彩色沥青混合料紫外线老化影响因素的灰色关联分析

包惠明, 迟恩涛, 叶腾飞

(桂林理工大学 土木与建筑工程学院， 广西 桂林 541004)

凭借良好的排水性能和色彩丰富的特点,彩色排水沥青路面被逐渐地应用于城市道路中.为了满足排水功能，彩色排水沥青路面通常具有较大的空隙率，但这更容易使彩色排水沥青路面受外界因素的影响而老化[1]，尤其是太阳光中的紫外线.目前，学者已开始关注彩色沥青的抗紫外线老化性能.何文华等[2]根据紫外光老化前后马歇尔稳定度和流值的变化,评价沥青混合料的高温稳定性和抗紫外光老化能力.二氧化钛(TiO2)作为一种具有高透明性、高分散性、高折光性和高光活性的阻隔紫外线材料，引起了学者的关注.孙式霜等[3]以纳米TiO2粉体作为紫外线吸收抗老化剂，证实其对紫外线有强吸收作用,能够有效地增强沥青抗紫外线老化的性能.郑木莲等[4]为了提高沥青路面夏季高温稳定性,缓解城市热岛效应,将一种新型热反射涂层涂布于沥青路面,研究表明白色热反射涂层的降温效果优于灰色涂层.在此基础之上，张争奇等[5]研发一种彩色反射式沥青路面涂层，并测试涂层对路用性能的影响，最终从经济效果和降温效果的角度考虑,推荐红色、绿色及黄色的填料.Zhang等[6]采用薄膜烘箱试验、压力老化试验和紫外辐射容器分别模拟粘结剂的短期、长期热氧化和光氧化老化，与空白试样相比，热致变色沥青在3种老化模式下均表现出较好的抗老化性能，加入质量分数为6%的红色热致变色粉的沥青在粘结剂中表现出最佳的抗老化性能.Zheng等[7]在高原地区研究无机纳米TiO2高弹性沥青混合料的性能，证实纳米TiO2粉末的加入可以有效地提高高弹性沥青的抗紫外线老化性能.

目前，大多数研究都是针对彩色沥青紫外线老化的一个影响因素或独立的几个影响因素进行分析，缺乏综合性，且关于彩色沥青的颜色、二氧化钛掺量、紫外线照射时间和空隙率等影响因素的研究较多[8-10].灰色关联理论[11]是根据完全已知、完全未知或部分已知的信息，将系统分为白色、黑色或灰色系统，运用数学分析的方法解决数据匮乏情况下的系统问题，可避免样本量及计算量较大的问题[12-13].基于此，本文采用灰色关联分析法，对颜色、空隙率、二氧化钛掺量和紫外线照射时间等彩色沥青混合料紫外线老化的影响因素进行分析.

1 灰色关联分析法

灰色关联理论是一种新型工程系统理论[14]，其主要研究对象是信息不完全的不确定系统，主要包括元素信息不完全、结构信息不完全、边界信息不完全和运行行为不完全等4种情况.灰色关联理论运用少与多的辩证统一，局部与整体的转化，对少量已知信息进行筛选、加工、延伸和扩展，深化对系统的认识，从众多因素中提炼系统的主要影响因素.

灰色关联分析法有以下6个步骤.

步骤1参考数列和比较数列的确定.设参考数列为X0={X0(t)|t=1,2,3,…,N}，分析数列为Xi={Xi(t)|t=1,2,3，…,N},i=1,2,3,…,n.

步骤2参数初始化.为方便分析，并保证影响因素的等效性和同序性，将参数进行无量纲处理，常用的无量纲处理方法有初值化处理、均值化处理、中心化处理、极小化处理、极大化处理和极差化处理[15].文中采用中心化处理方法，即

(1)

设中心化处理后的参考数列Y0={Y0(t)|t=1,2,3,…,N}；分析数列为Yi={Yi(t)|t=1,2,3,…,N},i=1,2,3,…,n.

步骤3计算绝对差.各参考数列与分析数列在各点的绝对差为

Δi(t)=|Y0(t)-Yi(t)|.

(2)

步骤4计算关联系数.Y0与Yi的关联系数为

(3)

步骤5计算关联度.Y0与Yi的关联度ri为

.

(4)

步骤6确定主要影响因素.Yi与Y0的关联度ri越大，表明Yi与Y0的发展趋势越接近，Yi对Y0的影响越大.按照关联度ri对影响因素进行排序，最终确定主要影响因素.

2 试验材料与设计

2.1 试验材料

1) 基质沥青.采用“东海牌”70#A级沥青(中国石化股份有限公司(茂名))，其基本技术指标，如表1所示.

表1 70#A级沥青的基本技术指标Tab.1 Basic technical indexes of 70#A asphalt

2) 彩色乳化沥青.采用彩色乳化沥青(北京市中远海运国际贸易有限公司)，其基本技术指标，如表2所示.

表2 彩色乳化沥青基本技术指标Tab.2 Basic technical indexes of colored emulsified asphalt

3) 纳米TiO2.采用锐钛矿型纳米TiO2(河北省南宫市鑫盾合金焊材喷涂有限公司)，其为白色粉末状，质地柔软，无嗅无味，遮盖力和着色力强，溶点为1 560～1 580 ℃，不溶于水、稀无机酸、有机溶剂和油，微溶于碱，溶于浓硫酸.

4) 集料.采用广西某采石场压碎值较高、针片状较低、表面纹理良好的石灰岩作为集料.石灰岩集料的筛分结果，如表3所示.表3中：l为粒径；ρa为表观相对密度；ρv为毛体积相对密度；ηw为吸水率；ηm为压碎值；δl为针片状集料的质量分数.通过水洗法测定粗集料中小于0.075 mm的颗粒质量分数为0.48%，满足文献[17]不大于1.0%的要求.

表3 石灰岩集料的筛分结果Tab.3 Screening results of limestone aggregates

5) 紫外线老化设备.作为试验主要光源的紫外线灯泡采用E27型灯头的紫外线老化灯泡(德国欧司朗集团).紫外线灯泡的技术指标：功率为300 W；电压为230 V；紫外线波长为365～400 nm；长度为185 mm.

2.2 试验设计

在分析空隙率对紫外线老化性能的影响时，先根据主骨料空隙填充(CAVF)法[18-21]设计空隙率分别为20%，23%，25%的母体沥青混合料，分别记作级配1～3.矿料级配组成，如表4所示.表4中：η为矿料的通过率，表示各级粒径颗粒的分配情况;孔径1～9分别表示筛孔孔径为16.000，13.200，9.500，2.360，1.180，0.600，0.300，0.150，0.075 mm.

表4 矿料级配组成Tab.4 Aggregate gradation composition

图1 母体马歇尔试件Fig.1 Matrix Marshall test pieces

在最佳沥青用量的情况下，制备3种符合马歇尔试验指标级配的母体试件.级配1～3的实测空隙率分别为19.62%，22.68%，24.62%.3种级配的母体马歇尔试件，如图1所示.

3 紫外线老化影响因素分析

3.1 空隙率和紫外线照射时间

将母体马歇尔试件在紫外线灯下分别照射24，48，72 h，制备经过紫外线老化的试件.根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[16]，取未经紫外线老化和经过紫外线老化的试件进行沥青混合料马歇尔稳定度试验.将试件置于(60±1) ℃的恒温水槽中，保温40 min后，取出试件，使用马歇尔试验仪进行加载.

图2 不同级配试件的马歇尔稳定度Fig.2 Marshall stability of different graded test pieces

不同级配试件的马歇尔稳定度，如图2所示.图2中：SM为马歇尔稳定度；t0为紫外线照射时间.由图2可知：在紫外线的照射下，随着空隙率增大，马歇尔稳定度的降幅逐渐增大.这是因为空隙率越大，紫外线越容易穿透试件照射进其内部，在光、水和空气的作用下，沥青混合料逐渐老化，降低沥青与骨料之间的粘结性.由此可知，空隙率越大，紫外线对沥青混合料的老化影响越显著.

由图2还可知：随着紫外线照射时间的增加，马歇尔稳定度降幅逐渐增大，紫外线对沥青混合料老化程度的影响逐渐增大.

3.2 二氧化钛掺量和彩色沥青的颜色

在分析二氧化钛掺量对彩色沥青紫外线老化性能的影响时，首先，在红色乳化沥青中掺加质量分数(δ)分别为2.0%，2.5%，3.0%，3.5%，4.0%的TiO2，使用高速剪切分散机，以7 500 r·min-1的速度剪切分散30 min，直至沥青均匀稳定.然后，将TiO2改性乳化沥青在已经成型24 h之后的级配1母体试件上涂抹1 mm厚度，涂刷完成后，用玻璃棒在表面来回滚动，确保表面平整，在25 ℃室温下，固化12 h.TiO2改性红色乳化沥青马歇尔试件，如图3所示.

试件分别经过24，48，72 h紫外线老化处理后，根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[16]进行沥青混合料马歇尔稳定度试验.将经过紫外线老化处理的试件放置于(60±1) ℃的恒温水槽中，保温40 min后，取出试件，使用马歇尔试验仪进行加载.

改性红色乳化沥青的马歇尔稳定度，如图4所示.由图4可知：随着TiO2掺量的增加，经过紫外线照射的彩色沥青试件的马歇尔稳定度呈先上升后下降的趋势；当TiO2掺量为3.0%时，试件的马歇尔稳定度最高，且随着照射时间增长，马歇尔稳定度降幅相对较小，即此时的抗紫外线老化性能最佳.

图3 改性红色乳化沥青马歇尔试件 图4 改性红色乳化沥青试件的马歇尔稳定度 Fig.3 Modified red emulsified asphalt Fig.4 Marshall stability of modified Marshall test pieces red emulsified asphalt test pieces

经过紫外线老化处理后，取掺加TiO2的红色沥青马歇尔试件的表面颗粒进行电镜扫描，结果如图5所示.同时，通过线扫描进行Ti元素能谱分析，结果如图6所示.图6中：d为线性扫描的距离；CPS为计数率.

图5 电镜扫描微观照片 图6 Ti元素能谱分析 Fig.5 Micrograph of SEM scan Fig.6 Tielement energy spectrum analysis

在紫外线照射下，沥青与骨料之间略有分层，但整体依旧粘结在一起，并未造成十分严重的影响.TiO2在搅拌的过程中出现团聚的现象，同时，由于TiO2主要通过吸收、反射和散射紫外线达到屏蔽紫外线的目的，在这个过程中也会导致团聚现象的产生，若团聚严重，则不利于屏蔽紫外线.因此，应尽量增加搅拌时间，使TiO2分布得更加均匀.

在掺加TiO2的过程中，随着TiO2掺量的增加，红色乳化沥青逐渐变浅，参照色度图[22-24]，可找到该颜色对应的波长，以颜色波长对颜色进行量化，随着TiO2掺量的增加，颜色波长逐渐减小.因此，彩色沥青混合料的颜色也是紫外线老化的影响因素.

3.3 灰色关联分析

为了分析不同影响因素对彩色沥青混合料紫外线老化程度的影响，采用红色和绿色两种彩色乳化沥青，制备红、绿两种颜色的马歇尔试件，经过24，48，72 h的紫外线照射后，根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[16]进行沥青混合料马歇尔稳定度试验，将试件均置于(60±1) ℃的恒温水槽中，保温40 min后，取出试件，使用马歇尔试验仪进行加载，得到试验的原始数据.

对颜色波长、空隙率、二氧化钛掺量和紫外线照射时间与经紫外线处理后的试件的马歇尔稳定度进行灰色关联分析.其中，经紫外线处理后的试件的马歇尔稳定度为参考数列；颜色波长、空隙率、二氧化钛掺量和紫外线照射时间为比较数列.

试验的原始数据，如表5所示.表5中：X0～X4分别为马歇尔稳定度、TiO2掺量、颜色波长、空隙率及紫外线照射时间的原始数据.

表5 试验的原始数据

根据式(1)将原始数据进行无量纲化处理，实现参数初始化.指标初始值，如表6所示.表6中：Y0～Y4分别表示马歇尔稳定度、TiO2掺量、颜色波长、空隙率及紫外线照射时间的指标初始值.

表6 指标初始值

根据式(2)计算比较数列与参考数列在各点的绝对差.参考数列与比较数列的差数列，如表7所示.表7中：Δ1～Δ4为参考数列(经过紫外线老化试件的马歇尔稳定度)与比较数列(TiO2掺量、颜色波长、空隙率、紫外线照射时间)的绝对差.

根据式(3)计算经过紫外线老化试件的马歇尔稳定度与TiO2掺量、颜色波长、空隙率、紫外线照射时间的关联系数，分别记为ξ1～ξ4，结果如表8所示.

将关联系数代入式(4)，可计算出经过紫外线老化的试件的马歇尔稳定度与TiO2掺量、颜色波长、空隙率、紫外线照射时间的关联度r1～r4，分别为0.661，0.601，0.615，0.772.

由灰色关联分析可知：r4>r1>r3>r2，彩色沥青混合料紫外线老化性能最大的影响因素是紫外线照射时间，其次是TiO2掺量和空隙率，最后是颜色，这4个影响因素的灰色关联度均大于0.600，关联度为强度[25-27]，说明这4个影响因素对彩色沥青混合料的紫外线老化性能均有重要影响.

表7 参考数列与比较数列的差数列

续表Continue table

表8 关联系数表Tab.8 Correlation coefficients

4 结论

1) 在大空隙的排水沥青路面中，根据标准马歇尔试验结果的降幅可知，随着照射时间的增加和空隙率的增大，马歇尔稳定度降幅逐渐增大，紫外线对沥青混合料的老化程度的影响逐渐增大.

2) 根据标准马歇尔试验、电镜扫描和能谱分析可知，TiO2具有提高沥青混合料的抗紫外线老化的作用，对于大空隙排水沥青路面而言，将掺加TiO2改性的彩色乳化沥青作为彩色沥青混合料涂层，当TiO2掺量为3.0%时，随着照射时间的增加，马歇尔稳定度的降幅最小，彩色沥青混合料的抗紫外线老化能力最佳.

3) TiO2能使彩色乳化沥青的颜色变浅，根据色度图可知，随着TiO2掺量的增加，其颜色的波长逐渐减小.

4) 由马歇尔稳定度与4种影响因素的关联度可知，彩色沥青紫外线老化的影响因素按照重要程度排序为紫外线照射时间>TiO2掺量>空隙率>颜色，且试验中的这4个影响因素的灰色关联度均大于0.600，说明紫外线照射时间、彩色沥青的颜色、TiO2掺量和母体沥青混合料的空隙率均对彩色沥青紫外线老化有重要影响.