青藏高原地区沥青路面抗光老化性能研究

唐靖武 田荣燕 陈红 吴金岳

摘 要：公路是我国现代化建设的重要基础设施之一，是经济发展的动脉。“十二五”时期，沥青材料广泛运用于公路建设，但沥青材料的老化问题不容小觑，尤其是青藏高原地区的老化问题。因此，文章以西藏拉萨的气候条件为基础，通过三大指标的变化情况研究青藏高原地区沥青路面的光老化速率以及光屏蔽剂纳米TiO2改性沥青路面的抗光老化性能，消除模拟环境带来的诸多误差，旨在为青藏高原地区公路建设的沥青材料中纳米TiO2掺量提供重要参考依据。结果表明，纳米TiO2改性沥青具有抗紫外线光老化的性能，且在青藏高原地区沥青路面中的最佳掺量约为1.4%。

关键词：纳米TiO2掺量；三大指标；改性沥青；抗光老化；青藏高原；拉萨

中图分类号：U414 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）19-0050-04

Abstract： Highway is one of the important infrastructures in China's modernization and an artery for economic development. During the "Twelfth Five-Year Plan" period， asphalt materials are widely used in highway construction， but the aging of asphalt materials cannot be underestimated， especially the aging of the Qinghai-Tibet Plateau area. Therefore， based on the climatic conditions in Lhasa， Tibet， the photoaging rate of asphalt pavement in the Qinghai-Tibet plateau area and the anti-aging properties of the nano-TiO2 modified asphalt pavement are studied through the changes of the three major indicators， eliminate many errors caused by simulation environment. The purpose of this paper is to provide an important reference for the content of nano-TiO2 in the asphalt material for the highway construction in Qinghai-Tibet plateau. The results show that the nano-TiO2 modified asphalt has anti-ultraviolet photoaging performance， and the best content in the asphalt pavement in the Qinghai-Tibet Plateau is about 1.4%.

Keywords： nano-TiO2 content； three major indexes； modified asphalt； anti-photoaging； Qinghai-Tibet Plateau； Lhasa

引言

公路是現代化建设的重要基础设施，随着我国经济技术的飞速发展，公路建设越来越受到重视，地处西南边陲的西藏也在大量建设公路路。“十二五”期间，我区公路总里程达到7.8万公里，“十三五”期间还将大量建设立体交通网络，沥青材料得到了广泛的应用。由于我区气候环境条件异常恶劣，大大缩短了沥青路面的使用年限，沥青的老化已经严重限制了经济的发展，公路的发展模式也就由建设逐渐转变成了养护，树立了“公路养护与建设并重”的理念。

西藏拉萨市地处高原，海拔约为3658米，而平原海拔仅为几十米到几百米左右。众所周知，高原上的气候条件、自然环境、地理环境等都极其恶劣，尤其强紫外线是引起沥青路面老化的罪魁祸首。因此，本文基于西藏拉萨的气候条件，主要研究沥青路面在青藏高原地区的抗光老化性能，实现沥青路面的养护目标，保障我区人们的出行安全。

国外对沥青老化的研究已领先国内100年左右，技术相对成熟，但大部分都是研究沥青光氧老化的机理，并没有大量研究光屏蔽剂对沥青材料光老化的改善作用。国内前人们大量研究的都是平原上光屏蔽剂改性沥青的数据，仅有少部分是强紫外线地区的数据，青藏高原地区的数据更是寥寥无几。基于此，本文将在前人的基础上研究光屏蔽剂纳米二氧化钛（TiO2）改性沥青[1]材料在青藏高原公路建设上的应用与发展，延长沥青路面的寿命，减少沥青材料和纳米TiO2的浪费。

抗光老化性能最佳的纳米TiO2改性沥青能为青藏高原地区公路建设的沥青材料中纳米TiO2掺量提供重要参考依据；适量纳米TiO2对普通沥青和SBR改性沥青光老化的改善程度能为青藏高原地区公路建设选择沥青材料提供重要的参考依据。

1 西藏地区紫外线辐射概况

沥青老化主要有光氧老化和热氧老化两种形式，而强紫外线辐射是沥青路面长期老化的主要因素，尤其是在我国的西部地区，如青藏高原一带，昼夜温差大，空气稀薄，阳光透过大气层的能量损失较少，紫外线不仅辐射强烈，全年辐射时间还较长。通常是我国中东部地区的3-4倍，年辐射量非常大。因此，高原环境下沥青的老化主要是光老化，可忽略因温度而引起的热氧老化，便于利用高原自然环境对沥青进行试验探究，消除模拟环境带来的诸多误差，使结论更具可信度。

2 试验方案

2.1 试验方法

将各比例的纳米TiO2改性沥青制作成试模，每种比例的沥青试模若干，将其置于房顶，利用自然环境老化3个月、6个月、9个月、12个月，分别对其三大指标进行试验分析，最后对数据进行分析整合，找出各比例纳米TiO2对沥青三大指标的影响情况，并得出相应结论。

2.2 SBR改性沥青老化试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）对沥青三大指标（即针入度、延度、软化点）进行试验分析，以下关于沥青三大指标的试验分析均采用此规程。首先将SBR改性沥青初始的三大指标分析出来，用作沥青老化指标的参照数据；再将该沥青制成形状、大小等都相同三个试块，将其置于房顶，利用拉萨自然的紫外线进行辐射；最后每隔3个月，即从辐射开始算起的第3、第6、第9、第12个月分别对该沥青的三大指标进行试验分析，取三组的平均值作为最终的试验结果[2]，试验结果如表1所示。

由表1可知，沥青的老化程度越大，其针入度和延度越小、软化点越高，最后趋于稳定。因此，可用沥青的三大指标大致评判沥青的老化程度，也可根据加入纳米TiO2后沥青三大指标的变化情况评判其抗光老化性能。

2.3 原料选择及技术性质[1]

基于青藏高原的气候条件，选用SBR（II-A）道路聚合物改性沥青，经过试验检测，其各项技术标准均符合规范的相应要求。选用纳米TiO2的主要技术性质如表2所示。

2.4 纳米TiO2掺量区间选择

在张春青等人的研究基础上可知，纳米TiO2掺量在[0，3%] （质量比，下同）区间上时，对沥青抗光老化性能的改善效果趋势大致为先增加，后降低，再增加[3]，考虑到经济性原则，本文将在先增加后降低的区间内进行更细化得研究，即在区间[0，2%]内。

2.5 纳米TiO2屏蔽原理

纳米TiO2具有良好的抗紫外线性能，主要是因为它屏蔽紫外线的作用。纳米TiO2中Ti元素电子结构存在价电子和空轨道，电子容易吸收能量而发生跃迁。当受到紫外线辐射时，大部分能量被吸收[4]，价带的电子被激发传至导带，进而耗散了大量能量，达到了吸收紫外线的目的[1]。此外，金红石型纳米TiO2的折射率较高，当受到光的辐射时，能将光散射到各个方向，损失光的大部分能量，最后仅有一小部分能量才会被吸收，大大减缓了沥青质的化学反应速率，进而抑制了沥青材料的老化；它的粒径越小，散射能力越大，对光的屏蔽作用也就越大。因此沥青材料中添加光屏蔽剂（如纳米TiO2等）将会大大提高沥青路面抗紫外线光老化的性能[1]。

2.6 制备纳米TiO2改性沥青

将SBR（II-A）改性沥青放入烤箱，将其加热至160℃；将融化的沥青取出并进行称重，倒入搅拌器中；按试验要求称取各种比例的金红石型纳米TiO2，放入烧杯中；开启搅拌机，并用小勺将光屏蔽剂缓缓加入沥青中，等沥青中的气泡基本排出后再加入下一勺，重复此过程，直至完全加入为止，在搅拌过程中要检测沥青的温度，务必维持在160℃左右；在该温度下继续搅拌大约20min；搅拌结束后，应该缓慢关闭机器，避免沥青中的气泡不能完全排除[1]；将沥青放入烘箱中再加热半个小时，取出沥青，改性沥青制作完成。

2.7 制备试模

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的规定，制备沥青三大指标试模，进行紫外线光老化试验，可减少反复加热沥青导致其热氧老化对紫外线光老化结果的影响。制模过程中，应尽量少的搅拌，防止过多空气进入试样影响结果。

3 试验结果与分析

3.1 针入度

谭忆秋等人通过大量的试验证明，沥青质的含量可以用作衡量沥青老化程度的标准。而针入度试验则是国际上普遍采用测定黏稠沥青稠度的一种方法，因此可采用针入度试验来分析不同掺量纳米TiO2改性沥青的抗紫外線老化能力，试验结果如表3和图1所示[1，7-9]。

试验数据分析整理过程所用的折线图（下同）只表示不同掺量纳米TiO2改性沥青各指标的大致走向，并非实际斜率的走向图，各掺量区间内斜率变化与否还需要做大量试验才能得出结论。

由表3可知，随着紫外线辐射时间的增长，普通SBR改性沥青的针入度大幅度减小，不同掺量纳米TiO2改性沥青的针入度亦随着紫外线辐射时间的增长而减小。

由图1中各折线及其走向对比分析可知，添加纳米TiO2的SBR改性沥青分别经过3、6、9、12个月紫外线辐射后，其针入度均有不同程度的损失，损失程度除个别外都小于未掺纳米TiO2的沥青[1]。当纳米TiO2掺量在[1.4%，1.6%]区间内时，无论经紫外线辐射多少个月，沥青的针入度损失程度都是最低的，辐射时间对其效果的影响不大。在区间[1.4%，1.6%]中，此数据分析图上沥青的针入度是逐渐减小的，但在此区间内，沥青针入度有可能先增大再减小，由于仪器精度的限制，针入度损失程度的最小值具体是多少，本文不再深入研究（下同）。由针入度变化情况可知纳米TiO2改性沥青具有抗紫外线光老化的能力，青藏高原地区沥青路面的纳米TiO2最佳掺量约为1.4%。

3.2 延度

延度是沥青低温性能的重要指标。沥青的延度和软化点，尤其是沥青在老化后的延度和软化点与沥青路面的抗裂性能有着非常密切的关系[1]，因此通过延度试验来评判纳米TiO2改性沥青的抗光老化性能是可行的，且是行之有效的。试验结果如表4和图2所示。

由表4和图2对比分析可知，当沥青未经过紫外线辐射时，随着纳米TiO2掺量的增加，延度有所损失，且掺量小于1%时，损失程度较大。添加纳米TiO2的SBR改性沥青经过不同时间的紫外线辐射后，其延度均有不同程度的损失，损失程度均小于未掺纳米TiO2的沥青，且辐射时间越长，效果越明显。同样，当纳米TiO2掺量在[1.4%，1.6%]区间内时，无论经紫外线辐射多少个月，沥青的延度损失程度都是最低的。由延度也可得知，纳米TiO2改性沥青具有抗紫外线光老化的能力，并再次证明青藏高原地区沥青路面的纳米TiO2最佳掺量约为1.4%。

3.3 软化点

沥青软化点既是反映沥青材料热稳定性的一个指标，也是沥青条件粘度的一种量度[1]。在老化过程中，沥青材料的有机成分会发生变化，从而影响其软化点，因此可采用软化点试验来分析纳米TiO2改性沥青抗光老化能力。试验结果如表5和图3所示。

由表5和图3对比分析可知，未受到紫外线辐射时，掺入纳米TiO2对沥青的软化点几乎没有影响，经不同时间的紫外线辐射后，软化点均比未照射时有所提高，但纳米TiO2改性沥青软化点的提高程度基本小于或等于SBR改性沥青[1]，且紫外线辐射时间越长，软化点提高程度越大；当纳米TiO2掺量约为1.2%时，其提高程度最小，效果最好。因此，纳米TiO2对沥青软化点的影响程度并不大，只是能改善沥青抗紫外线光老化的性能。

4 结束语

通过对上述试验数据进行分析整合，可得出以下四个结论：（1）可以通过沥青三大指标的变化情况来分析纳米TiO2改性沥青抗光老化的性能。（2）沥青中掺入纳米TiO2，对三大指标均有一定的影响，对延度的影响最为明显，对软化点几乎没有影响[1]。因此可采用纳米TiO2改性沥青提高其延度，确保沥青的抗裂性能。（3）综合纳米TiO2对沥青三大指标的影响程度及各指标对应的最佳掺量等因素，可知青藏高原地区沥青路面的纳米TiO2最佳掺量约为1.4%。（4）当纳米TiO2掺量为1.4%时，对普通沥青抗光老化性能的改善效果低于SBR改性沥青。因此青藏高原地区的沥青材料宜选用已改性沥青。

综上所述，沥青材料在青藏高原上能得到广泛的运用，西藏道路“白改黑”势在必行，瀝青路面终将取代水泥混凝土路面，对于抗光老化等性能更优良的沥青材料，还需要科研工作者的大量研究。

参考文献：

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