沥青及沥青混合料紫外光老化研究现状分析

张翊航，张传奇，卢国庆，农 宇

(塔里木大学 水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)

随着国家“一带一路”的建设及国家向西发展战略的实施，我国公路建设的重点已向西部和低纬度等强紫外光照地区（如西藏、内蒙古、甘肃、青海、新疆等）转移。夏季强紫外光辐射加速了沥青路面表层材料的老化，严重劣化沥青路面的路用性能并缩短其服役寿命。目前，国内外学者已对沥青及其混合料的紫外光老化性能的研究做了很多工作，提出一些有效的抗紫外光老化措施，本文通过整理分析沥青及其混合料紫外光老化研究的现状及其抗紫外老化措施等方面的研究成果，以期为强紫外光辐射地区深入研究沥青材料的抗紫外光老化措施提供参考，对推动“一带一路”国家战略的顺利实施和保障该区沥青路面的服役性能均具有重大意义。

1.沥青及其混合料紫外光老化研究现状

在18世纪初，Toch等人发现太阳光照作用下紫色、绿色及红色玻璃板下沥青试样损坏程度截然不同，损坏严重程度排序为：紫色＞绿色＞红色，并提出沥青的光氧化理论。随后，为提高紫外光对沥青材料的老化试验效率，众多学者通过室内加速紫外光老化设备的研制来提高研究紫外光辐射对沥青及其混合料性能影响。已有研究成果表明：紫外光的辐射会使沥青针入度下降，延度减小，软化点上升，粘度增大；同时，也导致沥青的蠕变劲度增大，但因其内部饱和双键数量是有限的，当其光老化到一定程度后，其蠕变速率逐渐减小，劲度趋于稳定；导致沥青弹性增大，粘性减小，高温车辙因子和复数模量的增大[1]。

庞凌等[2]通过沥青的室内加速紫外光老化试验，得知紫外光老化后使得沥青中的芳香分和胶质减少，沥青质增加。Montepara等[3]研究发现沥青在紫外光老化的同时也发生了氧化老化，导致沥青的羰基和亚砜基指数明显增大。王雨瑾等[4]借助原子力显微镜，从纳观角度揭示沥青紫外光老化过程中沥青质以“白点团聚”和“黑色斑点”的“蜂形”结构呈现。其他学者[5，6]采用DSR和BBR试验表明在同一条件下，紫外光老化对沥青低温和疲劳性能影响最大，对高温性能影响较小，但随着温度的升高，紫外光老化将进一步提高SBS改性沥青抗车辙性能和抗疲劳性能。

紫外光的辐射对AC-13型、AC-16Ⅰ型沥青混合料低温时的抗裂性能、高温的稳定性能，及疲劳性能均产生不同程度的影响[7]，其中对混合料的高温和疲劳性能影响较大，随着紫外光辐射时间的延长和辐射强度的增大，高温性能指标趋于稳定；混合料的水稳定性能降低，高温性能先增大后减小。

2.沥青及其混合料抗紫外光老化措施

紫外线是太阳辐射中波长为100～400nm的电磁波，因其光量子能量均高于沥青中主要化学键的键能，故紫外光辐射对沥青的老化作用极为显著[8]。在紫外光辐射作用下，沥青中羰基基团吸收紫外光，发生光氧化降解反应，导致沥青中芳香分向胶质转变，胶纸向沥青质转变，致使沥青中的小分子粒径的物质向大分子量粒径物质转变，最终致使沥青路面出现宏观劣化现象：裂缝、坑槽、变形等，因此沥青的紫外老化是沥青四组分发生氧化、挥发、聚合、团聚等多种反应综合结果。

目前，改善沥青路面的抗紫外光老化性能的主要方法是在沥青混合料中添加抗紫外光老化剂。已有研究成果[9-12]表明，在沥青中掺加纳米氧化物（纳米ZnO、纳米SiO2、纳米CaCO3、纳米TiO2、纳米CeO2等）能够在一定程度上提高了沥青抗紫外线的能力。炭黑的加入大大降低了太阳辐射光线中300～400 nm波段光线对沥青路面表层材料的老化，从而改善了沥青的抗光氧老化性能，但炭黑的加入也增大了沥青的粘稠度，降低了沥青的低温性能，导致沥青路面表层材料在在低温环境下更易出现微细裂缝；外掺0.5% ～ 0.7%受阻胺类抗紫外老化剂(GW-944)能较好地改善SBS改性沥青进行抗紫外光老化性能，但对基质沥青的高温性能改善效果欠佳其；而超分子紫外阻隔材料因其对紫外光物理屏蔽与化学吸收的双重作用，使其能够有效抑制沥青胶结料的紫外光老化，提高混合料的马歇尔稳定度，增强路面的水稳定性和抗车辙能力；层状双羟基复合金属氢氧化物（LDHs）是一种良好的紫外线屏蔽材料，其掺入沥青及其混合料不但可以有效吸收紫外光同时将其转化为热能释放，而且可反射部分紫外光，其缺点是降低沥青及其混合料的低温性能，需要结合其它改性剂（如SBR、SBS等）一起使用。

结合XRD、AFM及FTIR等微观技术手段，Zhang等[13,14]研究沥青中掺入有机蒙脱土后，沥青的黏度老化指数和软化点增量均呈现减小趋势；有机蒙脱土和SBS复配使用可以达到最佳的抗紫外老化效果。

3.展望

目前，紫外光老化是我国西部高寒、高海拔、强紫外线光照地区沥青路面表层材料产生低温开裂的主要原因之一，在该类地区沥青路面表面层材料的选择及优化设计时，需充分考虑紫外光辐射老化带来的沥青路面病害。目前，研究沥青及其混合料紫外光老化的试验方法主要是室外自然环境老化试验和室内加速模拟紫外光老化试验，但二者试验结果的关联性如何？目前研究的并不深入，建议引入各影响因素的权重对室内外沥青及其混合料的紫外光老化程度进行综合分析。通过室内宏观试验（动态剪切流变试验、弯曲流变梁试验、直接拉伸试验等）来分析和评价紫外光老化对沥青及其混合料宏观性能的影响，通过微纳观试验（红外光谱试验、凝胶色谱试验、原子力显微镜试验等）探究沥青及其混合料紫外光老化机理，是可行的。但对沥青紫外光老化试验和评价方法、评价指标均未形成统一标准。建议结合宏、微观试验结果，探究一种合理分析宏观评价指标与微观评价指标之间关系的评价方法，对沥青及其混合料紫外光老化进行全面评价，深入探究沥青及其混合料的紫外光老化机理，以期能够建立一套标准的试验、评价体系。不同的沥青及其混合料抗紫外光老化措施对其抗紫外光老化效果存在较大差异，本文建议从研发新型抗紫外光老化改性剂、优化改性剂表面结构、复配已有改性剂等方面来制备抗紫外光老化效果更优的改性复合材料；而在沥青改性机理的研究领域，建议结合现代研究手段从微纳观角度来探究改性剂对沥青及其胶浆结构组成的影响。

4.结语

沥青及其混合料的紫外光老化机理较为复杂，是沥青与光、氧、热等多种环境因子综合作用的结果，是沥青中小分子量物质向大分子量物质的转变，导致沥青的溶胶结构向凝胶结构转变，再由凝胶结构向固体结构转变的过程，进而引发沥青路面在服役早期就出现各种宏观病害。沥青及其混合料的抗紫外光老化材料有很多，如光屏蔽剂、紫外线吸收剂、受阻胺类等光稳定剂，炭黑、纳米氧化物、层状硅酸盐、紫外光吸收剂及层状双羟基复合金属氢氧化物等，均对沥青及其混合料的抗紫外光老化性能具有一定的改善作用，其改善效果也有好有坏，并没有得出一致的结论；且其与沥青胶结料的相容性、配伍性等问题仍需进一步系统研究。因此，设计性能更加优异的紫外阻隔材料，并研究其在沥青及沥青混合料中的应用，具有重要的理论和实际意义。