岩沥青改性沥青耐紫外老化性能研究

肖护兵，徐欣

（1.江苏天诺道路材料科技有限公司，镇江 212001；2.北京市政路桥建材集团有限公司，北京 100176）

岩沥青改性沥青是由岩沥青在高温、高搅拌速率下与基质沥青反应而成的改性沥青，其中，由于岩沥青与基质沥青的微观结构极为相似[1，2]，因此，岩沥青与基质沥青反应后极易达到稳定状态，进而使岩沥青具有较好高温稳定性、抗老化性能、疲劳性能等路用性能，因此，岩沥青改性沥青在道路建设中得到了广泛的应用[3]。研究表明[4-5]，沥青作为混合料中的胶结料，在路面服役过程中，会受到光、氧、热等自然因素的作用，使沥青内部发生氧化、挥发、聚合等一系列化学和物理变化，进而使沥青不断发生老化，随着沥青内部组分的转移和变化，沥青的流动性逐渐下降，沥青逐渐变脆，塑性下降，进而与集料之间的裹附力下降，导致沥青混合料性能劣化。因此，为研究岩沥青改性沥青的抗老化性能，本试验采用紫外光老化因素对岩沥青改性沥青进行老化模拟，并从沥青红外光谱和性能指标方面对沥青的老化性能进行评价。

1 原材料

1.1 岩沥青

选择具体代表性的新疆岩沥青（XRA）、布敦岩沥青（BRA）（如图1所示）进行试验研究，岩沥青指标符合规范要求。两种岩沥青的指标如表1所示。

图1 XRA（左）与BRA（右）

表1 XRA（左）与BRA（右）基本指标

1.2 基质沥青与岩沥青改性沥青

本研究采用克拉玛依90#基质沥青进行试验。

岩沥青改性沥青制备：将基质沥青烘箱加热到150 ℃至流动状态，然后加入20%的岩沥青并搅拌45 min，以5 500 r/min 的转速对沥青进行剪切，以使基质沥青与岩沥青更好的反应，最后将剪切完的沥青于175 ℃烘箱中发育1 h，即完成了岩沥青改性沥青的制备。

根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，基质沥青及两种岩沥青改性沥青符合规范要求，如表2 ～4所示。

表2 克拉玛依90#基质沥青指标

表3 新疆岩沥青改性沥青（以下简称 XRA）指标

表4 布敦岩沥青改性沥青（以下简称BRA）指标

1.3 老化样品制备

试验采用紫外老化模拟箱进行老化沥青样品制备，紫外灯的波长主要为365 mm 的长波紫外线，紫外灯功率为50 W，制备沥青厚度为1 mm 的老化样品以进行性能检测.

根据已有研究，室内紫外老化的加速速率约为实际老化的20 倍[6]，具体加速倍率与当地的辐射强度有关。因此，本研究设置沥青老化时间分别为10 h、30 h、50 h、100 h，以模拟实际老化约200 h、600 h、1 000 h、2 000 h的老化情况，沥青样品如图2所示。

图2 老化沥青样品

2 老化沥青试验结果

本研究对基质沥青、XRA 及RBA 进行老化前后的红外光谱测试及三大指标试验，以分析岩沥青改性沥青在紫外老化条件的下变化规律。

2.1 红外光谱分析

应用红外光谱对物质进行扫描时，红外线的辐射能量不能引起分子中电子能级的跃迁，但是分子吸收后可引起振动能级的跃迁，进而形成物质的红外光谱。由于不同物质的不同成分对红外光谱辐射吸收的频率不同，进而不同物质得出的红外光谱也不同，因此，不同沥青的红外光谱具有唯一性。

根据朗伯—比尔定律，对物质进行红外光谱测试时，其吸光度A与吸光物质的浓度c 及吸收层厚度b成正比，而与透光度T成反相关，如式（1）所示。

式中：A——为吸光度,T为透射比（透光度）；

K——为摩尔吸光系数.它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关；

c——为吸光物质的浓度,单位为mol/L。

因此，本研究根据朗伯—比尔定律对三种沥青老化前后的红外光谱进行采集，并从吸光度角度进行老化指标计算。

a）定性分析

本研究使用红外光谱仪对三种沥青老化前后的红外光谱进行采集，分辨率为4 cm-1，扫描次数32 次，测试范围为4 000 cm-1～ 400 cm-1。

本研究以羟基和亚砜基的吸光度值作为沥青的老化指数，使用OMNIC 软件对沥青的羰基和亚砜基指数进行计算，得出不同老化时间的沥青老化指标如图3所示。

图3 基质沥青与XRA、BRA 随紫外老化时间增长的红外光谱

由图3 可知，由于岩沥青与基质沥青属同性物质，因此，基质沥青与岩沥青改性沥青的光谱基团也相似。由图3 中未老化的沥青光谱得出，沥青主要由脂肪族化合物、芳香族化合物以及杂原子衍生物等化学成分组成，其中2 920 cm-1和2 850 cm-1处的基团分别是亚甲基中C-H 的非对称伸缩振动以及对称伸缩振动引起的，1 600 cm-1为沥青中的非对称取代苯环的呼吸振动引起，1 450 cm-1是由亚甲基（—CH2—）的剪式振动引起，1 375 cm-1为甲基（—CH3）的伞式振动引起。

随着老化时间的增加，三种沥青均呈现出3 300 cm-1、1 700 cm-1、1 030 cm-1处吸光度值升高，2 920 cm-1、2 850 cm-1处峰值下降的趋势，其中，3 300 cm-1处为脂肪族 NH2反对称伸缩振动和芳香族伯胺的反对称伸缩，属羟基，1 700 cm-1为羰基吸收峰，1 030 cm-1处为 S=O 的伸缩振动所产生尖锐的吸收峰，即亚砜基吸收峰，这说明，沥青随老化时间的增加，羟基、羰基和亚砜基等基团含量增加，而2 920 cm-1、2 850 cm-1处的亚甲基基团含量下降。因此，为对三种沥青的老化性能进行研究，可对三种沥青的老化指标进行定量分析。

b）定量分析

为对三种沥青的老化性能进行研究，采用羰基指数和亚砜基的吸光度值作为沥青的老化指标，对三种沥青随老化时间的老化指标进行计算，得到图4 结果。

图4 基质沥青、XRA 和BRA 的老化指标

由图4 可知，三种沥青随着老化时间的增加，羰基指数和亚砜基指数均表现为增加趋势：

（a）沥青老化后，羰基等新基团的出现，表明沥青的老化过程是化学反应过程；

（b）三种沥青的羰基指数和亚砜基指数增加幅度大小均为：基质沥青＞BRA＞XRA，且XRA 的羰基、亚砜基增长速率约为基质沥青的1.7 倍，BRA 的羰基、亚砜基增长速度约为基质沥青的2 倍，这说明在紫外老化过程中，岩沥青的耐紫外老化能力高于基质沥青，且XRA 比RBA 更耐紫外老化；

（c）随着老化时间的增加，亚砜基指数的增长速率高于羰基的增长速度，这说明随着老化时间的增长，S=O 含量的增长高于羰基；

（d）当沥青紫外老化50 h 后，沥青的羰基指数和亚砜基指数增加趋势发生转折，尤其是亚砜基指数的变化趋势更为明显，推测原因，可能是沥青老化一定程度后，表面沥青已发生足够的老化，而进一步的老化将更难进行，而这个结论还需沥青的性能实验进行验证。

2.2 三大指标、黏度分析

为进一步验证岩沥青改性沥青的耐紫外老化性能，本研究在红外光谱方法的基础上，采用三大指标试验和黏度试验对三种沥青老化前后的性能进行测试，得出图5所示结果。

由图5 可知，基质沥青、XRA 和BRA 随着紫外老化时间的增加，均呈现针入度下降、软化点升高、延度下降且黏度增加的趋势，这说明，三种沥青经紫外老化后，沥青内部发生了挥发、聚合等一系列复杂的化学和物理变化，进而使沥青内部组分发生转移和变化，轻质组分含量下降，沥青的流动性逐渐下降，沥青逐渐变脆，塑性下降、硬度提高，并使沥青产生了相应的性能变化；三种沥青在紫外老化50 h 后，其性能下降发生转折，尤其是针入度和软化点的变化更明显，究其原因，可能是沥青的紫外老化存在“鸡蛋壳”效应，即只在沥青表面进行，因此当沥青老化一段时间后，其表面沥青已发生了较大程度的老化，而进一步的老化将难度增大，而这个结论也与羰基和亚砜基的变化规律相符。

图5 三种沥青老化前后三大指标、黏度变化趋势曲线

3 结论

a）岩沥青改性沥青经紫外老化后，根据朗伯—比尔定律，其羰基指数和亚砜基指数升高，岩沥青改性沥青的耐紫外老化能力约为基质沥青的2 倍，且新疆岩沥青改性沥青的耐紫外老化能力优于布敦岩沥青改性沥青。

b）经紫外老化后，岩沥青改性沥青与基质沥青均表现出针入度、延度下降，软化点、黏度升高升高的趋势，这表明，沥青随着紫外老化时间的增加，其沥青内部的轻质组分减少、沥青的硬度升高，沥青变脆且稠度增加。

c）岩沥青改性沥青在紫外老化50 h 后的性能衰减速度减慢，这可能是紫外老化只在沥青表面进行的结果，当沥青表面已老化后，其进一步的老化将难度增大。