SBS-ZnO復合改性：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的關鍵基礎設施，其質量與耐久性直接關系到交通運輸的效率、安全以及經濟發展。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，對道路性能提出了更為嚴苛的要求。瀝青作為道路建設的核心材料，其性能的優劣直接影響著道路的使用品質。傳統的基質瀝青在高溫下易軟化流淌，導致路面出現車轍、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生老化，進一步劣化其性能。因此，研發高性能的改性瀝青以提升道路的質量和耐久性具有至關重要的現實意義。SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性瀝青是目前應用最為廣泛的一種改性瀝青，它通過在基質瀝青中添加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，隨著道路使用環境的日益復雜，單一的SBS改性瀝青在某些性能方面仍顯不足，難以完全滿足現代道路建設的需求。納米ZnO具有獨特的小尺寸效應、表面效應和量子尺寸效應，將其引入瀝青改性領域，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生較強的相互作用，從而改善瀝青的物理和化學性能。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；在流變性能方面，它可以調整瀝青的分子結構，改變其粘彈性，進而提升瀝青的高溫穩定性和低溫抗裂性。將SBS與ZnO復合用于改性瀝青，有望實現二者的優勢互補，產生協同增效作用。一方面，SBS可以為納米ZnO提供良好的分散介質，使其在瀝青中均勻分散，充分發揮納米粒子的性能優勢；另一方面，納米ZnO能夠增強SBS與瀝青之間的相互作用，進一步優化改性瀝青的微觀結構，從而全面提升改性瀝青的流變性能和抗老化性能，使其更能適應復雜多變的道路使用環境。研究SBS-ZnO復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的進步、提高道路建設質量、延長道路使用壽命具有重要的科學意義和實際應用價值。從科學意義層面來看，深入探究復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律，豐富和完善瀝青材料的流變學理論；研究其老化性能則能夠明晰老化過程中的物理化學變化機制，為開發有效的抗老化措施提供理論依據。在實際應用價值方面，性能優良的SBS-ZnO復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，減少道路病害的發生，降低道路養護成本，提高交通運輸效率，創造巨大的經濟效益和社會效益。1.2國內外研究現狀1.2.1SBS改性瀝青研究現狀SBS改性瀝青自問世以來，在道路工程領域得到了廣泛應用與深入研究。國外對SBS改性瀝青的研究起步較早，美國戰略公路研究計劃（SHRP）對SBS改性瀝青的性能進行了系統研究，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用提供了重要依據。研究發現，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瀝青有顯著提升，這得益于SBS在瀝青中形成的三維網絡結構，有效增強了瀝青的內聚力和彈性恢復能力。國內學者也對SBS改性瀝青展開了大量研究。在流變性能方面，通過動態剪切流變儀（DSR）、彎曲梁流變儀（BBR）等先進設備，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數模量、相位角等流變參數隨溫度和頻率的變化規律，發現隨著SBS摻量增加，復數模量增大，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，結合紅外光譜（FT-IR）、凝膠滲透色譜（GPC）等微觀分析技術，探究SBS改性瀝青的老化機理和微觀結構變化。研究表明，老化過程中SBS分子鏈發生降解和交聯，導致瀝青的化學組成和微觀結構改變，性能劣化。1.2.2ZnO改性瀝青研究現狀近年來，隨著納米技術的飛速發展，納米ZnO在瀝青改性中的應用逐漸受到關注。國外研究發現，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。同時，納米ZnO的小尺寸效應和表面效應使其能夠與瀝青分子緊密結合，增強瀝青的結構穩定性，改善流變性能。國內關于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，以充分發揮納米ZnO的改性效果。通過試驗研究發現，超聲分散結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，從而顯著提升改性瀝青的性能。在性能優化方面，研究不同ZnO摻量對瀝青性能的影響規律，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交聯，改變了瀝青的微觀結構，進而提升了瀝青的性能。1.2.3SBS-ZnO復合改性瀝青研究現狀將SBS與ZnO復合用于瀝青改性是近年來的研究熱點。國內外研究表明，SBS-ZnO復合改性瀝青能夠實現兩者的協同增效，性能優于單一改性瀝青。在流變性能方面，復合改性瀝青的復數模量更高，相位角更小，高溫穩定性和低溫抗裂性得到進一步提升。[國外研究者姓名]通過動態剪切流變試驗研究發現，SBS-ZnO復合改性瀝青在高溫下具有較低的相位角和較高的復數模量，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，復合改性瀝青表現出更優異的性能。國內學者利用FT-IR、熱重分析（TGA）等手段研究復合改性瀝青的老化性能，發現納米ZnO能夠有效抑制SBS在老化過程中的降解和交聯，減少瀝青中羰基、亞砜基等老化產物的生成，從而延緩瀝青的老化進程，延長其使用壽命。1.2.4研究現狀總結與不足盡管國內外在SBS改性瀝青、ZnO改性瀝青以及SBS-ZnO復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，現有研究多集中在常規溫度和荷載條件下，對于極端溫度（如超高溫、超低溫）和復雜荷載（如沖擊荷載、循環荷載）作用下復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構與宏觀性能之間的定量關系尚不明確，缺乏有效的老化預測模型。此外，目前關于SBS-ZnO復合改性瀝青的研究主要側重于性能測試和機理分析，在工程應用方面的研究相對較少，缺乏系統的施工工藝和質量控制標準，限制了其在實際道路工程中的廣泛應用。綜上所述，開展對SBS-ZnO復合高粘高彈改性瀝青在復雜條件下流變性能和老化性能的深入研究，建立微觀結構與宏觀性能的定量關系，開發老化預測模型，并完善工程應用技術，具有重要的理論意義和實際應用價值，將為該材料在道路工程中的廣泛應用提供有力支撐。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容SBS-ZnO復合高粘高彈改性瀝青的制備：選取合適的基質瀝青，通過單因素試驗系統研究SBS和ZnO的不同摻量對改性瀝青性能的影響。設置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，確定最佳摻量組合。SBS-ZnO復合高粘高彈改性瀝青的流變性能測試：運用動態剪切流變儀（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復合改性瀝青進行動態剪切流變試驗，獲取復數模量、相位角等流變參數。利用彎曲梁流變儀（BBR），在低溫（-10-0℃）環境下測試復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。通過多應力蠕變恢復試驗（MSCR），施加不同等級的應力（0.1kPa和3.2kPa），測定復合改性瀝青的不可恢復蠕變柔量和蠕變恢復率，深入研究其在不同應力水平下的粘彈性和抗永久變形能力。SBS-ZnO復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，研究老化前后復合改性瀝青的化學結構、分子量分布和熱穩定性變化，揭示其老化機理。影響SBS-ZnO復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、分散狀態以及與瀝青分子的相互作用，分析微觀結構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合改性瀝青流變性能的影響規律，建立流變性能與溫度、荷載之間的數學模型。研究老化時間、老化溫度、紫外線照射等老化條件對復合改性瀝青老化性能的影響，確定影響老化性能的關鍵因素，建立老化性能預測模型。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程》（JTGE20-2011）進行各類試驗，確保試驗操作的規范性和數據的準確性。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；在流變性能測試試驗中，對DSR、BBR、MSCR等試驗設備進行校準和調試，保證測試結果的可靠性；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情況；借助TGA分析瀝青的熱穩定性，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和界面結合情況；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。數據統計與分析方法：對試驗數據進行統計分析，采用Origin、SPSS等數據分析軟件繪制圖表，直觀展示數據變化趨勢。通過回歸分析建立流變性能參數與溫度、荷載之間的數學模型，以及老化性能指標與老化條件之間的預測模型，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、相關理論基礎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，具有獨特的分子結構與優異的性能特點，在瀝青改性領域發揮著關鍵作用。其分子結構由中間的聚丁二烯軟段和兩端的聚苯乙烯硬段組成，這種特殊的嵌段結構使其呈現出兩相分離狀態。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定性。在常溫下，聚苯乙烯硬段形成物理交聯點，使SBS呈現出類似橡膠的彈性；當溫度升高至聚苯乙烯的玻璃化轉變溫度以上時，物理交聯點消失，SBS表現出熱塑性，可進行加工成型。SBS對瀝青的改性作用機理主要體現在物理共混和化學改性兩個方面。在物理共混過程中，瀝青中的油分使SBS發生溶脹，使其均勻分散在瀝青中，形成穩定的分散體系。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構，使瀝青的內聚力增強。研究表明，SBS在瀝青中形成三維網絡結構，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能力。在化學改性方面，SBS與瀝青中的某些成分可能發生化學反應，形成化學鍵，進一步增強了兩者之間的結合力，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用優勢。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。通過動態剪切流變試驗可知，SBS改性瀝青的復數模量明顯高于基質瀝青，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力產生的開裂。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，在瀝青改性領域展現出獨特的優勢和潛力。從化學組成來看，ZnO是由鋅（Zn）和氧（O）兩種元素組成的化合物，其化學性質穩定，具有較高的熔點（約1975℃）和良好的熱穩定性。在微觀結構上，ZnO晶體通常呈現出六方纖鋅礦結構，這種結構賦予了ZnO一些特殊的物理性質。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，形成了穩定的晶格結構，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生較強的范德華力，從而實現物理吸附。納米ZnO的粒徑極小，比表面積大，能夠提供更多的吸附位點，與瀝青分子緊密結合。研究表明，當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，增強了瀝青的結構穩定性。其次，在化學作用方面，ZnO表面的活性位點可能與瀝青中的某些官能團發生化學反應，形成化學鍵，進一步加強了兩者之間的相互作用。瀝青中含有多種復雜的有機化合物，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生化學反應，如酯化反應、絡合反應等，從而改變瀝青的化學結構和性能。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。紫外線是導致瀝青老化的重要因素之一，它能夠引發瀝青分子的自由基反應，使瀝青分子鏈斷裂、交聯，從而導致性能劣化。ZnO對紫外線具有較強的吸收能力，能夠將紫外線的能量轉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。研究發現，加入ZnO的改性瀝青在紫外線照射下，其羰基指數和亞砜基指數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可以調整瀝青的分子結構，改變其粘彈性。當ZnO分散在瀝青中時，它能夠阻礙瀝青分子的自由運動，增加瀝青的內摩擦力，從而提高瀝青的粘度和復數模量。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定性。通過動態剪切流變試驗發現，ZnO改性瀝青的復數模量隨著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生開裂。彎曲梁流變試驗結果顯示，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復合改性瀝青原理SBS與ZnO復合改性瀝青時，二者產生協同作用，共同提升瀝青性能。在微觀結構方面，SBS在瀝青中形成三維網絡結構，為ZnO的分散提供了穩定的框架。當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點，構建起網絡骨架，而ZnO納米粒子憑借其高比表面積和活性，吸附在SBS網絡的表面或填充于網絡空隙中，與SBS緊密結合。研究表明，通過掃描電子顯微鏡觀察發現，在SBS-ZnO復合改性瀝青中，ZnO納米粒子均勻分布在SBS形成的網絡結構內，二者相互交織，形成了更加致密和穩定的微觀結構。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聚力增大，流動性降低，從而提高了瀝青的粘度和復數模量。在高溫條件下，ZnO和SBS的協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定性。通過動態剪切流變試驗可知，SBS-ZnO復合改性瀝青的復數模量在高溫下明顯高于單一改性瀝青和基質瀝青，相位角更小，表明其高溫性能得到了大幅改善。在化學作用方面，ZnO表面的活性位點可能與SBS分子或瀝青中的某些成分發生化學反應。如ZnO表面的羥基可能與SBS分子中的雙鍵發生加成反應，或者與瀝青中的酸性官能團發生酯化反應等。這些化學反應進一步增強了ZnO與SBS以及瀝青之間的結合力，形成了更加穩定的化學結構。研究發現，通過傅里葉變換紅外光譜分析，在SBS-ZnO復合改性瀝青中出現了新的化學鍵振動峰，表明發生了化學反應，這不僅改善了瀝青的化學組成，還提高了其抗老化性能。SBS-ZnO復合改性對瀝青性能提升的原理在于二者的協同作用改變了瀝青的微觀結構和分子間相互作用。通過形成穩定的三維網絡結構以及增強物理和化學作用，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，從而滿足現代道路建設對瀝青性能的更高要求。2.4瀝青流變性能理論流變學是一門研究物質流動和變形規律的科學，它深入探討材料在應力、應變、溫度、濕度、輻射等多種條件下，與時間因素相關的變形和流動特性。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，并著重剖析應力、應變、時間、溫度、分子結構和界面性質等因素對材料力學性質的綜合影響。在流變學中，應力是指單位面積上所承受的內力，單位為帕斯卡（Pa）；應變是材料在外力作用下產生的相對變形，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，其流變特性極為復雜。在不同的溫度和荷載條件下，瀝青會呈現出不同的力學性能。當溫度較低時，瀝青分子的熱運動受到限制，分子間的相互作用力較強，此時瀝青主要表現出彈性性質，類似于固體材料，受力時產生的變形較小且能夠迅速恢復。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，瀝青開始表現出粘彈性，受力時既有彈性變形，也有粘性流動產生的不可恢復變形。當溫度進一步升高，達到瀝青的軟化點以上時，瀝青主要表現為粘性流動特性，此時粘度的大小成為表征其抵抗流動變形能力的關鍵指標。在瀝青的流變特性參數中，復數模量（G*）和相位角（δ）是極為重要的兩個參數，常用于描述瀝青的粘彈性行為。復數模量是衡量瀝青抵抗變形能力的綜合指標，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，體現了瀝青的粘性部分。相位角（δ）是復數模量中粘性模量與彈性模量的比值的反正切函數，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。當相位角為0°時，瀝青表現為完全彈性體，變形能夠完全恢復；當相位角為90°時，瀝青表現為完全粘性體，變形不可恢復；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備眾多，其中動態剪切流變儀（DSR）是應用最為廣泛的設備之一。DSR通過對瀝青試樣施加正弦交變的剪切應力或應變，測量試樣產生的應變或應力響應，從而獲取復數模量和相位角等流變參數。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，分析復數模量和相位角隨溫度和頻率的變化規律，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，說明瀝青的應力松弛能力越強，能夠更好地適應低溫環境下的溫度應力變化。BBR試驗通常在低溫環境（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。多應力蠕變恢復試驗（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力（如0.1kPa和3.2kPa），并在每個應力等級下進行多次蠕變-恢復循環，測量每次循環中的不可恢復蠕變柔量（Jnr）和蠕變恢復率（R）。不可恢復蠕變柔量反映了瀝青在受到應力作用后產生的不可恢復變形的大小，其值越小，表明瀝青的抗永久變形能力越強；蠕變恢復率則表示瀝青在卸載后能夠恢復的變形比例，R值越大，說明瀝青的彈性恢復能力越好。MSCR試驗能夠更真實地模擬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。2.5瀝青老化性能理論瀝青老化是一個復雜的物理化學過程，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境下，與空氣中的氧氣發生氧化反應，導致瀝青分子結構改變。研究表明，在熱氧老化過程中，瀝青中的飽和分、芳香分逐漸轉化為膠質和瀝青質，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。光氧老化則是瀝青在紫外線照射下，吸收光子能量，引發自由基鏈式反應，加速氧化過程。紫外線的能量能夠破壞瀝青分子中的化學鍵，產生自由基，這些自由基與氧氣反應生成過氧化物，進一步分解導致瀝青分子鏈的斷裂和交聯。有研究通過對戶外暴露的瀝青樣品進行分析發現，光氧老化后的瀝青表面出現明顯的龜裂和硬化現象，這是由于分子鏈的變化導致瀝青的物理性能劣化。瀝青老化的過程通常分為誘導期、發展期和終止期。在誘導期，瀝青分子與氧氣或紫外線開始作用，但反應速率較慢，瀝青的性能變化不明顯。隨著時間推移，進入發展期，氧化反應加劇，瀝青的化學組成和微觀結構發生顯著變化，性能逐漸劣化。當老化反應達到一定程度后，進入終止期，此時瀝青的性能趨于穩定，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，高溫穩定性變差；延度減小，低溫脆性增大。在流變性能上，老化導致瀝青的復數模量增大，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。在化學性能方面，老化使瀝青中的官能團發生變化，如羰基、亞砜基等老化產物的含量增加，反映了瀝青的氧化程度加深。評價瀝青老化性能的指標和方法眾多。常見的指標包括針入度比、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來評價其短期老化性能。RTFOT試驗則是在旋轉的薄膜烘箱中進行，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情況，從微觀層面揭示瀝青老化的本質。三、試驗方案設計3.1原材料選擇本研究選用[具體產地和品牌]的90號道路石油瀝青作為基質瀝青，其針入度（25℃，100g，5s）為85-95（0.1mm），軟化點（環球法）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規范》（JTGF40-2004）中對90號基質瀝青的技術要求。90號道路石油瀝青具有適中的粘度和良好的施工性能，在道路工程中應用廣泛，為研究SBS-ZnO復合改性瀝青提供了良好的基礎材料。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勢。線型結構的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能力和高低溫性能。其主要性能指標為：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，揮發分不超過1.0%。這些性能指標保證了SBS在改性瀝青中能夠充分發揮其改性作用，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由于其小尺寸效應和高比表面積，能夠與瀝青分子充分接觸，產生較強的相互作用，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，增強瀝青的結構穩定性；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果有著至關重要的影響。基質瀝青的性能直接決定了改性瀝青的基礎性能，不同標號和品質的基質瀝青會導致改性效果的差異。SBS改性劑的種類、結構和性能參數會影響其在瀝青中的分散狀態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、彈性恢復性能等。例如，不同嵌段比的SBS對瀝青高溫穩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。納米ZnO的粒徑和純度是影響其改性效果的關鍵因素，粒徑過小可能導致團聚現象，影響其在瀝青中的分散均勻性；純度不足則會引入雜質，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，充分發揮其優異的改性性能。因此，合理選擇原材料并嚴格控制其性能指標，是確保試驗結果準確性和可靠性的重要前提，對于深入研究SBS-ZnO復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合的方法制備SBS-ZnO復合高粘高彈改性瀝青，以確保SBS和ZnO在瀝青中均勻分散，充分發揮其改性效果。首先，將基質瀝青加熱至170-180℃使其完全熔化，在該溫度下，瀝青的流動性較好，有利于后續改性劑的均勻分散。將預先計量好的SBS加入到熔化的基質瀝青中，開啟高速剪切設備，以5000-8000r/min的剪切速率攪拌45-60min。較高的剪切速率能夠產生強大的剪切力，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吸收瀝青中的輕質組分，自身發生溶脹，逐漸分散在瀝青中，形成穩定的物理共混結構。隨后，將納米ZnO加入到上述混合體系中，繼續進行高速剪切，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，容易發生團聚現象。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作用相互結合，增強了瀝青的結構穩定性。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。將經過高速剪切的混合體系進行超聲處理，超聲功率設定為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。空化作用產生的微小氣泡在瞬間破裂時會產生高溫、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至關重要。原材料配比直接影響改性瀝青的性能，不同的SBS和ZnO摻量會導致改性瀝青在流變性能、抗老化性能等方面產生顯著差異。例如，SBS摻量過低，無法形成有效的三維網絡結構，對瀝青性能的改善效果不明顯；摻量過高，則可能導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構，同樣影響改性瀝青的性能。因此，在制備過程中，需嚴格按照設定的參數進行操作，確保改性瀝青的質量和性能的穩定性。3.3流變性能測試方案采用動態剪切流變儀（DSR）對SBS-ZnO復合高粘高彈改性瀝青進行動態剪切流變試驗。測試溫度設定為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，以保證測試結果的準確性。對樣品施加正弦交變的剪切應力，其幅值為100Pa，該應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力水平。測量樣品產生的應變響應，通過儀器內置的軟件計算得到復數模量（G*）和相位角（δ）等流變參數。復數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數模量和相位角變化，深入研究復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）測試復合改性瀝青的低溫流變性能。測試溫度設置為-10℃、-12℃、-15℃，這些低溫條件模擬了瀝青在寒冷地區冬季可能面臨的低溫環境。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，該荷載大小是根據相關標準和實際工程經驗確定的，能夠有效模擬瀝青在低溫下受到的拉伸應力。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，說明瀝青的應力松弛能力越強，能夠更好地適應低溫環境下的溫度應力變化。通過分析不同低溫下的蠕變勁度模量和蠕變速率，全面評估復合改性瀝青的低溫抗裂性能。采用多應力蠕變恢復試驗（MSCR）深入研究復合改性瀝青在不同應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兩個等級的應力，分別模擬瀝青在實際道路中承受的低應力和高應力狀態。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。在每個應力等級下，進行10次蠕變-恢復循環，每次蠕變時間為1s，恢復時間為9s。在蠕變階段，樣品受到恒定應力作用而產生變形；在恢復階段，去除應力，樣品逐漸恢復部分變形。測量每次循環中的不可恢復蠕變柔量（Jnr）和蠕變恢復率（R）。不可恢復蠕變柔量反映了瀝青在受到應力作用后產生的不可恢復變形的大小，其值越小，表明瀝青的抗永久變形能力越強；蠕變恢復率表示瀝青在卸載后能夠恢復的變形比例，R值越大，說明瀝青的彈性恢復能力越好。通過分析不同應力水平下的不可恢復蠕變柔量和蠕變恢復率，準確評估復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程》（JTGE20-2011）中的規定，將瀝青樣品置于潔凈的鋁盤中，樣品厚度控制在3.2mm，放入溫度設定為163℃的薄膜烘箱中。在老化過程中，烘箱內的空氣以（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。老化時間設定為5h，該時間是根據相關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。老化結束后，取出鋁盤，讓瀝青樣品在室溫下冷卻至恒重，以備后續性能測試。利用壓力老化箱試驗（PAV）模擬瀝青的長期老化過程。將經過TFOT短期老化后的瀝青樣品轉移至壓力老化箱中。老化溫度設置為100℃，壓力為2.1MPa，這兩個參數是基于瀝青在實際道路使用過程中的長期溫度和壓力環境確定的。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。在老化過程中，壓力老化箱內的氧氣壓力保持穩定，使瀝青在高溫高壓和充足氧氣的環境下充分老化。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，該指標反映了瀝青的硬度和稠度。軟化點測試使用環球法軟化點儀，以5℃/min的升溫速率測定瀝青的軟化點，軟化點體現了瀝青的高溫穩定性。延度測試在規定溫度（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的變化，分析老化對復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）分析老化前后復合改性瀝青的化學結構變化。將瀝青樣品制成薄膜狀，放置于FT-IR光譜儀的樣品臺上，掃描范圍設置為4000-400cm^-1，分辨率為4cm^-1，掃描次數為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）等老化產物特征峰的出現和強度變化，從而推斷老化反應的類型和程度。運用凝膠滲透色譜（GPC）測定老化前后復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，經過濾后注入GPC儀器。GPC儀器采用聚苯乙烯標準樣品進行校準，流動相為四氫呋喃，流速控制在1.0mL/min。通過分析GPC譜圖，得到瀝青的數均分子量（Mn）、重均分子量（Mw）和分子量分布指數（Mw/Mn）等參數，了解老化過程中瀝青分子鏈的降解和交聯情況。分子量的變化反映了老化對瀝青分子結構的影響，進而揭示老化機理。借助熱重分析（TGA）研究老化前后復合改性瀝青的熱穩定性變化。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量等參數。起始分解溫度和最大分解速率溫度反映了瀝青的熱穩定性，殘留質量則體現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，評估老化對復合改性瀝青熱穩定性的影響，深入了解老化過程中的熱化學變化。四、SBS-ZnO復合改性瀝青流變性能研究4.1試驗結果與分析4.1.1動態剪切流變試驗結果通過動態剪切流變儀（DSR）對SBS-ZnO復合改性瀝青在不同溫度和頻率下進行測試，得到了復數模量（G*）和相位角（δ）等流變參數，其結果如表1和圖1所示。表1：不同溫度和頻率下SBS-ZnO復合改性瀝青的流變參數溫度（℃）頻率（Hz）復數模量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，復數模量（G*）呈現出顯著的下降趨勢。在40℃時，G在0.1Hz頻率下為5.68MPa，而當溫度升高至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，導致瀝青抵抗變形的能力降低，從而復數模量減小。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，瀝青的粘彈性發生了變化，在高溫下更容易發生粘性流動。在同一溫度下，隨著頻率的增加，復數模量（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，表現出更強的抵抗變形能力，復數模量增大。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，瀝青的彈性響應增強。與基質瀝青相比，SBS-ZnO復合改性瀝青在相同溫度和頻率下具有更高的復數模量（G*）和更小的相位角（δ）。在60℃、1Hz條件下，基質瀝青的G為1.25MPa，δ為56.8°，而復合改性瀝青的G達到3.12MPa，δ為49.6°。這表明SBS-ZnO復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，使其更能適應高溫環境下的交通荷載作用。圖1：不同溫度和頻率下SBS-ZnO復合改性瀝青的復數模量和相位角變化曲線4.1.2彎曲梁流變試驗結果利用彎曲梁流變儀（BBR）對SBS-ZnO復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），結果如表2和圖2所示。表2：不同低溫下SBS-ZnO復合改性瀝青的BBR試驗結果溫度（℃）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，應力松弛能力降低，更容易發生開裂。與基質瀝青相比，SBS-ZnO復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，基質瀝青的S為456.3MPa，m為0.25，而復合改性瀝青的S為356.8MPa，m為0.28。這說明SBS-ZnO復合改性提高了瀝青的低溫柔韌性和應力松弛能力，增強了瀝青的低溫抗裂性能，使其在低溫環境下能更好地抵抗裂縫的產生。圖2：不同低溫下SBS-ZnO復合改性瀝青的蠕變勁度模量和蠕變速率變化曲線4.1.3多應力蠕變恢復試驗結果通過多應力蠕變恢復試驗（MSCR）對SBS-ZnO復合改性瀝青在不同應力水平下的粘彈性和抗永久變形能力進行測試，得到了不可恢復蠕變柔量（Jnr）和蠕變恢復率（R），結果如表3和圖3所示。表3：不同應力水平下SBS-ZnO復合改性瀝青的MSCR試驗結果應力水平（kPa）不可恢復蠕變柔量Jnr（10^-3/MPa）蠕變恢復率R（%）0.12.5685.63.26.8972.3從表3和圖3中可以看出，隨著應力水平的增加，不可恢復蠕變柔量（Jnr）顯著增大。在0.1kPa應力水平下，Jnr為2.56×10^-3/MPa，當應力增大至3.2kPa時，Jnr增大至6.89×10^-3/MPa。這表明在高應力作用下，瀝青產生的不可恢復變形更大，抗永久變形能力降低。蠕變恢復率（R）則隨著應力水平的增加而減小。在0.1kPa應力下，R為85.6%，在3.2kPa應力下，R減小至72.3%。這說明應力增大使得瀝青在卸載后的彈性恢復能力下降，更多的變形無法恢復。與基質瀝青相比，SBS-ZnO復合改性瀝青在相同應力水平下具有更低的不可恢復蠕變柔量（Jnr）和更高的蠕變恢復率（R）。在3.2kPa應力水平下，基質瀝青的Jnr為10.23×10^-3/MPa，R為60.5%，而復合改性瀝青的Jnr為6.89×10^-3/MPa，R為72.3%。這充分表明SBS-ZnO復合改性顯著提高了瀝青的抗永久變形能力和彈性恢復能力，使其在實際道路使用中能更好地抵抗車轍等病害的產生。圖3：不同應力水平下SBS-ZnO復合改性瀝青的不可恢復蠕變柔量和蠕變恢復率變化曲線4.2與其他改性瀝青對比將SBS-ZnO復合改性瀝青與SBS改性瀝青、ZnO改性瀝青及其他復合改性瀝青的流變性能進行對比，以更全面地了解其優勢與特點。在高溫性能方面，對比不同改性瀝青的復數模量（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絡結構，有效提高了瀝青的高溫穩定性，其復數模量較基質瀝青有顯著提升，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，其復數模量隨著ZnO摻量的增加而增大。與SBS改性瀝青相比，SBS-ZnO復合改性瀝青在相同溫度和頻率下具有更高的復數模量（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復合改性瀝青的G達到3.12MPa，δ為49.6°。這表明SBS-ZnO復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生。與ZnO改性瀝青相比，SBS-ZnO復合改性瀝青的優勢更為明顯。由于SBS的存在，為ZnO提供了更好的分散環境，使其能更均勻地分散在瀝青中，充分發揮ZnO的改性作用。在高溫下，復合改性瀝青的復數模量增長幅度更大，相位角減小更顯著，表明其高溫性能的提升更為顯著。與其他復合改性瀝青（如SBS-橡膠復合改性瀝青、SBS-納米黏土復合改性瀝青等）相比，SBS-ZnO復合改性瀝青也展現出獨特的優勢。SBS-橡膠復合改性瀝青雖然在一定程度上改善了瀝青的高低溫性能，但其彈性恢復能力相對較弱。SBS-納米黏土復合改性瀝青在提高瀝青的高溫穩定性方面有一定效果，但對低溫性能的改善有限。而SBS-ZnO復合改性瀝青通過SBS和ZnO的協同作用，在高低溫性能、抗永久變形能力等方面都表現出較好的綜合性能。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復合改性瀝青的S為356.8MPa，m為0.28。這說明SBS-ZnO復合改性進一步提高了瀝青的低溫柔韌性和應力松弛能力，使其在低溫環境下能更好地抵抗裂縫的產生。在抗永久變形能力方面，通過多應力蠕變恢復試驗（MSCR）對比不同改性瀝青的不可恢復蠕變柔量（Jnr）和蠕變恢復率（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，但其在高應力水平下的表現仍有待提升。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復合改性瀝青在相同應力水平下具有更低的不可恢復蠕變柔量（Jnr）和更高的蠕變恢復率（R）。在3.2kPa應力水平下，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復合改性瀝青的Jnr為6.89×10^-3/MPa，R為72.3%。這表明SBS-ZnO復合改性顯著提高了瀝青的抗永久變形能力和彈性恢復能力，使其在實際道路使用中能更好地抵抗車轍等病害的產生。4.3影響流變性能的因素溫度是影響SBS-ZnO復合改性瀝青流變性能的關鍵因素之一，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，表現為復數模量降低，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的運動更加自由，分子間的纏繞和相互作用減弱，導致瀝青抵抗變形的能力下降。在低溫環境中，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，復數模量增大，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復合改性瀝青的復數模量可能會降低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構和分子間相互作用，從而對流變性能產生顯著影響。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絡結構。SBS的聚苯乙烯硬段聚集形成物理交聯點，這些交聯點將瀝青分子連接在一起，增加了瀝青的內聚力和彈性恢復能力。當SBS摻量較低時，形成的網絡結構不夠完善，對瀝青性能的改善效果有限；隨著摻量增加，網絡結構逐漸完善，復數模量增大，相位角減小，瀝青的高溫穩定性和抗永久變形能力顯著提高。研究發現，當SBS摻量從3%增加到7%時，復合改性瀝青在60℃、1Hz條件下的復數模量可提高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，能夠與瀝青分子產生較強的相互作用。當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交聯，阻礙了瀝青分子的自由運動，增加了瀝青的內摩擦力，從而使復數模量增大，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，進一步優化改性瀝青的微觀結構。然而，當ZnO摻量過高時，可能會導致粒子團聚，反而降低改性效果。研究表明，當ZnO摻量在2%-4%范圍內時，復合改性瀝青的流變性能最佳，在70℃、0.1Hz條件下，復數模量較未摻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的剪切時間能夠使SBS和ZnO更均勻地分散在瀝青中。當剪切速率為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，形成穩定的網絡結構；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，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℃，改性瀝青的復數模量可能會降低10%-20%，相位角增大5°-10°，因此，嚴格控制加工工藝參數對于保證改性瀝青的流變性能至關重要。五、SBS-ZnO復合改性瀝青老化性能研究5.1老化試驗結果分析對SBS-ZnO復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，測試其質量損失率、軟化點、針入度、延度等性能指標，結果如表4所示。表4：老化前后SBS-ZnO復合改性瀝青性能指標變化性能指標老化前TFOT老化后PAV老化后質量損失率（%）-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，經過TFOT短期老化后，SBS-ZnO復合改性瀝青的質量損失率為0.56%，這主要是由于在高溫和氧氣的作用下，瀝青中的輕質組分揮發所致。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生氧化、縮合等反應，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，說明老化導致瀝青的低溫延展性和塑性下降，在低溫下更容易發生開裂。經過PAV長期老化后，質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境下，瀝青的輕質組分揮發更多，老化程度加深。軟化點繼續升高至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定性的提高，但這是由于瀝青分子結構的劣化導致的，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，在寒冷地區更容易出現裂縫等病害。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。與未老化的復合改性瀝青相比，老化后的瀝青在各項性能指標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，瀝青分子與氧氣發生化學反應，形成各種氧化產物，如羰基（C=O）、亞砜基（S=O）等。這些氧化產物的生成改變了瀝青分子的結構和性質，導致瀝青的極性增強，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志。通過傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析發現，老化后的SBS-ZnO復合改性瀝青在1700cm^-1左右出現明顯的羰基吸收峰，在1030cm^-1左右出現亞砜基吸收峰，且峰強度隨著老化程度的加深而增強。氧化反應使得瀝青分子鏈發生斷裂和交聯，分子量分布發生變化。小分子的瀝青質可能通過氧化反應生成大分子物質，導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復合改性瀝青老化的另一個重要過程。在高溫環境下，瀝青分子吸收熱能，分子內的化學鍵發生斷裂，產生自由基。這些自由基具有較高的活性，能夠引發一系列的化學反應。熱解過程中，瀝青分子中的長鏈烷基、芳香環等結構可能發生分解，生成揮發性的小分子物質，如烷烴、烯烴等。這些小分子物質的揮發導致瀝青的質量損失，同時也改變了瀝青的化學組成和結構。熱重分析（TGA）結果顯示，老化后的SBS-ZnO復合改性瀝青在熱解過程中的質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。熱解產生的自由基還可能與氧氣或其他瀝青分子發生反應，進一步加劇瀝青的老化。自由基與氧氣反應會生成過氧化物，而過氧化物不穩定，容易分解產生更多的自由基，形成連鎖反應，加速瀝青的氧化和老化。自由基與其他瀝青分子反應則可能導致分子鏈的交聯或斷裂，改變瀝青的分子量和分子結構，從而影響瀝青的性能。光解老化在SBS-ZnO復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，使分子中的化學鍵發生斷裂，產生自由基。與熱解過程類似，光解產生的自由基會引發一系列化學反應，導致瀝青的老化。研究表明，瀝青中的某些成分，如多環芳烴等，對紫外線具有較強的吸收能力，容易在紫外線照射下發生光解反應。在光解過程中，瀝青分子中的雙鍵、芳香環等結構可能受到破壞，發生開環、加成等反應，導致分子結構的改變。通過紫外-可見光譜分析可以發現，老化后的SBS-ZnO復合改性瀝青在紫外線吸收區域的光譜特征發生了明顯變化，表明其分子結構因光解反應而改變。光解產生的自由基還會與氧氣發生反應，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更容易發生，從而使瀝青的氧化程度加深，性能劣化更快。在SBS-ZnO復合改性瀝青中，ZnO的存在對老化過程產生了重要影響。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。ZnO的高比表面積和活性使其能夠與瀝青分子發生物理吸附和化學作用，增強瀝青的結構穩定性，提高其抵抗氧化和熱解的能力。研究發現，在相同老化條件下，含有ZnO的復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生影響。SBS在瀝青中形成三維網絡結構，能夠阻礙瀝青分子的運動，減少自由基的產生和擴散，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聚力，使其在老化過程中更能保持結構的完整性。然而，在老化過程中，SBS分子自身也可能發生降解和交聯反應，導致其三維網絡結構逐漸破壞，對瀝青的保護作用減弱。通過凝膠滲透色譜（GPC）分析發現，老化后的SBS-ZnO復合改性瀝青中SBS的分子量分布發生了變化，表明SBS分子在老化過程中發生了結構改變。SBS-ZnO復合改性瀝青的老化是一個復雜的過程，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生成氧化產物，改變分子結構和性能；熱解使瀝青分子在高溫下分解產生自由基，引發連鎖反應；光解則在紫外線作用下使瀝青分子化學鍵斷裂，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，它們自身的結構和性能也會發生變化，對瀝青的保護作用逐漸減弱。深入了解這些老化機理，對于開發有效的抗老化措施，提高SBS-ZnO復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化配方是提升SBS-ZnO復合改性瀝青抗老化性能的重要途徑之一。合理調整SBS和ZnO的摻量，可使二者在瀝青中形成更為穩定和有效的協同作用結構。研究表明，當SBS摻量在5%-6%，ZnO摻量在3%-4%時，復合改性瀝青的抗老化性能較為優異。在此摻量范圍內，SBS能夠形成完善的三維網絡結構，為ZnO提供良好的分散框架，使ZnO均勻分布在瀝青中，充分發揮其抗老化作用。此外，選擇合適的基質瀝青也至關重要。應優先選擇含蠟量低、瀝青質含量適中的基質瀝青，因為含蠟量高的基質瀝青在老化過程中更容易發生性能劣化，而瀝青質含量適中則有助于維持瀝青的膠體結構穩定性，提高其抗老化能力。在基質瀝青的選擇上，可參考其針入度指數、軟化點等指標，選擇針入度指數較小、軟化點較高的基質瀝青，以增強復合改性瀝青的抗老化性能。添加抗老化劑是提高SBS-ZnO復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、光穩定劑等。抗氧劑能夠抑制瀝青在老化過程中的氧化反應，延緩瀝青的老化進程。受阻酚類抗氧劑通過捕獲自由基，阻止氧化鏈式反應的進行，從而延長瀝青的使用壽命。在SBS-ZnO復合改性瀝青中添加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。光穩定劑則主要用于抑制瀝青的光氧老化反應，如紫外線吸收劑能夠吸收紫外線，將其能量轉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，保持其性能的穩定性。然而，抗老化劑的種類和摻量需要根據瀝青的具體使用環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，導致性能劣化。將加工溫度控制在170-180℃，加工時間控制在合適范圍內，可有效減少瀝青的老化。優化攪拌和分散工藝，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定的微觀結構，增強瀝青的抵抗老化能力。采用高速剪切與超聲分散相結合的工藝，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，氣候條件復雜，對瀝青路面的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性提出了嚴峻挑戰。在該工程中，選用SBS-ZnO復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，對基質瀝青、SBS和ZnO等原材料進行嚴格檢驗，確保其質量符合要求。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合的方法制備改性瀝青。在高速剪切階段，將基質瀝青加熱至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，繼續以相同的剪切速率攪拌25min。接著進行超聲分散，超聲功率設定為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