SBS-纳米TiO2复合改性沥青及混合料在反复老化与再生中的性能演变研究

本综述系统探讨了SBS-纳米TiO2复合改性沥青及混合料在多次老化与再生循环中的性能演变。研究通过微观（GPC、SEM）与宏观（DSR、BBR、车辙、弯曲、马歇尔稳定度等）测试手段，揭示了老化导致SBS降解及沥青组分氧化对分子量的影响，再生可部分恢复性能但低温与疲劳性能仍劣于原始材料。结果表明，该复合材料在高温性能、动态模量方面显著提升，但低温抗裂性与抗疲劳性逐步下降，再生策略需重点关注低温与疲劳性能的恢复。

　　

1 引言

SBS改性沥青及其混合料广泛应用于沥青路面，通过掺入胶粉、SBR、多磷酸、环氧树脂等聚合物，以及TiO₂、ZnO、SiO₂等纳米材料或其他添加剂（如蒙脱土、天然沥青），可制备复合改性沥青以进一步提升其性能。现有研究多关注改性剂对沥青与混合料性能的改善效果，而老化后的性能衰减及再生需求亦是关键问题。尤其对于SBS-纳米TiO₂复合改性沥青，其在反复老化与再生中的行为尚缺乏系统研究。

2 材料与方法

2.1 各类沥青样品的制备

选用市售SBS（I-D）改性沥青与金红石型纳米TiO₂，按沥青质量1%掺入纳米TiO2，在150°C下以800 r/min剪切30分钟制备复合改性沥青。通过薄膜烘箱试验（TFOT）和压力老化容器（PAV）分别进行短期和长期老化，得到初次老化沥青。选用符合RA5级要求的再生剂，按老化沥青质量5%加入，并补充等量未掺纳米TiO₂的SBS改性沥青，模拟厂拌热再生过程，经搅拌得初次再生沥青。同上流程进行二次老化与再生，获二次老化与再生沥青。

2.2 沥青混合料样品的制备

采用AC-13级配，以玄武岩为粗集料、石灰岩为细集料与矿物填料，沥青-集料比统一为4.9%，分别用原始、初次老化、初次再生、二次老化、二次再生沥青制备混合料。

2.3 测试方法

除常规宏观性能测试（三大指标、DSR、BBR、车辙、弯曲、马歇尔稳定度、劈裂强度、动态模量）外，还进行凝胶渗透色谱（GPC）与扫描电子显微镜（SEM）测试，分析分子量分布与微观形貌。GPC采用THF为流动相，计算数均分子量（M_n）、重均分子量（M_w）及多分散指数（PDI）。SEM观察沥青样品微观结构。

3 反复老化与再生下沥青的性能

3.1 分子量与微观形貌

GPC洗脱曲线显示，所有沥青样品均出现两个明显峰，14–18分钟为SBS相，20–27分钟为沥青相。老化后SBS相峰强显著降低，M_n与M_w分别下降48.3%与41.6%（初次老化）及36.3%与31.5%（二次老化），PDI增大，表明热氧老化导致SBS链断裂、降解成小分子片段。沥青相M_n与M_w则因氧化而增加。再生后，再生剂引入小分子使沥青相M_n与M_w降低但仍高于原始沥青，新增SBS改性沥青则显著提高SBS相分子量。SEM图像显示，原始沥青中SBS链形成交织网络结构，二次老化后SBS链出现大量表面裂纹，二次再生沥青中则同时存在破损与完整SBS链。纳米TiO₂作为无机材料在整个过程中性质稳定。

3.2 常规物理性能

老化后沥青的针入度与延度显著降低，软化点略升，二次老化变化幅度大于初次。再生后因补充轻组分与SBS大分子，三大指标部分恢复。

3.3 高温性能

DSR测试表明，老化后沥青复数模量与车辙因子（G/sinδ）升高，相位角降低，高温性能增强。二次老化沥青的车辙因子比初次老化高29%–46%。再生后，尽管补充了再生剂与新鲜改性沥青，但因沥青相老化占主导，高溫性能仍优于原始沥青。初次与二次再生沥青的车辙因子分别比原始沥青高35%–110%与46%–130%。

3.4 低温性能

BBR测试显示，老化后沥青蠕变刚度增大，蠕变速率减小，低温性能劣化。在-24°C至-12°C范围内，五种沥青蠕变刚度从大到小顺序为：二次老化、初次老化、二次再生、初次再生、原始沥青。再生后低温性能仍显著低于原始沥青，蠕变刚度增13%–23%（初次再生）与50%–116%（二次再生），蠕变速率降7%–20%与13%–28%。

4 反复老化与再生混合料的性能

4.1 高低温性能

车辙试验（60°C）表明，老化显著提升混合料高温抗变形能力，二次再生混合料45分钟变形仍比原始低24.0%，动稳定度高32.8%。弯曲试验（0°C）显示，老化后弯曲刚度模量增大，最大拉应变显著减小（初次与二次老化分别降52.5%与73.4%）。再生后最大拉应变分别为2734 με与2512 με，仍比原始沥青低30.1%与38.6%，但满足规范对寒区改性沥青混合料要求（≥2500 με）。

4.2 水稳定性

马歇尔稳定度与劈裂强度老化后增加、再生后降低，但浸水残留稳定度与冻融劈裂强度比老化后略有下降。老化降低了沥青-集料界面黏附性能，使水浸或冻融后更易受损。初次与二次老化后，残留稳定度降幅<1%，冻融劈裂强度比降4%–6%，但仍满足规范要求（湿地区改性沥青混合料残留稳定度>85%，冻融劈裂强度比>80%）。再生后残留稳定度基本稳定，冻融劈裂强度比降3.3%与4.1%。

4.3 动态模量

在20°C、0.1–25 Hz频率下，动态模量随频率增加而增大。老化显著提高动态模量，同一频率下顺序为：二次老化、初次老化、二次再生、初次再生、原始混合料。在20°C、10 Hz下，初次与二次再生混合料的动态模量仍比原始高22.0%与33.2%。

4.4 抗疲劳性能

四点弯曲疲劳试验（15°C、10 Hz）表明，老化显著降低疲劳寿命，再生后部分恢复。初次与二次再生混合料的疲劳寿命仍比原始低15.0%与26.2%。再生过程中降解的SBS链无法恢复，新旧沥青分子未能完全融合，内部微损伤增加，沥青-集料界面结合弱化，导致抗疲劳性能排序为：原始 > 初次再生 > 二次再生 > 初次老化 > 二次老化。

5 总结与结论

反复老化导致SBS相降解、分子量减小，沥青相氧化、分子量增加；再生通过补充新SBS链可增加SBS相分子量。纳米TiO₂性能稳定。老化显著增强沥青与混合料的高温性能与动态模量，但严重劣化低温性能与抗疲劳性；再生部分恢复性能，但低温与疲劳性能仍显著低于原始状态。水稳定性略有下降但仍满足规范要求。原始与初次再生复合改性沥青适用于高低温性能与抗疲劳性要求均衡的常规或中等交通路面，而老化及二次再生沥青更适用于高温重载路面或低温性能要求较低的特殊路段。未来需结合实际环境因素（如紫外线、降水）进行长期现场暴露试验，并进一步研究SBS-纳米TiO₂与其他纳米材料（如石墨烯、碳纳米管）在反复老化与再生中的协同机制。