抗紫外光老化剂对民用机场沥青道面用沥青性能的影响＊

陈鸿毅，李 平，胡雨铭

（1．云南省公路科学技术研究院，昆明650000；2．长沙理工大学 交通运输工程学院，长沙410004）

沥青混凝土面层作为机场道面重要的组成结构，其使用状况好坏直接影响道路营运中的耐久性．特别是我国一些高维度、高海拔地区，沥青面层长期暴露在强紫外辐射下，造成了严重的光老化问题，研究其老化性能对预防和解决机场道面问题，提高道面耐久性能具有积极意义［1］．但现有相关规范中仅考虑了热氧老化对沥青性能的影响，如采用旋转薄膜烘箱试验（Rolling Thin Film Oven Test，RTFOT）和压力老化容器加速沥青老化等试验，并未涉及紫外光的影响，无法反映光照强烈地区沥青材料的老化特征．而要提高沥青抗紫外老化能力可通过三种途径：选择抗紫外老化能力强的沥青类型、增强路面反光能力及在沥青中掺加抗紫外老化剂等外掺剂，其中抗紫外光老化剂是常用的做法，具有改善效果明显、施工方便等优势，尤其是受阻胺类老化剂的应用更为普遍．国内外研究人员对此进行了大量研究．文献［1］对高寒区耐紫外老化雾封层道面养护材料及技术进行了研究；文献［2］研究了热氧老化对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styrene Butadiene Styrene，SBS）改性沥青动力粘度的影响；文献［3］使用压薄膜样品进行了沥青粘结剂光降解试验研究；文献［4］研究了路面沥青复合抗紫外光老化剂的疲劳特性；文献［5］对沥青强紫外线光老化性能进行了系统分析，给出了沥青强紫外光老化曲线；文献［6］合成了一种新型防老剂并对其进行了表征及抗老化性能研究；文献［7］对超分子结构层状双羟基复合金属氢氧化物（Layer Double Hydroxides，LDHS）材料耐老化路用沥青流变特性进行了研究，给出了紫外光照与沥青老化之间的关系模型；文献［8］系统分析了抗紫外光老化剂对沥青混合料路用性能的影响．以上研究均未考虑实际紫外光强分布特性，光照条件设定固定，为此，文中基于室内紫外光老化箱模拟实际光照状况，系统研究不同沥青使用性能受紫外老化的影响特性，以期得到强光照地区沥青性能受紫外光照的变化规律，为合理使用抗紫外光老化剂提供参考．

1 试验材料及方法

按照《民用机场沥青混凝土道面施工技术规范》（MH 5011—1999），选用了两类沥青：盘锦基质沥青，SBS改性沥青（SBS4303添加剂和壳牌基质沥青的改性组合）进行研究．文中选用抗紫外老化剂GW-944（北京加成助剂研究所生产）进行研究，配比分别为沥青质量的0%，0．3%，0．5%和0．7%．试验选用RTFOT和室内加速紫外光老化试验箱，具体试验方案为

1）为模拟生产拌合过程中发生的老化，使用经RTFOT后的短期老化沥青试样，加热SBS改性沥青，确保沥青温度位于130～150℃，缓慢地加入紫外光老化剂，利用玻璃棒持续缓慢搅拌直至其均匀稳定地分散后备用．利用旋转薄膜烘箱将制备好的试样盛样皿放置转盘上，启动转盘，恒定烘箱温度在163 ℃，其转数应控制在（15±0．2）r·min-1以实现短期老化．

2）为模拟野外紫外光老化环境条件，室内紫外光老化试验箱配置6根紫外光管，间距7cm，制备沥青试样厚1．5mm，平放于于室内紫外光老化试验箱内，灯管距沥青试样10cm，环境温度控制为60℃［4］，以模拟年辐射强度的作用．

2 试验结果及分析

2．1 紫外光老化剂对沥青高温性能影响分析

使用动态剪切流变仪（Dynamic Shear Rheometer，DSR）评价沥青高温性能，分析沥青试样在不同测试温度、频率等条件下流变性能．DSR试验时采用应变控制模式（应变为10%、模板为25 mm、间距为1mm、角速度为10rad·s-1），对紫外线光老化前后的基质沥青和改性沥青试样进行性能指标测试，试验选用温度扫描（5～85℃）对抗车辙因子（G＊／sinδ）、相位角（δ）加以分析研究［5］．

2．1．1 紫外光老化剂对抗车辙因子的影响

G＊／sinδ作为评价沥青高温性能的指标，G＊／sinδ越大，沥青流动变形越小，说明抗车辙能力越强．表1为不同GW-944掺量下两类沥青老化前后G＊／sinδ随温度的变化情况．

从表1中发现以下规律：① 加入GW-944抗光老剂后一定程度上提高了沥青的高温性能，GW-944类主要作用于沥青的光老化后阶段，而对于光老化前两类沥青的影响均不显著，影响效果随着温度的升高逐渐降低；②沥青类型不同时，GW-944对沥青老化后G＊／sinδ变化规律影响并不一致．随掺量增加，光老化后基质沥青G＊／sinδ呈凸曲线状；随GW-944掺量增加，老化后SBS改性沥青抗车辙因子G＊／sinδ先减小后增加，在稳定剂掺量为0．7%时对高温性能改善明显．说明较于基质沥青GW-944对改性沥青高温抗车辙性的提升更稳定有效．

表1 抗车辙因子G＊／sinδ随温度和掺量的变化值Tab．1 The values of G＊／sinδwith the change of temperature and contents

为定量分析GW-944抗老化剂对老化前后两类沥青G＊／sinδ的具体影响，分别计算了两种沥青不同GW-944掺量下相对于未掺时G＊／sinδ的增值和增幅比例，增幅比例曲线如图1所示．

从图1得出以下两点：①GW-944在68℃前对两沥青高温性能改善效果较好，且对SBS改性沥青的改善效果更佳．GW-944改善效果均随温度升高逐步减低，特别对于老化后两类沥青68℃之前对高温性能改善作用最佳，在67℃时对其改善幅度已经不存在，尤其对老化后基质沥青，0．7%掺量下整体改善幅度为26%，而改性沥青整体改善幅度为5．08%，相对改善效果优于基质沥青；②GW-944掺量的变化对基质沥青高温性能改善不稳定，对改性沥青在掺量0．7%时高温性能改善作用尤为显著．老化前基质沥青随GW-944掺量增加G＊／sinδ增加幅度先增加后减小，掺量为0．5%时对高温性能改善作用明显．对于老化后基质沥青，掺量为0．3%时对其改善幅度已经不存在，尤其掺量为0．5%时，整体改善幅度为-13%，改善反而最差，因此无法给出推荐掺量．改性沥青随GW-944掺量增加车辙因子G＊／sinδ增幅也增加，掺量为0．7%时对高温性能改善作用明显，整体增加约为15%．

2．1．2 紫外光老化剂对相位角的影响

相位角δ是评价沥青胶结料弹塑性程度的重要指标，δ值越小反应沥青的弹性大、塑形越小，在外力作用下产生的永久变形越少，一定程度上可以反应沥青高温性能．图2～3分别为不同受阻胺类GW-944掺量下两类沥青δ随温度的变化趋势［7］．

图1 不同掺量下两类沥青G＊／sinδ增加幅度Fig．1 The increase of G＊／sinδof two kinds of asphalt with different dosage

图2 基质沥青光老化前后相位角δ变化趋势Fig．2 The trend of phase-angle of the base asphalt before and after aging

分析图2～3后得出以下两点：① 掺入GW-944后，对于改性沥青相位角的降幅效果较基质沥青明显．主要表现为老化前基质沥青受到地影响几乎可被忽略，而老化前改性沥青有受一定程度降幅，但区分度仍远差于老化后的沥青；② 掺量变化对两沥青的影响规律．对于基质沥青，对相位角δ呈现先增大后减小的趋势，其中掺量为0．5%时最大，掺量为0%时最小．对于改性沥青，最小值以70℃为分界点，70℃之前0．7%时δ最小，在70℃后掺量为0．5%时δ最小．

2．2 紫外光老化剂对沥青疲劳性能影响分析

沥青的疲劳性能指标采用损失剪切模量，又称作疲劳因子，疲劳因子越大表明重复荷载作用下的能量损失越多，因此较小疲劳因子代表较好的疲劳性能，为进一步研究抗紫外老化剂对沥青性能的影响，对其疲劳性能进行了分析．基质沥青老化前后疲劳因子变化趋势如图4所示，改性沥青老化前后疲劳因子变化趋势如图5所示．

图3 改性沥青光老化前后相位角δ变化趋势Fig．3 The trend of phase-angle of the modified asphalt before and after aging

图4 基质沥青老化前后疲劳因子变化趋势Fig．4 The trend of fatigue factor of the base asphalt before and after aging

图5 改性沥青老化前后疲劳因子变化趋势Fig．5 The trend of fatigue factor of the modified asphalt before and after aging

由图4～5可得以下两点：① 掺入GW-944后，基质沥青抗疲劳性能下降．基质沥青老化前后的疲劳因子均升高，降低抵抗疲劳性能，与未掺光老化剂的相比，掺量按0．3%，0．5%和0．7%依次增加时，原样基质沥青疲劳因子整体性增加比例依次为17．6%，28．7%和29．1%，呈逐步增大；与未掺光老化剂的相比，掺量按0．3%，0．5%和0．7%依次增加时，光老化基质沥青疲劳因子整体性增加比例依次为28．7%，22．1%和7．8%；② GW-944掺量为0．5%时改性沥青疲劳性能的改善效果最显著，0．7%的掺量次之．与未掺光老化剂相比，掺量按0．3%，0．5%和0．7%依次增加时，原样改性沥青疲劳因子整体性增加比例依次为-7．6%，-46．7%和-11．3%，先减小后增加；与未掺光老化剂相比，掺量按0．3%，0．5%和0．7%依次增加时，光老化改性沥青疲劳因子整体性增加比例依次为-1．0%，-16．9%和-12．2%，先减小后增加．

GW-944推荐采用掺量为0．5%～0．7%改善改性沥青抗疲劳能力，但对基质沥青不宜使用．

2．3 紫外光老化剂对沥青老化性能影响分析

紫外光老化剂的主要作用是改善沥青的老化性能，GW-944对沥青的影响分析最终是为了评价沥青抗老化性能．试验分别采用老化后15℃的延度、10℃的延度评价基质沥青和改性沥青的老化性能，延度越大表征抗老化性能越强，测试结果如图6所示．

图6 不同掺量下两类沥青老化前后延度变化趋势Fig．6 The trend of ductility of two kinds of asphalt with different dosage before and after aging

由图6可得以下三点：① 掺加GW-944后改善了沥青尤其是改性沥青的抗老化性能．掺加光老化剂后，两类沥青的延度均有一定程度的升高，即反映了抗老化性能的提升，对基质沥青老化前后的延度有提升但效果不明显；对改性沥青延度在老化前后均达到比较满意的改善效果；②GW-944的掺量在0～0．3%范围内延度改善效果一般，掺量为0．3%～0．7%时抗老化效果显著．特别是对于改性沥青，掺量处于0．3%～0．7%范围时延度的提升幅度明显大于0～0．3%范围时延度的提升；③推荐GW-944仅对改性沥青抗老化性改善，且掺量为0．7%．GW-944对基质沥青延度提升效果不明显，实际应用中不具备经济性，而对改性沥青改善效果更为明显；尽管改性沥青老化前在掺量为0．5%下改善效果最显著，但实际工程中要满足沥青长久使用下抗老化性能，因此以改性沥青老化后延度提升效果最明显的掺量，即掺量为0．7%作为推荐值．

3 结 论

1）GW-944可改善沥青高温性能，主要作用于沥青的光老化后阶段，对于光老化前两类沥青的影响均不显著，影响效果随着温度的升高逐渐降低．GW-944不宜掺入基质沥青，推荐用于改性沥青的性能改善，且掺量为0．7%．

2）GW-944掺量的变化对基质沥青高温性能改善不稳定，推广使用困难．改性沥青在GW-944的掺量为0．7%时高温性能改善作用最显著，适宜推荐．GW-944对基质沥青抗疲劳性能不利，不宜推荐使用．GW-944掺量为0．5%时对改性沥青的改善效果最优，0．7%的掺量次之．GW-944对基质沥青抗老化性能提升效果不明显，应用中不具备经济性．

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