紫外老化对高弹改性沥青及混合料性能影响分析

彭 强，郝增恒，谭忆秋

(1.中国交建总承包公司，重庆 401121；2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400067；3.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001)

高弹改性沥青通过改变传统改性沥青思路，掺入几种全新的高弹改性剂材料，使改性沥青在发生疲劳时单次循环损耗的能量降低，即最大限度降低疲劳发生时产生的转变热能，从而达到提高改性沥青疲劳寿命的目的。目前，国内大跨径钢桥面浇注式沥青铺装体系上面层混合料多采用高弹改性沥青混合料SMA10。

沥青作为一种高分子材料，在光、热、氧、水分等因素作用下容易发生老化，强烈的紫外线使得公路沥青面层会在很短时间内迅速老化，导致沥青面层耐久性降低。这种在紫外光以及氧参与下引起的老化现象被称为沥青的紫外老化。紫外老化会引起沥青流变性能、化学组成结构等方面发生不同程度的变化，逐渐变脆，加之在交通荷载、自然环境的综合作用下，沥青路面极容易发生温缩裂缝导致开裂，进而致使路面坑槽、剥落的出现，影响沥青路面的路用性能，降低其使用寿命[1-3]。鉴于此，本文开展了一系列试验研究了紫外老化对高弹改性沥青性能及其混合料路用性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料及配合比

高弹改性沥青技术要求及指标检测结果如表1所示。

表1 高弹改性沥青性能指标检测结果

根据JTG F40—2017《公路沥青路面施工技术规范》[4]中相应规定进行混合料配合比设计，采用性能指标符合规范的玄武岩集料和石灰石矿粉(重庆某石料厂)，SMA10的矿料级配曲线如图1所示。高弹改性沥青混合料SMA10油石比采用6.0%，聚酯纤维用量为混合料总质量的0.25%，拌和温度为185 ℃。

图1 高弹改性沥青混合料SMA10级配组成

1.2 紫外老化试验方法

采用荧光紫外老化仪模拟紫外线研究高弹改性沥青性能的影响规律，其原理就是在人工环境中模拟自然条件，采用高压汞灯作为人工照射光源，使得试验箱中紫外线的辐射强度达到室外日光条件下的50倍以上，从而缩短沥青的老化周期。试验使用的荧光紫外老化仪如图2所示，主要由环境箱、光源系统、温度控制系统、安全控制系统以及时间控制系统等部分组成，其中光源系统采用40 W×8个直管形紫外线高压汞灯作为光源。

(a)内部构成

高弹改性沥青紫外老化试验具体过程：1)在洁净的平底圆盘中倒入(50±1)g的高弹改性沥青，并形成厚度均匀的沥青薄膜，控制沥青薄膜厚度约为1 mm(有效紫外老化厚度)，放入荧光紫外老化仪中，试样离紫外线高压汞灯的距离为40 cm～45 cm；2)启动温度控制系统，使环境箱温度恒定在25 ℃±0.5 ℃，恒温3 h；3)启动紫外线高压汞灯，并开始计时；4)到达所需时间后(紫外老化时间分别为1 d、3 d、5 d、7 d、10 d、15 d、20 d)，停止紫外线高压汞灯的照射，并立即逐个取出盛样平底圆盘；5)将盛样平底圆盘放至180 ℃～185 ℃的烘箱中加热15 min，取出紫外老化后的高弹改性沥青试样，并迅速将其倒入洁净的烧杯内混合均匀，以备下一步试验。紫外老化后沥青试样如图3所示。

图3 高弹改性沥青试样

1.3 性能测试

按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的测试方法，测试高弹改性沥青紫外老化后的针入度、软化点、延度、旋转黏度及车辙因子。在保持级配、油石比及拌和温度等条件不变的情况下，以紫外老化前后的高弹改性沥青为胶结料成型混合料SMA10，按照规范中的测试方法，测试高弹改性沥青紫外老化前后混合料SMA10的马歇尔稳定度、动稳定度、低温弯曲应变及劈裂强度等，以评价紫外老化对高弹改性沥青及混合料SMA10性能的影响。

2 结果分析

2.1 沥青结合料性能试验分析

测试高弹改性沥青紫外老化前后的软化点、针入度、5 ℃延度、旋转黏度及抗车辙因子，试验结果如表2和图4所示。

表2 紫外老化时间对高弹改性沥青常规性能指标的试验结果

从表2和图4可以看出，紫外老化前期(<7 d)，随紫外老化时间的延长，高弹改性沥青的软化点、针入度及5 ℃延度降低，旋转黏度和抗车辙因子G*/sinδ增大；紫外老化7 d后，高弹改性沥青的软化点略有升高；紫外老化后期(>10 d)，高弹改性沥青的各大性能指标均趋于稳定。在紫外老化过程中，高弹改性沥青中的沥青材料和聚合物分子均会发生老化，其中沥青材料的紫外老化表现为重组分沥青质含量逐渐增加，轻组分芳香分含量逐渐减少，致使高弹改性沥青的软化点升高、延度下降，聚合物分子的紫外老化表现为分子链降解，致使高弹改性沥青的软化点降低、延度下降。紫外老化前期，聚合物分子链的降解对高弹改性沥青软化点的降低作用占主导[5-7]，致使高弹改性沥青软化点降低；而后沥青材料的紫外老化对高弹改性沥青软化点的升高作用占主导，致使高弹改性沥青软化点略有升高；紫外老化后期，高弹改性沥青的紫外老化程度已逐渐饱和。

(a)软化点

随着温度的升高，不同时间下的紫外老化对高弹改性沥青的抗车辙因子G*/sinδ差异减小，高弹改性沥青逐渐变软，粘性成分增加，弹性成分减少，抗车辙因子降低。

2.2 沥青混合料性能试验分析

从上述研究结果可知，高弹改性沥青紫外老化过程主要分为前期快速老化(<7 d)和后期趋于平稳(>10 d)，因此选择紫外老化7 d和15 d作为代表性紫外老化时间。分别以原样高弹改性沥青、紫外老化7 d及紫外老化15 d的高弹改性沥青为胶结料，相同条件下制备混合料SMA10，并测试其稳定度、动稳定度、低温弯曲应变、残留稳定度及冻融劈裂强度比等性能指标[8]，以评价紫外老化对高弹改性沥青混合料SMA10路用性能的影响。

1)高温性能

钢桥面的使用温度可达60 ℃～70 ℃，故对铺装层混合料的高温性能有很高的要求[9-10]。进行高弹改性沥青混合料SMA10的车辙试验，试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa，试验结果如表3所示。

表3 高弹改性沥青混合料SMA10车辙试验结果

由表3可知，紫外老化后，高弹改性沥青混合料SMA10的动稳定度有所降低，老化7 d后为5 753 次/mm，降低7.5%，老化15 d后为6 020 次/mm，降低3.2%，这即表明紫外老化后混合料的高温性能有所下降。一方面，在强紫外光长期照射下，车辙试件表层沥青会快速老化，混合料体系间的粘结力减弱，当荷载反复作用时，混合料由于粘结力不足，混合料抗剪能力降低，变形增大。另一方面，紫外老化7 d，高弹改性沥青的软化点降低，而紫外老化15 d，其软化点略有升高，但依然低于原样高弹改性沥青。因此，紫外老化15 d后的高弹改性沥青混合料SMA10的高温性能劣于原样混合料SMA10，而优于紫外老化7 d后的混合料SMA10。总之，高弹改性沥青混合料SMA10能够满足规范对热稳性的要求(60 ℃动稳定度≥3 000次/mm)。

2)低温性能

沥青混合料的低温极限变形能力，反映了粘弹性材料的低温粘性和塑性性质，所以低温的极限弯拉应变是评价低温性能的一种指标。进行高弹改性沥青混合料SMA10的低温弯曲小梁试验，试验温度-10 ℃，试件尺寸300 mm×30 mm×35 mm[11-13]，试验结果如表4所示。

表4 高弹改性沥青混合料SMA10低温小梁弯曲试验结果

从表4可以看出，紫外老化后的高弹改性沥青混合料SMA10在低温条件下发生了规律性的变化，随着老化时间的增加，高弹改性沥青混合料SMA10的抗弯拉强度依次提高，抗弯拉应变依次降低，相应的劲度模量依次升高，说明紫外老化使得低温下的高弹改性沥青混合料SMA10低温强度及低温脆性提高，变形能力降低。究其原因，老化过程使得高弹改性剂的活性降低，进而导致改性剂与沥青的相互作用减弱，从紫外老化后沥青延度减小也反映了这一变化。另外，老化过程使得沥青组分发生变化，使得改性沥青体系在低温下硬度提高，粘性降低，体现在混合料中使得沥青与集料的的粘结力减小，当作用荷载后，混合料低温弯曲变形减小。总体看来，紫外老化对高弹改性沥青混合料SMA10低温性能影响较小，老化后的高弹改性沥青混合料SMA10低温性能良好，满足规范要求。

3)水稳定性能

钢桥面铺装对沥青混合料的防水性能要求很高，水稳定性是评价沥青混合料水侵蚀的重要依据，为此对高弹改性沥青混合料SMA10进行了浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。浸水试验中，将马歇尔试件在60 ℃恒温水浴箱中放置48 h，取出后和未浸水对照组进行测试，计算浸水残留稳定度比；冻融劈裂试验中，将马歇尔试件在-18 ℃低温箱中保温16 h，取出后立即放入60 ℃恒温水浴箱保温24 h，然后和未冻融组一起在25 ℃恒温水浴中放置2 h进行测试，计算冻融劈裂强度比，试验结果如表5所示。

表5 高弹改性沥青混合料SMA10抗水损害性能试验结果 %

从表5可以看出，未经紫外老化前的高弹改性沥青混合料SMA10优异，经紫外老化后，其浸水残留稳定度比和冻融劈裂强度比指标均有一定程度降低，但均满足规范不小于80%的要求。由此可知，紫外老化对高弹改性沥青混合料SMA10水稳定性能影响较小，老化后的高弹改性沥青混合料SMA10的抗水损害性能良好。

3 结论

1)在紫外老化过程中，高弹改性沥青会发生沥青材料老化和聚合物分子降解。紫外老化前期(<7 d)，聚合物分子降解占主要作用，随紫外老化时间的延长，高弹改性沥青的软化点、针入度及5 ℃延度降低，旋转黏度和抗车辙因子G*/sinδ增大；紫外老化中期(7 d～10 d)，沥青材料老化占主要作用，高弹改性沥青的软化点略有升高；紫外老化后期(>10 d)，沥青材料老化和聚合物分子降解程度趋于饱和，高弹改性沥青的各大性能指标均趋于稳定。

2)紫外老化后，高弹改性沥青混合料SMA10动稳定度有所下降，车辙深度增加，但变化程度较小。随着紫外老化时间的增加，其弯拉强度提高，抗弯拉应变降低，劲度模量增大，紫外老化使得低温下的高弹改性沥青混合料SMA10低温强度及低温脆性提高，变形能力降低。紫外老化后高弹改性沥青混合料SMA10的浸水残留稳定度比和冻融劈裂强度比均有一定程度降低。

3)紫外老化对高弹改性沥青及其混合料SMA10的性能影响较小，且各项性能指标均满足规范要求，表明其具有较为优异的抗紫外老化能力。