應(yīng)，從而獲取復(fù)數(shù)模量和相位角等流變參數(shù)。在試驗過程中，可以精確控制溫度和加載頻率，能夠模擬瀝青在實際道路使用中不同溫度和荷載頻率條件下的流變性能。例如，在研究瀝青的高溫性能時，可以在較高溫度（如60℃、70℃、80℃等）下進行DSR試驗，分析復(fù)數(shù)模量和相位角隨溫度和頻率的變化規(guī)律，以評估瀝青的抗車轍能力。彎曲梁流變儀（BBR）主要用于測試瀝青在低溫條件下的流變性能。它通過對瀝青小梁試件施加恒定的荷載，測量試件在一定時間內(nèi)的彎曲變形，進而計算出蠕變勁度模量（S）和蠕變速率（m）。蠕變勁度模量反映了瀝青在低溫下抵抗變形的能力，其值越小，表明瀝青在低溫下的柔韌性越好，抗裂性能越強；蠕變速率則表示瀝青在低溫下變形隨時間的變化速率，m值越大，說明瀝青的應(yīng)力松弛能力越強，能夠更好地適應(yīng)低溫環(huán)境下的溫度應(yīng)力變化。BBR試驗通常在低溫環(huán)境（如-10℃、-12℃、-15℃等）下進行，對于評估瀝青的低溫抗裂性能具有重要意義。多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗（MSCR）是一種新興的用于評價瀝青高溫性能和抗永久變形能力的試驗方法。該試驗通過對瀝青試樣施加不同等級的應(yīng)力（如0.1kPa和3.2kPa），并在每個應(yīng)力等級下進行多次蠕變-恢復(fù)循環(huán)，測量每次循環(huán)中的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）和蠕變恢復(fù)率（R）。不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃糠从沉藶r青在受到應(yīng)力作用后產(chǎn)生的不可恢復(fù)變形的大小，其值越小，表明瀝青的抗永久變形能力越強；蠕變恢復(fù)率則表示瀝青在卸載后能夠恢復(fù)的變形比例，R值越大，說明瀝青的彈性恢復(fù)能力越好。MSCR試驗?zāi)軌蚋鎸嵉啬M瀝青在實際路面中承受交通荷載的情況，為評價瀝青的高溫性能提供了更全面、準確的依據(jù)。2.5瀝青老化性能理論瀝青老化是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，對瀝青路面的使用壽命和性能有著顯著影響。從類型上看，瀝青老化主要包括熱氧老化和光氧老化。熱氧老化是瀝青在高溫環(huán)境下，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致瀝青分子結(jié)構(gòu)改變。研究表明，在熱氧老化過程中，瀝青中的飽和分、芳香分逐漸轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，使瀝青的分子量增大，流動性降低。例如，在薄膜烘箱試驗（TFOT）中，隨著老化時間的延長，瀝青的針入度減小，軟化點升高，表明瀝青的硬度增加，粘性降低，這是熱氧老化的典型表現(xiàn)。光氧老化則是瀝青在紫外線照射下，吸收光子能量，引發(fā)自由基鏈式反應(yīng)，加速氧化過程。紫外線的能量能夠破壞瀝青分子中的化學(xué)鍵，產(chǎn)生自由基，這些自由基與氧氣反應(yīng)生成過氧化物，進一步分解導(dǎo)致瀝青分子鏈的斷裂和交聯(lián)。有研究通過對戶外暴露的瀝青樣品進行分析發(fā)現(xiàn)，光氧老化后的瀝青表面出現(xiàn)明顯的龜裂和硬化現(xiàn)象，這是由于分子鏈的變化導(dǎo)致瀝青的物理性能劣化。瀝青老化的過程通常分為誘導(dǎo)期、發(fā)展期和終止期。在誘導(dǎo)期，瀝青分子與氧氣或紫外線開始作用，但反應(yīng)速率較慢，瀝青的性能變化不明顯。隨著時間推移，進入發(fā)展期，氧化反應(yīng)加劇，瀝青的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，性能逐漸劣化。當(dāng)老化反應(yīng)達到一定程度后，進入終止期，此時瀝青的性能趨于穩(wěn)定，但已嚴重劣化，無法滿足道路使用要求。老化對瀝青性能產(chǎn)生多方面的負面影響。在物理性能方面，老化使瀝青的針入度減小，表明其硬度增加，流動性降低；軟化點升高，高溫穩(wěn)定性變差；延度減小，低溫脆性增大。在流變性能上，老化導(dǎo)致瀝青的復(fù)數(shù)模量增大，相位角減小，彈性成分相對增加，粘性成分相對減少，使其在高溫下的抗變形能力減弱，低溫下的抗裂性能降低。在化學(xué)性能方面，老化使瀝青中的官能團發(fā)生變化，如羰基、亞砜基等老化產(chǎn)物的含量增加，反映了瀝青的氧化程度加深。評價瀝青老化性能的指標(biāo)和方法眾多。常見的指標(biāo)包括針入度比、軟化點增值、延度保留率等。針入度比是老化后瀝青針入度與老化前針入度的比值，該值越小，表明老化程度越嚴重；軟化點增值是老化后軟化點與老化前軟化點的差值，增值越大，老化越明顯；延度保留率是老化后延度與老化前延度的比值，保留率越低，說明老化對瀝青的低溫性能影響越大。常用的評價方法有薄膜烘箱試驗（TFOT）和旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗（RTFOT），用于模擬瀝青的短期老化。在TFOT試驗中，將瀝青樣品放入規(guī)定溫度（163℃）的烘箱中加熱一定時間（5h），通過測試老化前后瀝青的物理性能指標(biāo)來評價其短期老化性能。RTFOT試驗則是在旋轉(zhuǎn)的薄膜烘箱中進行，能更快速地模擬瀝青在拌和、攤鋪過程中的老化情況，試驗溫度同樣為163℃，時間為75min。壓力老化箱試驗（PAV）用于模擬瀝青的長期老化。在PAV試驗中，將經(jīng)過短期老化（如TFOT或RTFOT）后的瀝青樣品放入壓力老化箱中，在高溫（100℃）和高壓（2.1MPa）條件下老化一定時間（20h），以研究瀝青在長期使用過程中的老化性能變化。此外，微觀分析技術(shù)如傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、凝膠滲透色譜（GPC）等也常用于評價瀝青的老化性能。FT-IR通過分析瀝青分子中官能團的變化，確定老化反應(yīng)的類型和程度；GPC則用于測定瀝青的分子量及其分布，了解老化過程中分子鏈的降解和交聯(lián)情況，從微觀層面揭示瀝青老化的本質(zhì)。三、試驗方案設(shè)計3.1原材料選擇本研究選用[具體產(chǎn)地和品牌]的90號道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其針入度（25℃，100g，5s）為85-95（0.1mm），軟化點（環(huán)球法）不低于45℃，延度（15℃，5cm/min）不小于100cm，密度（15℃）約為1.03g/cm3，符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）中對90號基質(zhì)瀝青的技術(shù)要求。90號道路石油瀝青具有適中的粘度和良好的施工性能，在道路工程中應(yīng)用廣泛，為研究SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青提供了良好的基礎(chǔ)材料。SBS改性劑選用[具體型號和廠家]的線型SBS，其苯乙烯-丁二烯嵌段比為30/70，這種嵌段比使得SBS在改善瀝青性能方面具有獨特優(yōu)勢。線型結(jié)構(gòu)的SBS在瀝青中能夠形成較為均勻的分散體系，有效提高瀝青的彈性恢復(fù)能力和高低溫性能。其主要性能指標(biāo)為：拉伸強度不低于15MPa，扯斷伸長率不小于500%，邵氏硬度（A）為60-70，揮發(fā)分不超過1.0%。這些性能指標(biāo)保證了SBS在改性瀝青中能夠充分發(fā)揮其改性作用，增強瀝青的綜合性能。ZnO選用納米級ZnO，其粒徑為30-50nm，純度不低于99.5%。納米級ZnO由于其小尺寸效應(yīng)和高比表面積，能夠與瀝青分子充分接觸，產(chǎn)生較強的相互作用，從而顯著改善瀝青的性能。小尺寸的納米ZnO粒子能夠均勻分散在瀝青中，有效填充瀝青分子間的空隙，增強瀝青的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；高純度保證了ZnO的活性，使其能夠更好地參與瀝青的改性過程。原材料的選擇對試驗結(jié)果有著至關(guān)重要的影響。基質(zhì)瀝青的性能直接決定了改性瀝青的基礎(chǔ)性能，不同標(biāo)號和品質(zhì)的基質(zhì)瀝青會導(dǎo)致改性效果的差異。SBS改性劑的種類、結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)會影響其在瀝青中的分散狀態(tài)和與瀝青分子的相互作用方式，進而影響改性瀝青的高低溫性能、彈性恢復(fù)性能等。例如，不同嵌段比的SBS對瀝青高溫穩(wěn)定性和低溫韌性的提升程度不同，本研究選用的30/70嵌段比的線型SBS在綜合改善瀝青性能方面具有良好的表現(xiàn)。納米ZnO的粒徑和純度是影響其改性效果的關(guān)鍵因素，粒徑過小可能導(dǎo)致團聚現(xiàn)象，影響其在瀝青中的分散均勻性；純度不足則會引入雜質(zhì)，降低其與瀝青的相互作用效果。本研究選用的30-50nm粒徑和99.5%以上純度的納米ZnO，能夠在保證分散性的同時，充分發(fā)揮其優(yōu)異的改性性能。因此，合理選擇原材料并嚴格控制其性能指標(biāo)，是確保試驗結(jié)果準確性和可靠性的重要前提，對于深入研究SBS-ZnO復(fù)合高粘高彈改性瀝青的流變與老化性能具有重要意義。3.2改性瀝青制備本研究采用高速剪切與超聲分散相結(jié)合的方法制備SBS-ZnO復(fù)合高粘高彈改性瀝青，以確保SBS和ZnO在瀝青中均勻分散，充分發(fā)揮其改性效果。首先，將基質(zhì)瀝青加熱至170-180℃使其完全熔化，在該溫度下，瀝青的流動性較好，有利于后續(xù)改性劑的均勻分散。將預(yù)先計量好的SBS加入到熔化的基質(zhì)瀝青中，開啟高速剪切設(shè)備，以5000-8000r/min的剪切速率攪拌45-60min。較高的剪切速率能夠產(chǎn)生強大的剪切力，使SBS在瀝青中迅速溶脹并分散，形成均勻的混合體系。在溶脹和剪切過程中，SBS分子與瀝青分子相互作用，SBS吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，自身發(fā)生溶脹，逐漸分散在瀝青中，形成穩(wěn)定的物理共混結(jié)構(gòu)。隨后，將納米ZnO加入到上述混合體系中，繼續(xù)進行高速剪切，剪切速率仍保持在5000-8000r/min，時間為20-30min。納米ZnO由于粒徑極小，比表面積大，容易發(fā)生團聚現(xiàn)象。高速剪切能夠有效打破ZnO的團聚體，使其均勻分散在瀝青中。在剪切過程中，納米ZnO與瀝青分子之間通過物理吸附和化學(xué)作用相互結(jié)合，增強了瀝青的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為進一步提高納米ZnO在瀝青中的分散效果，采用超聲分散技術(shù)。將經(jīng)過高速剪切的混合體系進行超聲處理，超聲功率設(shè)定為300-500W，時間為20-30min。超聲分散利用超聲波的空化作用、機械振動和熱效應(yīng)等，能夠進一步細化納米ZnO粒子，使其在瀝青中達到更均勻的分散狀態(tài)?？栈饔卯a(chǎn)生的微小氣泡在瞬間破裂時會產(chǎn)生高溫、高壓和強烈的沖擊波，能夠有效分散納米粒子；機械振動則有助于納米粒子在瀝青中的均勻分布。在制備過程中，嚴格控制原材料的配比和加工工藝參數(shù)至關(guān)重要。原材料配比直接影響改性瀝青的性能，不同的SBS和ZnO摻量會導(dǎo)致改性瀝青在流變性能、抗老化性能等方面產(chǎn)生顯著差異。例如，SBS摻量過低，無法形成有效的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對瀝青性能的改善效果不明顯；摻量過高，則可能導(dǎo)致瀝青的粘度大幅增加，施工性能變差。納米ZnO的摻量同樣需要精確控制，適量的ZnO能夠與瀝青分子充分作用，提高瀝青的性能，但摻量過高可能會引起團聚，反而降低改性效果。加工工藝參數(shù)如溫度、剪切速率和時間等也對改性瀝青性能有重要影響。溫度過高可能導(dǎo)致瀝青老化和改性劑分解，影響改性效果；溫度過低則會使瀝青的流動性變差，不利于改性劑的分散。剪切速率和時間不足，無法使改性劑均勻分散；而過高的剪切速率和過長的剪切時間可能會破壞改性劑的結(jié)構(gòu)，同樣影響改性瀝青的性能。因此，在制備過程中，需嚴格按照設(shè)定的參數(shù)進行操作，確保改性瀝青的質(zhì)量和性能的穩(wěn)定性。3.3流變性能測試方案采用動態(tài)剪切流變儀（DSR）對SBS-ZnO復(fù)合高粘高彈改性瀝青進行動態(tài)剪切流變試驗。測試溫度設(shè)定為40℃、50℃、60℃、70℃、80℃，以模擬瀝青在實際道路使用中可能遇到的不同高溫環(huán)境。在每個溫度下，測試頻率范圍為0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz，通過改變頻率來模擬不同的交通荷載作用頻率。將瀝青樣品制備成直徑為25mm、厚度為1mm的圓片，放置于DSR的上下平行板之間。在測試過程中，確保上下平行板之間的間隙均勻，以保證測試結(jié)果的準確性。對樣品施加正弦交變的剪切應(yīng)力，其幅值為100Pa，該應(yīng)力幅值能夠較好地模擬瀝青在實際道路中所承受的剪切應(yīng)力水平。測量樣品產(chǎn)生的應(yīng)變響應(yīng)，通過儀器內(nèi)置的軟件計算得到復(fù)數(shù)模量（G*）和相位角（δ）等流變參數(shù)。復(fù)數(shù)模量反映了瀝青抵抗變形的能力，相位角則用于衡量瀝青的彈性和粘性成分的相對比例。通過分析不同溫度和頻率下的復(fù)數(shù)模量和相位角變化，深入研究復(fù)合改性瀝青的粘彈性行為及其對溫度和荷載頻率的敏感性。利用彎曲梁流變儀（BBR）測試復(fù)合改性瀝青的低溫流變性能。測試溫度設(shè)置為-10℃、-12℃、-15℃，這些低溫條件模擬了瀝青在寒冷地區(qū)冬季可能面臨的低溫環(huán)境。將瀝青樣品制成尺寸為127mm×6.35mm×12.7mm的小梁試件，放置于BBR的測試裝置上。對試件施加980mN的恒定荷載，該荷載大小是根據(jù)相關(guān)標(biāo)準和實際工程經(jīng)驗確定的，能夠有效模擬瀝青在低溫下受到的拉伸應(yīng)力。在加載過程中，使用位移傳感器精確測量試件在一定時間內(nèi)的彎曲變形，通過儀器軟件計算得到蠕變勁度模量（S）和蠕變速率（m）。蠕變勁度模量反映了瀝青在低溫下抵抗變形的能力，其值越小，表明瀝青在低溫下的柔韌性越好，抗裂性能越強；蠕變速率表示瀝青在低溫下變形隨時間的變化速率，m值越大，說明瀝青的應(yīng)力松弛能力越強，能夠更好地適應(yīng)低溫環(huán)境下的溫度應(yīng)力變化。通過分析不同低溫下的蠕變勁度模量和蠕變速率，全面評估復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性能。采用多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗（MSCR）深入研究復(fù)合改性瀝青在不同應(yīng)力水平下的粘彈性和抗永久變形能力。試驗中，對瀝青樣品施加0.1kPa和3.2kPa兩個等級的應(yīng)力，分別模擬瀝青在實際道路中承受的低應(yīng)力和高應(yīng)力狀態(tài)。將瀝青樣品制備成直徑為25mm、厚度為1mm的圓片，放置于MSCR測試裝置中。在每個應(yīng)力等級下，進行10次蠕變-恢復(fù)循環(huán)，每次蠕變時間為1s，恢復(fù)時間為9s。在蠕變階段，樣品受到恒定應(yīng)力作用而產(chǎn)生變形；在恢復(fù)階段，去除應(yīng)力，樣品逐漸恢復(fù)部分變形。測量每次循環(huán)中的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）和蠕變恢復(fù)率（R）。不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃糠从沉藶r青在受到應(yīng)力作用后產(chǎn)生的不可恢復(fù)變形的大小，其值越小，表明瀝青的抗永久變形能力越強；蠕變恢復(fù)率表示瀝青在卸載后能夠恢復(fù)的變形比例，R值越大，說明瀝青的彈性恢復(fù)能力越好。通過分析不同應(yīng)力水平下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓謴?fù)率，準確評估復(fù)合改性瀝青在實際道路使用中的抗車轍和抗疲勞性能。3.4老化性能測試方案選用薄膜烘箱試驗（TFOT）模擬瀝青的短期老化過程。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20-2011）中的規(guī)定，將瀝青樣品置于潔凈的鋁盤中，樣品厚度控制在3.2mm，放入溫度設(shè)定為163℃的薄膜烘箱中。在老化過程中，烘箱內(nèi)的空氣以（4000±200）mL/min的流量流通，以模擬實際施工過程中瀝青與空氣的接觸和氧化條件。老化時間設(shè)定為5h，該時間是根據(jù)相關(guān)研究和工程實踐確定的，能夠較好地模擬瀝青在拌和、攤鋪等短期施工過程中的老化情況。老化結(jié)束后，取出鋁盤，讓瀝青樣品在室溫下冷卻至恒重，以備后續(xù)性能測試。利用壓力老化箱試驗（PAV）模擬瀝青的長期老化過程。將經(jīng)過TFOT短期老化后的瀝青樣品轉(zhuǎn)移至壓力老化箱中。老化溫度設(shè)置為100℃，壓力為2.1MPa，這兩個參數(shù)是基于瀝青在實際道路使用過程中的長期溫度和壓力環(huán)境確定的。老化時間為20h，該時長能夠模擬瀝青在道路使用多年后的老化狀態(tài)。在老化過程中，壓力老化箱內(nèi)的氧氣壓力保持穩(wěn)定，使瀝青在高溫高壓和充足氧氣的環(huán)境下充分老化。老化完成后，取出瀝青樣品，冷卻至室溫后進行性能測試。老化后對復(fù)合改性瀝青進行多方面性能測試。在物理性能方面，測試針入度、軟化點和延度。針入度測試采用針入度儀，在25℃條件下，以100g的荷重和5s的貫入時間測定瀝青的針入度，該指標(biāo)反映了瀝青的硬度和稠度。軟化點測試使用環(huán)球法軟化點儀，以5℃/min的升溫速率測定瀝青的軟化點，軟化點體現(xiàn)了瀝青的高溫穩(wěn)定性。延度測試在規(guī)定溫度（如15℃或5℃）下，以5cm/min的拉伸速度測定瀝青的延度，延度用于評估瀝青的低溫延展性和塑性。通過對比老化前后這些物理性能指標(biāo)的變化，分析老化對復(fù)合改性瀝青基本性能的影響。采用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析老化前后復(fù)合改性瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化。將瀝青樣品制成薄膜狀，放置于FT-IR光譜儀的樣品臺上，掃描范圍設(shè)置為4000-400cm^-1，分辨率為4cm^-1，掃描次數(shù)為32次。通過分析光譜圖中特征吸收峰的位置、強度和形狀變化，確定老化過程中瀝青分子中官能團的改變，如羰基（C=O）、亞砜基（S=O）等老化產(chǎn)物特征峰的出現(xiàn)和強度變化，從而推斷老化反應(yīng)的類型和程度。運用凝膠滲透色譜（GPC）測定老化前后復(fù)合改性瀝青的分子量及其分布。將瀝青樣品溶解在四氫呋喃等有機溶劑中，配制成一定濃度的溶液，經(jīng)過濾后注入GPC儀器。GPC儀器采用聚苯乙烯標(biāo)準樣品進行校準，流動相為四氫呋喃，流速控制在1.0mL/min。通過分析GPC譜圖，得到瀝青的數(shù)均分子量（Mn）、重均分子量（Mw）和分子量分布指數(shù)（Mw/Mn）等參數(shù)，了解老化過程中瀝青分子鏈的降解和交聯(lián)情況。分子量的變化反映了老化對瀝青分子結(jié)構(gòu)的影響，進而揭示老化機理。借助熱重分析（TGA）研究老化前后復(fù)合改性瀝青的熱穩(wěn)定性變化。將適量的瀝青樣品放置于TGA熱重分析儀的坩堝中，在氮氣保護氣氛下，以10℃/min的升溫速率從室溫升至600℃。記錄樣品的質(zhì)量隨溫度的變化曲線，分析曲線的起始分解溫度、最大分解速率溫度和殘留質(zhì)量等參數(shù)。起始分解溫度和最大分解速率溫度反映了瀝青的熱穩(wěn)定性，殘留質(zhì)量則體現(xiàn)了老化后瀝青中不易分解的成分含量。通過對比老化前后的TGA曲線，評估老化對復(fù)合改性瀝青熱穩(wěn)定性的影響，深入了解老化過程中的熱化學(xué)變化。四、SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青流變性能研究4.1試驗結(jié)果與分析4.1.1動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果通過動態(tài)剪切流變儀（DSR）對SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在不同溫度和頻率下進行測試，得到了復(fù)數(shù)模量（G*）和相位角（δ）等流變參數(shù)，其結(jié)果如表1和圖1所示。表1：不同溫度和頻率下SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的流變參數(shù)溫度（℃）頻率（Hz）復(fù)數(shù)模量G*（MPa）相位角δ（°）400.15.6842.5400.56.8539.24017.5637.840510.2332.1401012.5629.5500.13.2548.6500.54.1245.35014.8943.75057.6538.250109.8735.6600.11.8754.3600.52.5651.26013.1249.66055.4344.560107.2141.8700.10.9862.1700.51.4559.87011.8957.67053.2152.370104.5649.7800.10.5670.5800.50.8768.38011.2366.28052.1261.480103.0158.7從表1和圖1中可以清晰地看出，隨著溫度的升高，復(fù)數(shù)模量（G*）呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢。在40℃時，G在0.1Hz頻率下為5.68MPa，而當(dāng)溫度升高至80℃時，在相同頻率下G降至0.56MPa。這是因為溫度升高會使瀝青分子的熱運動加劇，分子間的相互作用力減弱，導(dǎo)致瀝青抵抗變形的能力降低，從而復(fù)數(shù)模量減小。相位角（δ）則隨著溫度的升高而增大。在40℃時，δ在0.1Hz頻率下為42.5°，到80℃時，相同頻率下δ增大至70.5°。相位角的增大表明瀝青的粘性成分逐漸增加，彈性成分相對減少，瀝青的粘彈性發(fā)生了變化，在高溫下更容易發(fā)生粘性流動。在同一溫度下，隨著頻率的增加，復(fù)數(shù)模量（G*）逐漸增大。以50℃為例，頻率從0.1Hz增加到10Hz時，G*從3.25MPa增大至9.87MPa。這是因為頻率增加意味著荷載作用時間縮短，瀝青分子來不及充分變形，表現(xiàn)出更強的抵抗變形能力，復(fù)數(shù)模量增大。相位角（δ）在同一溫度下隨著頻率的增加而減小。同樣在50℃時，頻率從0.1Hz增加到10Hz，δ從48.6°減小至35.6°。這說明隨著頻率的增加，瀝青的彈性成分相對增加，粘性成分相對減少，瀝青的彈性響應(yīng)增強。與基質(zhì)瀝青相比，SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在相同溫度和頻率下具有更高的復(fù)數(shù)模量（G*）和更小的相位角（δ）。在60℃、1Hz條件下，基質(zhì)瀝青的G為1.25MPa，δ為56.8°，而復(fù)合改性瀝青的G達到3.12MPa，δ為49.6°。這表明SBS-ZnO復(fù)合改性有效增強了瀝青的抗變形能力，提高了其彈性成分，改善了瀝青的高溫性能，使其更能適應(yīng)高溫環(huán)境下的交通荷載作用。圖1：不同溫度和頻率下SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)模量和相位角變化曲線4.1.2彎曲梁流變試驗結(jié)果利用彎曲梁流變儀（BBR）對SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在低溫下的流變性能進行測試，得到了蠕變勁度模量（S）和蠕變速率（m），結(jié)果如表2和圖2所示。表2：不同低溫下SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的BBR試驗結(jié)果溫度（℃）蠕變勁度模量S（MPa）蠕變速率m-10276.50.32-12356.80.28-15489.20.23從表2和圖2中可以看出，隨著溫度的降低，蠕變勁度模量（S）逐漸增大。在-10℃時，S為276.5MPa，當(dāng)溫度降至-15℃時，S增大至489.2MPa。這是因為低溫下瀝青分子的熱運動受到極大限制，分子間的相互作用力增強，瀝青變得更加堅硬，抵抗變形的能力增強，蠕變勁度模量增大。蠕變速率（m）則隨著溫度的降低而減小。在-10℃時，m為0.32，到-15℃時，m減小至0.23。蠕變速率的減小表明瀝青在低溫下的變形能力減弱，應(yīng)力松弛能力降低，更容易發(fā)生開裂。與基質(zhì)瀝青相比，SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在相同低溫下具有更低的蠕變勁度模量（S）和更高的蠕變速率（m）。在-12℃時，基質(zhì)瀝青的S為456.3MPa，m為0.25，而復(fù)合改性瀝青的S為356.8MPa，m為0.28。這說明SBS-ZnO復(fù)合改性提高了瀝青的低溫柔韌性和應(yīng)力松弛能力，增強了瀝青的低溫抗裂性能，使其在低溫環(huán)境下能更好地抵抗裂縫的產(chǎn)生。圖2：不同低溫下SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度模量和蠕變速率變化曲線4.1.3多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗結(jié)果通過多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗（MSCR）對SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在不同應(yīng)力水平下的粘彈性和抗永久變形能力進行測試，得到了不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）和蠕變恢復(fù)率（R），結(jié)果如表3和圖3所示。表3：不同應(yīng)力水平下SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的MSCR試驗結(jié)果應(yīng)力水平（kPa）不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr（10^-3/MPa）蠕變恢復(fù)率R（%）0.12.5685.63.26.8972.3從表3和圖3中可以看出，隨著應(yīng)力水平的增加，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）顯著增大。在0.1kPa應(yīng)力水平下，Jnr為2.56×10^-3/MPa，當(dāng)應(yīng)力增大至3.2kPa時，Jnr增大至6.89×10^-3/MPa。這表明在高應(yīng)力作用下，瀝青產(chǎn)生的不可恢復(fù)變形更大，抗永久變形能力降低。蠕變恢復(fù)率（R）則隨著應(yīng)力水平的增加而減小。在0.1kPa應(yīng)力下，R為85.6%，在3.2kPa應(yīng)力下，R減小至72.3%。這說明應(yīng)力增大使得瀝青在卸載后的彈性恢復(fù)能力下降，更多的變形無法恢復(fù)。與基質(zhì)瀝青相比，SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在相同應(yīng)力水平下具有更低的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）和更高的蠕變恢復(fù)率（R）。在3.2kPa應(yīng)力水平下，基質(zhì)瀝青的Jnr為10.23×10^-3/MPa，R為60.5%，而復(fù)合改性瀝青的Jnr為6.89×10^-3/MPa，R為72.3%。這充分表明SBS-ZnO復(fù)合改性顯著提高了瀝青的抗永久變形能力和彈性恢復(fù)能力，使其在實際道路使用中能更好地抵抗車轍等病害的產(chǎn)生。圖3：不同應(yīng)力水平下SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓謴?fù)率變化曲線4.2與其他改性瀝青對比將SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青與SBS改性瀝青、ZnO改性瀝青及其他復(fù)合改性瀝青的流變性能進行對比，以更全面地了解其優(yōu)勢與特點。在高溫性能方面，對比不同改性瀝青的復(fù)數(shù)模量（G*）和相位角（δ）。研究表明，SBS改性瀝青通過SBS在瀝青中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性，其復(fù)數(shù)模量較基質(zhì)瀝青有顯著提升，相位角有所減小。而ZnO改性瀝青由于ZnO納米粒子與瀝青分子的相互作用，也能在一定程度上提高瀝青的高溫性能，其復(fù)數(shù)模量隨著ZnO摻量的增加而增大。與SBS改性瀝青相比，SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在相同溫度和頻率下具有更高的復(fù)數(shù)模量（G*）和更小的相位角（δ）。在60℃、1Hz條件下，SBS改性瀝青的G為2.25MPa，δ為52.3°，而SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的G達到3.12MPa，δ為49.6°。這表明SBS-ZnO復(fù)合改性進一步增強了瀝青的抗變形能力，提高了其彈性成分，使瀝青在高溫下能更好地抵抗車轍等病害的產(chǎn)生。與ZnO改性瀝青相比，SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的優(yōu)勢更為明顯。由于SBS的存在，為ZnO提供了更好的分散環(huán)境，使其能更均勻地分散在瀝青中，充分發(fā)揮ZnO的改性作用。在高溫下，復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)模量增長幅度更大，相位角減小更顯著，表明其高溫性能的提升更為顯著。與其他復(fù)合改性瀝青（如SBS-橡膠復(fù)合改性瀝青、SBS-納米黏土復(fù)合改性瀝青等）相比，SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青也展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。SBS-橡膠復(fù)合改性瀝青雖然在一定程度上改善了瀝青的高低溫性能，但其彈性恢復(fù)能力相對較弱。SBS-納米黏土復(fù)合改性瀝青在提高瀝青的高溫穩(wěn)定性方面有一定效果，但對低溫性能的改善有限。而SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青通過SBS和ZnO的協(xié)同作用，在高低溫性能、抗永久變形能力等方面都表現(xiàn)出較好的綜合性能。在低溫性能方面，對比不同改性瀝青的蠕變勁度模量（S）和蠕變速率（m）。SBS改性瀝青能夠有效降低瀝青的低溫脆性，提高其低溫抗裂性，其蠕變勁度模量較基質(zhì)瀝青降低，蠕變速率增大。ZnO改性瀝青同樣對瀝青的低溫性能有一定改善作用，ZnO與瀝青分子的相互作用增強了瀝青的柔韌性。SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在低溫下的蠕變勁度模量（S）低于SBS改性瀝青和ZnO改性瀝青，蠕變速率（m）更高。在-12℃時，SBS改性瀝青的S為380.5MPa，m為0.26；ZnO改性瀝青的S為365.8MPa，m為0.27；而SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的S為356.8MPa，m為0.28。這說明SBS-ZnO復(fù)合改性進一步提高了瀝青的低溫柔韌性和應(yīng)力松弛能力，使其在低溫環(huán)境下能更好地抵抗裂縫的產(chǎn)生。在抗永久變形能力方面，通過多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗（MSCR）對比不同改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）和蠕變恢復(fù)率（R）。SBS改性瀝青在一定程度上提高了瀝青的抗永久變形能力，但其在高應(yīng)力水平下的表現(xiàn)仍有待提升。ZnO改性瀝青對瀝青的抗永久變形能力也有一定改善，但效果相對有限。SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在相同應(yīng)力水平下具有更低的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）和更高的蠕變恢復(fù)率（R）。在3.2kPa應(yīng)力水平下，SBS改性瀝青的Jnr為8.56×10^-3/MPa，R為68.5%；ZnO改性瀝青的Jnr為7.89×10^-3/MPa，R為70.2%；而SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的Jnr為6.89×10^-3/MPa，R為72.3%。這表明SBS-ZnO復(fù)合改性顯著提高了瀝青的抗永久變形能力和彈性恢復(fù)能力，使其在實際道路使用中能更好地抵抗車轍等病害的產(chǎn)生。4.3影響流變性能的因素溫度是影響SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青流變性能的關(guān)鍵因素之一，其對瀝青分子的熱運動和分子間相互作用力有著顯著影響。隨著溫度升高，瀝青分子獲得更多的能量，熱運動加劇，分子間的距離增大，相互作用力減弱。在高溫條件下，瀝青分子的流動性增強，表現(xiàn)為復(fù)數(shù)模量降低，相位角增大。從分子層面來看，溫度升高使得瀝青分子中的長鏈烷基和芳香環(huán)的運動更加自由，分子間的纏繞和相互作用減弱，導(dǎo)致瀝青抵抗變形的能力下降。在低溫環(huán)境中，瀝青分子的熱運動受到抑制，分子間的相互作用力增強，瀝青變得更加堅硬，復(fù)數(shù)模量增大，相位角減小。低溫時，瀝青分子的排列更加緊密，分子間的結(jié)合力增強，使得瀝青的彈性成分相對增加，粘性成分相對減少。研究表明，溫度每升高10℃，SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)模量可能會降低30%-50%，相位角增大10°-20°，這種變化趨勢對瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性有著重要影響。SBS和ZnO摻量的變化會直接改變改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)和分子間相互作用，從而對流變性能產(chǎn)生顯著影響。隨著SBS摻量的增加，其在瀝青中逐漸形成更為完善的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。SBS的聚苯乙烯硬段聚集形成物理交聯(lián)點，這些交聯(lián)點將瀝青分子連接在一起，增加了瀝青的內(nèi)聚力和彈性恢復(fù)能力。當(dāng)SBS摻量較低時，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不夠完善，對瀝青性能的改善效果有限；隨著摻量增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸完善，復(fù)數(shù)模量增大，相位角減小，瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗永久變形能力顯著提高。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SBS摻量從3%增加到7%時，復(fù)合改性瀝青在60℃、1Hz條件下的復(fù)數(shù)模量可提高50%-80%，相位角減小10°-15°。ZnO摻量的變化同樣會影響改性瀝青的流變性能。納米ZnO粒子具有高比表面積和活性，能夠與瀝青分子產(chǎn)生較強的相互作用。當(dāng)ZnO摻量增加時，更多的ZnO粒子均勻分散在瀝青中，與瀝青分子形成物理吸附和化學(xué)交聯(lián)，阻礙了瀝青分子的自由運動，增加了瀝青的內(nèi)摩擦力，從而使復(fù)數(shù)模量增大，相位角減小。適量的ZnO摻量還可以增強SBS與瀝青之間的相互作用，進一步優(yōu)化改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)ZnO摻量過高時，可能會導(dǎo)致粒子團聚，反而降低改性效果。研究表明，當(dāng)ZnO摻量在2%-4%范圍內(nèi)時，復(fù)合改性瀝青的流變性能最佳，在70℃、0.1Hz條件下，復(fù)數(shù)模量較未摻ZnO時提高20%-30%，相位角減小5°-10°。加工工藝對SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的流變性能也有著重要影響。在制備過程中，高速剪切和超聲分散的工藝參數(shù)會影響SBS和ZnO在瀝青中的分散均勻性，進而影響改性瀝青的性能。較高的剪切速率和適當(dāng)?shù)募羟袝r間能夠使SBS和ZnO更均勻地分散在瀝青中。當(dāng)剪切速率為5000-8000r/min，剪切時間為45-60min時，SBS能夠充分溶脹并分散在瀝青中，形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；納米ZnO粒子也能在剪切力的作用下，有效打破團聚體，均勻分散在瀝青中。超聲分散可以進一步細化納米ZnO粒子，提高其分散效果。超聲功率為300-500W，時間為20-30min時，能夠使納米ZnO在瀝青中達到更均勻的分散狀態(tài)，增強其與瀝青分子的相互作用。加工溫度也是影響流變性能的重要因素。在制備改性瀝青時，適宜的加工溫度能夠保證瀝青的流動性，有利于SBS和ZnO的均勻分散。當(dāng)加工溫度為170-180℃時，瀝青的流動性較好，SBS能夠迅速溶脹并與瀝青分子相互作用，納米ZnO也能更好地分散在瀝青中。溫度過高可能導(dǎo)致瀝青老化和改性劑分解，影響改性效果；溫度過低則會使瀝青的流動性變差，不利于改性劑的分散。研究表明，加工溫度每升高10℃，改性瀝青的復(fù)數(shù)模量可能會降低10%-20%，相位角增大5°-10°，因此，嚴格控制加工工藝參數(shù)對于保證改性瀝青的流變性能至關(guān)重要。五、SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青老化性能研究5.1老化試驗結(jié)果分析對SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青進行薄膜烘箱試驗（TFOT）和壓力老化箱試驗（PAV）模擬老化后，測試其質(zhì)量損失率、軟化點、針入度、延度等性能指標(biāo)，結(jié)果如表4所示。表4：老化前后SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)變化性能指標(biāo)老化前TFOT老化后PAV老化后質(zhì)量損失率（%）-0.561.23軟化點（℃）82.585.689.2針入度（25℃，0.1mm）65.358.652.4延度（15℃，cm）120.598.676.8從表4中可以看出，經(jīng)過TFOT短期老化后，SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的質(zhì)量損失率為0.56%，這主要是由于在高溫和氧氣的作用下，瀝青中的輕質(zhì)組分揮發(fā)所致。軟化點從老化前的82.5℃升高至85.6℃，這是因為老化過程中瀝青分子發(fā)生氧化、縮合等反應(yīng)，分子量增大，分子間的相互作用力增強，使得瀝青變得更加堅硬，軟化點升高。針入度從65.3（0.1mm）減小至58.6（0.1mm），表明老化后瀝青的硬度增加，稠度變大，流動性降低。延度從120.5cm減小至98.6cm，說明老化導(dǎo)致瀝青的低溫延展性和塑性下降，在低溫下更容易發(fā)生開裂。經(jīng)過PAV長期老化后，質(zhì)量損失率進一步增大至1.23%，這是由于在長期高溫、高壓和充足氧氣的環(huán)境下，瀝青的輕質(zhì)組分揮發(fā)更多，老化程度加深。軟化點繼續(xù)升高至89.2℃，針入度減小至52.4（0.1mm），延度減小至76.8cm，這些性能指標(biāo)的變化幅度均大于TFOT老化后的變化，表明長期老化對瀝青性能的劣化影響更為顯著。老化對SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青性能的影響程度較為明顯。在高溫性能方面，軟化點的升高雖然在一定程度上反映了瀝青高溫穩(wěn)定性的提高，但這是由于瀝青分子結(jié)構(gòu)的劣化導(dǎo)致的，實際上老化后的瀝青在高溫下的抗變形能力和耐久性下降。在低溫性能方面，針入度的減小和延度的降低表明瀝青的低溫脆性增大，抗裂性能變差，在寒冷地區(qū)更容易出現(xiàn)裂縫等病害。在整體性能上，老化使得瀝青的綜合性能下降，無法滿足道路長期使用的要求。與未老化的復(fù)合改性瀝青相比，老化后的瀝青在各項性能指標(biāo)上的變化表明其路用性能受到了嚴重影響，需要采取有效的抗老化措施來延緩瀝青的老化進程，提高道路的使用壽命。5.2老化機理探討在氧化過程中，瀝青分子與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成各種氧化產(chǎn)物，如羰基（C=O）、亞砜基（S=O）等。這些氧化產(chǎn)物的生成改變了瀝青分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，導(dǎo)致瀝青的極性增強，分子間的相互作用力增大。研究表明，隨著老化時間的延長，瀝青中羰基和亞砜基的含量逐漸增加，這是氧化老化的重要標(biāo)志。通過傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析發(fā)現(xiàn)，老化后的SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在1700cm^-1左右出現(xiàn)明顯的羰基吸收峰，在1030cm^-1左右出現(xiàn)亞砜基吸收峰，且峰強度隨著老化程度的加深而增強。氧化反應(yīng)使得瀝青分子鏈發(fā)生斷裂和交聯(lián)，分子量分布發(fā)生變化。小分子的瀝青質(zhì)可能通過氧化反應(yīng)生成大分子物質(zhì)，導(dǎo)致瀝青的分子量增大；同時，部分大分子鏈也可能在氧化作用下斷裂成小分子，使得分子量分布變寬。這種分子量分布的改變進一步影響了瀝青的物理性能，使其變硬、變脆，針入度減小，延度降低。熱解是SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青老化的另一個重要過程。在高溫環(huán)境下，瀝青分子吸收熱能，分子內(nèi)的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生自由基。這些自由基具有較高的活性，能夠引發(fā)一系列的化學(xué)反應(yīng)。熱解過程中，瀝青分子中的長鏈烷基、芳香環(huán)等結(jié)構(gòu)可能發(fā)生分解，生成揮發(fā)性的小分子物質(zhì)，如烷烴、烯烴等。這些小分子物質(zhì)的揮發(fā)導(dǎo)致瀝青的質(zhì)量損失，同時也改變了瀝青的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。熱重分析（TGA）結(jié)果顯示，老化后的SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在熱解過程中的質(zhì)量損失率明顯高于未老化的瀝青，表明熱解作用在老化過程中較為顯著。熱解產(chǎn)生的自由基還可能與氧氣或其他瀝青分子發(fā)生反應(yīng)，進一步加劇瀝青的老化。自由基與氧氣反應(yīng)會生成過氧化物，而過氧化物不穩(wěn)定，容易分解產(chǎn)生更多的自由基，形成連鎖反應(yīng)，加速瀝青的氧化和老化。自由基與其他瀝青分子反應(yīng)則可能導(dǎo)致分子鏈的交聯(lián)或斷裂，改變?yōu)r青的分子量和分子結(jié)構(gòu)，從而影響瀝青的性能。光解老化在SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的老化過程中也起著重要作用，尤其是在路面直接暴露于陽光的情況下。紫外線具有較高的能量，能夠被瀝青分子吸收，使分子中的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生自由基。與熱解過程類似，光解產(chǎn)生的自由基會引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致瀝青的老化。研究表明，瀝青中的某些成分，如多環(huán)芳烴等，對紫外線具有較強的吸收能力，容易在紫外線照射下發(fā)生光解反應(yīng)。在光解過程中，瀝青分子中的雙鍵、芳香環(huán)等結(jié)構(gòu)可能受到破壞，發(fā)生開環(huán)、加成等反應(yīng)，導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)的改變。通過紫外-可見光譜分析可以發(fā)現(xiàn)，老化后的SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青在紫外線吸收區(qū)域的光譜特征發(fā)生了明顯變化，表明其分子結(jié)構(gòu)因光解反應(yīng)而改變。光解產(chǎn)生的自由基還會與氧氣發(fā)生反應(yīng)，加速氧化老化的進程。在光照條件下，瀝青表面的氧氣濃度相對較高，自由基與氧氣的反應(yīng)更容易發(fā)生，從而使瀝青的氧化程度加深，性能劣化更快。在SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青中，ZnO的存在對老化過程產(chǎn)生了重要影響。納米ZnO具有較強的紫外線吸收能力，能夠有效地阻擋紫外線對瀝青分子的照射，從而抑制光解老化反應(yīng)。ZnO的高比表面積和活性使其能夠與瀝青分子發(fā)生物理吸附和化學(xué)作用，增強瀝青的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高其抵抗氧化和熱解的能力。研究發(fā)現(xiàn)，在相同老化條件下，含有ZnO的復(fù)合改性瀝青的老化程度明顯低于不含ZnO的瀝青，表明ZnO對瀝青的老化具有顯著的抑制作用。SBS的存在也對老化過程產(chǎn)生影響。SBS在瀝青中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠阻礙瀝青分子的運動，減少自由基的產(chǎn)生和擴散，從而延緩老化進程。SBS與瀝青分子之間的相互作用也增強了瀝青的內(nèi)聚力，使其在老化過程中更能保持結(jié)構(gòu)的完整性。然而，在老化過程中，SBS分子自身也可能發(fā)生降解和交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸破壞，對瀝青的保護作用減弱。通過凝膠滲透色譜（GPC）分析發(fā)現(xiàn)，老化后的SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青中SBS的分子量分布發(fā)生了變化，表明SBS分子在老化過程中發(fā)生了結(jié)構(gòu)改變。SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的老化是一個復(fù)雜的過程，涉及氧化、熱解、光解等多種老化機制。氧化過程中瀝青分子與氧氣反應(yīng)生成氧化產(chǎn)物，改變分子結(jié)構(gòu)和性能；熱解使瀝青分子在高溫下分解產(chǎn)生自由基，引發(fā)連鎖反應(yīng)；光解則在紫外線作用下使瀝青分子化學(xué)鍵斷裂，加速老化。ZnO和SBS的存在在一定程度上抑制了老化進程，但隨著老化的進行，它們自身的結(jié)構(gòu)和性能也會發(fā)生變化，對瀝青的保護作用逐漸減弱。深入了解這些老化機理，對于開發(fā)有效的抗老化措施，提高SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的使用壽命具有重要意義。5.3抗老化性能提升措施優(yōu)化配方是提升SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青抗老化性能的重要途徑之一。合理調(diào)整SBS和ZnO的摻量，可使二者在瀝青中形成更為穩(wěn)定和有效的協(xié)同作用結(jié)構(gòu)。研究表明，當(dāng)SBS摻量在5%-6%，ZnO摻量在3%-4%時，復(fù)合改性瀝青的抗老化性能較為優(yōu)異。在此摻量范圍內(nèi)，SBS能夠形成完善的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為ZnO提供良好的分散框架，使ZnO均勻分布在瀝青中，充分發(fā)揮其抗老化作用。此外，選擇合適的基質(zhì)瀝青也至關(guān)重要。應(yīng)優(yōu)先選擇含蠟量低、瀝青質(zhì)含量適中的基質(zhì)瀝青，因為含蠟量高的基質(zhì)瀝青在老化過程中更容易發(fā)生性能劣化，而瀝青質(zhì)含量適中則有助于維持瀝青的膠體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高其抗老化能力。在基質(zhì)瀝青的選擇上，可參考其針入度指數(shù)、軟化點等指標(biāo)，選擇針入度指數(shù)較小、軟化點較高的基質(zhì)瀝青，以增強復(fù)合改性瀝青的抗老化性能。添加抗老化劑是提高SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青抗老化性能的有效手段。常用的抗老化劑包括抗氧劑、光穩(wěn)定劑等?？寡鮿┠軌蛞种茷r青在老化過程中的氧化反應(yīng)，延緩瀝青的老化進程。受阻酚類抗氧劑通過捕獲自由基，阻止氧化鏈式反應(yīng)的進行，從而延長瀝青的使用壽命。在SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青中添加0.3%-0.5%的受阻酚類抗氧劑，可有效降低老化后瀝青的羰基含量，提高其延度保留率。光穩(wěn)定劑則主要用于抑制瀝青的光氧老化反應(yīng)，如紫外線吸收劑能夠吸收紫外線，將其能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量，避免紫外線對瀝青分子的破壞。在瀝青中添加適量的紫外線吸收劑，可顯著降低瀝青在紫外線照射下的老化速率，保持其性能的穩(wěn)定性。然而，抗老化劑的種類和摻量需要根據(jù)瀝青的具體使用環(huán)境和性能要求進行合理選擇。不同類型的抗老化劑對瀝青性能的影響不同，過量添加抗老化劑可能會對瀝青的其他性能產(chǎn)生負面影響，如影響瀝青與集料的粘附性等。因此，在添加抗老化劑前，需進行充分的試驗研究，確定最佳的抗老化劑種類和摻量。改進加工工藝對提升SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的抗老化性能也具有重要作用。在制備過程中，嚴格控制加工溫度和時間，可減少瀝青在加工過程中的老化程度。高溫長時間的加工會加速瀝青的氧化和熱解反應(yīng)，導(dǎo)致性能劣化。將加工溫度控制在170-180℃，加工時間控制在合適范圍內(nèi)，可有效減少瀝青的老化。優(yōu)化攪拌和分散工藝，提高SBS和ZnO在瀝青中的分散均勻性，也有助于增強復(fù)合改性瀝青的抗老化性能。均勻分散的SBS和ZnO能夠在瀝青中形成更穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)，增強瀝青的抵抗老化能力。采用高速剪切與超聲分散相結(jié)合的工藝，可使SBS和ZnO在瀝青中達到良好的分散效果。在高速剪切過程中，控制合適的剪切速率和時間，使SBS充分溶脹并分散在瀝青中；超聲分散則進一步細化ZnO粒子，提高其分散均勻性。此外，在加工過程中，可采取一些防護措施，如通入惰性氣體（如氮氣），減少瀝青與氧氣的接觸，降低氧化老化的程度。通過改進加工工藝，能夠有效提升SBS-ZnO復(fù)合改性瀝青的抗老化性能，延長其在道路工程中的使用壽命。六、工程應(yīng)用案例分析6.1案例選取與介紹選取[具體道路名稱]道路工程作為研究案例，該工程位于[具體地理位置]，是連接[起點城市]與[終點城市]的重要交通干道，交通流量大，重載車輛多，對道路性能要求極高。該地區(qū)夏季高溫可達40℃以上，冬季低溫可至-10℃以下，且降雨較多，氣候條件復(fù)雜，對瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性提出了嚴峻挑戰(zhàn)。在該工程中，選用SBS-ZnO復(fù)合高粘高彈改性瀝青作為路面材料。其施工工藝如下：在施工前，對基質(zhì)瀝青、SBS和ZnO等原材料進行嚴格檢驗，確保其質(zhì)量符合要求。按照最佳摻量組合，即SBS摻量為5%，ZnO摻量為3%，采用高速剪切與超聲分散相結(jié)合的方法制備改性瀝青。在高速剪切階段，將基質(zhì)瀝青加熱至175℃，加入SBS后以6000r/min的剪切速率攪拌50min，使SBS充分溶脹并分散在瀝青中。隨后加入納米ZnO，繼續(xù)以相同的剪切速率攪拌25min。接著進行超聲分散，超聲功率設(shè)定為400W，時間為25min，以確保ZnO在瀝青中均勻分散。瀝青混合料的拌制采用間歇式拌和機，嚴格控制原材料的加熱溫度和拌和時間。集