SBS和SBR改性沥青混合料抗紫外线老化性能研究

叶昌勇 许达俊

（宁波市高等级公路建设指挥部1） 宁波 315000）（海南高速公路股份有限公司2） 海口 570203）

0 引 言

沥青路面在热、氧、光和水等环境因素作用下会发生一系列挥发、氧化、聚合，导致其路用性能劣化.在青海、西藏、新疆、甘肃等西部地区太阳总辐射能量基本上都高于东部平原地区，如同期最高的唐古拉山区的紫外线辐射强度是上海的4倍［1］.在西部地区沥青路面由于紫外线老化引起的路面低温开裂和高温车辙现象非常严重［2］.因此，研究沥青混合料紫外线老化的特征，对高紫外线辐射地区沥青路面的修建与养护具有重要的理论价值.

目前，国内外对沥青的热和光老化研究较多，而对沥青混合料的紫外老化性能研究较少.谭忆秋等［3］研究了紫外光老化沥青机理，研究了沥青结合料的热老化和紫外老化作用，认为在西部地区研究沥青混合料紫外老化比热老化严重.刘黎萍等［4］、Durrieu等［5］研究表明SBS改性沥青的耐紫外线老化能力好于SBR 改性沥青.钱春香等［6］研究了SBS和SEBS改性沥青及混合料抗老化性能，认为SEBS的耐紫外老化性能比SBS改性沥青混合料高1倍以上，适合于南方和高原紫外线强烈地区使用.吴欢等［7］认为：沥青混合料的抗紫外线老化后对劈裂强度影响明显，且SBR 改性沥青混合料的耐光老化性能好于基质沥青混合料.Liao等［8］研究了参杂不同抗紫外线老化剂的SBR 改性沥青在青藏高原地区的抗老化性能，并认为沥青紫外线老化主要发生在老化前期，老化时间越长老化越严重.何文华等［9］以马歇尔稳定度为指标研究了紫外老化后沥青混合料的性能，认为掺加纤维可以有效提高沥青路面的高温稳定性及抗紫外光老化性能.陈华鑫等［10］研究表明，老化后沥青混合料的低温性能均有下降，且改性沥青混合料的低温性能优于基质沥青混合料.

鉴于此，本文采用氙灯紫外线模拟西部强阳光辐射，对热拌SBS沥青混合料、SBR 沥青混合料和基质沥青混合料进行老化试验，主要使用劈裂强度评价老化后沥青混合料的力学性能，用动稳定度指标来描述几种沥青混合料老化后的高温性能.

1 紫外线辐射量当量计算

西部地区太阳总辐射能量基本上都高于东部平原地区.西藏拉萨紫外光照射强度6～9月份的平均紫外光照强度295.375 MW／m2，年日照时间约为3006h，计算得年总紫外线量为246.638 MJ／m2.据文献［1］可知，青海省果洛州大武镇的年总紫外线辐射量为350 MJ／m2，上海年紫外线辐射量为149.6 MJ／m2.

采用江苏艾默生试验仪器科技有限公司SN-500型氙灯箱为紫外线光源，灯管功率1.8kW，灯管距混合料距离80cm.混合料松散摊铺，摊铺面积0.8m2，光谱在（350～450nm）之间.在沥青混合料表面放置TN-2340型（台湾泰纳牌）紫外线强度计，测得实际紫外线强度为580 W／m2.

老化箱沥青混合料表面光强×老化时间（单位：s）=室外紫外线年总辐射量.通过计算：580W／m2×6.98d×24h×3600s=3.5×107J／m2，即室内6.98d老化大约相当于青海省果洛州大武镇一年的总紫外线辐射量；室内5d相当于西藏地区一年的总紫外线辐射量.

2 道路沥青材料光氧化原理

沥青材料主要是由C，H，O，N 等元素组成的大分子有机物，它所具有的各种特性都是由这种大分子结构所赋予的.C，H，O，N 等元素要形成稳定的大分子结构，它们之间就需要一定的结合能，即键能，其值越高则结构越稳定.光实际上是由带能量的光子组成，波长不同其能量也不一样.而紫外线UV-A 波长为320～400nm，UV-B 波长为290～320nm.沥青材料中主要是C—H，C—C和C—C 键，虽然C=C 键能总值615.3 kJ／mol，但是它断裂第1 个键的能量仅为270 kJ／mol，相当于420nm 波段光的能量，因此沥青材料很容易受到紫外线光氧化作用.

在氙灯老化箱中，每3h翻拌一次混合料.这样，混合料在一定时间后，集料表面层沥青膜老化完全.随着老化的继续，仍会有部分紫外线穿透上面层沥青膜，沥青膜下面层的沥青缓慢老化，紫外老化程度越来越慢.

3 试验方案

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对原材料进行检验后均符合规范要求，SBS，SBR 改性沥青指标如表1，改性剂掺量均为4.5%，最佳比油石比分别为5.1%，3 种混合料均采用表2所列的AC-16C 型级配.将3类沥青混合料均匀摊铺在3个搪瓷盘中，摊铺密度21kg／m3，调节氙灯老化箱温度到85 ℃恒温，对3种沥青混合料进行48h老化试验，每3h将试件翻拌一次，每隔6h取出定量3类混合料.根据我国《沥青和沥青混合料试验规程》，改性沥青混合料适当加热后分别成型马歇尔试件和车辙板，基质沥青混合料直接成型，做常温（25 ℃）劈裂试验以及60 ℃车辙试验.

3.1 试验指标

1）将试件放在25 ℃水浴1.5 h，以50 mm／min的条件测试老化程度不同的马歇尔试件的劈裂强度.计算公式为

式中：RT为最大拉应力即劈裂强度，MPa；PT为试验荷载的最大值，N；h为试件高度，mm.

2）动稳定度DS指沥青混合料产生单位变形时的轮载作用次数，次／mm.动稳定度越大，沥青混合料高温稳定性越好.我国现行规范的计算方法如下.

式中：d1为对应于时间t1的变形量，mm；d2为对应于时间t2的变形量，mm；C1为试验机类型修正系数，取1.0；C2为试件系数，取1.0；N为试验轮往返碾压速度，取42次／min.

3.2 试验结果

3.2.1 劈裂试验结果

由实验得出的数据经求平均值后，结果见表3～4.

表3 沥青混合料劈裂强度 MPa

表4 沥青混合料老化后强度比

3.2.2 车辙试验结果

实验数据经处理后见表5～6.

表5 不同沥青混合料老化前后动稳定度 次／min

表6 不同沥青混合料老化后动稳定度增长率 %

4 试验结果分析

4.1 劈裂强度试验结果分析

将以上结果绘制成折线图如图1.为了更直观比较老化前后强度变化，用混合料老化后的强度比老化前的强度制成直方图见图2.

图1 沥青混合料劈裂-老化时间关系

图2 沥青混合料老化时间-劈裂强度比关系

由图1～2可看出：AH-16沥青混合料，在老化前14h强度快速增加到最大值，随着老化时间增加，强度缓慢降低.SBR-16沥青混合料，在老化至26h强度达到最大值，随老化时间增加，混合料强度缓慢降低SBS-16混合料，在老化达33强度达到最大值，随之老化时间的增加，强度缓慢降低；沥青混合料在紫外线光照下老化后强度增长率：基质沥青＞SBR 改性沥青＞SBS改性沥青；劈裂强度达到最大后开始有所降低，说明沥青混合料受老化影响抵抗变形的能力减弱，基质沥青减弱较快.综上所述，改性沥青混合料在光照老化作用下强度变化较基质沥青混合料的变化小，老化速度慢，说明了改性沥青混合料的抗紫外线老化性更好，而SBS改性沥青混合料好于SBR 改性沥青混合料.

将混合料老化后劈裂强度达到最大值得点叫做混合料的老化点.基质沥青混合料，SBR 改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料的老化点分别是14，26，33h.基质沥青混合料达到老化点时相当于西藏地区老化30d，青海地区43d；SBR改性沥青混合料达到老化点时相当于西藏地区老化56.5d，青海地区79d；SBS改性沥青混合料达到老化点相当于西藏地区72d，青海地区100d.

4.2 车辙动稳定度试验结果分析

图3为混合料动稳定度-老化时间关系，图4为动稳定度增长率-老化时间关系.

图3 混合料动稳定度-老化时间关系

图4 动稳定度增长率-老化时间关系

由图3～4 可见，AH-16C 沥青混合、SBR-16C沥青混合料、SBS-16C 级配混合料试件的动稳定度在随老化时间的增加均有增加，并且出现最大增幅的时间快慢：基质沥青＞SBR 改性沥青＞SBS改性沥青，说明基质沥青混合料较容易老化，改性沥青耐老化效果好.由图4可知，AC-16C混合料动稳定度增长率：基质沥青＞SBR 改性沥青＞SBS改性沥青，说明SBS改性沥青混合料性质稳定，长期耐老化性能好.

5 结 论

1）紫外线老化对沥青混合料的力学性能影响显著.紫外老化后沥青混合劈裂强度总体增大，到达老化点后的劈裂强度有所降低.AC-16C 混合料出现老化点的顺序：基质沥青＞SBR＞SBS；沥青混合料劈裂强度的增长率：基质沥青＞SBR＞SBS；沥青混合料劈裂强度的降低率：基质沥青＞SBR ＞SBS.

2）紫外线老化作用下，3种沥青混合料的高温抗变形能力都有提升抗车辙能力增大.车辙稳定度出现拐点的时间基本与老化点时间一致；车辙稳定度的增长幅度：基质沥青＞SBR＞SBS.

3）通过室内试验模拟了室外紫外线老化作用，换算出了相当于青海和西藏地区紫外老化时间的室内当量老化时间，对以后的研究提供了理论支持.

4）提出了老化点的概念，即沥青混合在紫外老化作用后的劈裂强度到达最大值的时间，对研究沥青混合料老化规律有着重要意义.

5）基质沥青混合料抗紫外线效果差，性质不稳定，而改性沥青混合料的耐紫外线老化能力好，性质稳定，SBS 沥青混合料的耐老化效果优于SBR，适合在高紫外线地区推广应用.

［1］叶 奋，黄 彭.强紫外线辐射对沥青路用性能的影响［J］.同济大学学报：自然科学版，2005，33（7）：909-913.

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［3］谭忆秋，王佳妮.沥青结合料紫外老化机理［J］.中国公路学报，2008，21（1）：19-20.

［4］刘黎萍，董文龙，孙立军.SBS，SBR 改性沥青抗紫外线老化性能对比［J］.建筑材料学报，2009（12）：676-678.

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［6］钱春香，解建光.SBS和SEBS改性沥青及混合料抗老化性能［J］.东南大学学报：自然科学版，2005，35（6）：945-948.

［7］吴 欢，梁乃兴.SBR 改性沥青混合料紫外光照老化分析［J］.重庆交通学院学报，2007，26（4）：72-74.

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