炭黑对紫外光老化后沥青及沥青混合料低温性能影响分析

伍任雄，史灵玉

（重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015）

0 引言

随着我国西部公路建设的飞速发展，西藏、青海与新疆等部分高海拔地区广泛采用了沥青路面结构，这些地区由于海拔高、空气稀薄、紫外线辐射强烈，导致沥青路面发生光氧老化，路面变脆变硬，进而使路面的低温性能和疲劳耐久性下降，产生大量裂缝，降低了路面的使用寿命[1-4]。

许多学者针对此问题展开了大量研究，郭韦韦[5]采用氙灯老化箱对沥青混合料进行加速老化模拟，通过低温劈裂试验与低温弯曲试验证明紫外光会对沥青混合料低温性能产生显著影响，SBR添加剂可有效防止沥青混合料发生光氧老化，改善其低温性能。王佳妮[6]运用动态流变学手段和时温等效原理对紫外光老化前后的沥青进行了力学行为和沥青聚集态变化分析，证明光老化使沥青胶质发生缔合并形成超分子结构逐渐沉积，使原来沥青中的溶胶转变为凝胶，胶体转化为固体。郑南翔[7]建立了光老化后沥青性能衰减规律及老化速率的预估方程，通过验证能精确预测沥青针入度、延度和粘度的衰减规律，并量化了沥青老化速率与最终老化程度两种指标。

根据目前研究情况，笔者从西藏林芝地区实际情况出发，根据炭黑材料屏蔽紫外线的特性，采用紫外光加速老化箱对添加炭黑与无炭黑的沥青和沥青混合料进行加速老化，并对老化后的沥青与沥青混合料进行低温性能研究，以期为西藏等高海拔、紫外线辐射强烈地区的光老化研究提供参考。

1 原材料及技术指标

笔者采用90#A级沥青为研究对象，具体指标如表1所示。炭黑是一种无定形碳，其颗粒粒径极小，质量轻，通常呈黑色粉末状（图1），可以形成隔离层，对太阳光中的高频率光波进行吸收[8]。单位质量的炭黑所具有的总表面积非常大，范围从10～3000m2/g不等，是含碳物质在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物，炭黑指标如表2所示。混合料级配采用AC-20结构，该级配为悬浮密实结构，以提高沥青路面在高寒地区的低温抗裂能力[9]，各筛孔通过率见表3。

表1 90#A级沥青基本指标

表2 炭黑技术指标

表3 沥青混合料级配

图1 炭黑样品

2 炭黑掺量的确定

由于西藏地区特殊的极端低温环境，沥青与炭黑混合后形成非均相体系，不合理的炭黑掺配比例会对沥青混合料低温性能产生不利影响[10]。因此，在混合料中掺入炭黑的最佳比例应以低温弯曲破坏应变的性能来确定，炭黑初步定为沥青质量的6%、8%、10%、12%、14%五种掺量，混合料中掺入不同比例炭黑的低温弯曲破坏应变及最佳油石比如表4所示。

表4 掺加炭黑后沥青混合料试验结果

由表4可知，由于炭黑对油类物质具有很强的吸附性，因此混合料中炭黑比例的增加会导致最佳油石比同步提升。当混合料中炭黑比例由6%升至14%时，低温弯曲破坏应变的数值会出现由小增大，再由大减小的波形曲线，炭黑比例在10%时，低温弯曲破坏应变的数值出现波峰。分析原因为当炭黑比例由6%开始逐步提升时，油石比也会随之增加，同时沥青膜的有效厚度也会随之增加，继而使沥青混合料的柔性模量随之增大，极限破坏应变增加；但当炭黑比例持续增加时，混合料中炭黑含量过多，出现聚集现象，形成团粒，使炭黑无法均匀散布在沥青中，当受到外部作用力时，易出现应力集中现象。而且由于炭黑极强的吸油性，过多的炭黑会降低有效沥青含量，使沥青膜有效厚度锐减，集料间缺少足够的粘结能力，导致低温弯曲破坏应变降低。通过数据分析可知，炭黑的掺入比例宜为沥青质量的10%。

3 试验方案

3.1 辐射量当量计算

西藏林芝地区辐射量为13.5MJ·m-2·day-1，紫外光能量约占5%[11]。试验采用的紫外线加速老化试验箱共有8根UVB紫外线灯管，每支灯管辐射强度为350W·m-2，根据能量等效原则可知，实验室紫外光辐射强度与室内照射时间的作用结果可看作自然紫外光辐射强度与室外照射时间的作用结果。老化试验箱每天工作16h，间隔8h模拟昼夜交替，换算结果见表5。老化试验箱在照射过程中部分辐射能转化为热能，随着照射时间增加，试验箱内试样温度不断升高，为了更好地反映沥青路面实际温度水平，模拟路面紫外线老化过程，箱内采用内置的水冷设施进行控温，使试验箱内温度稳定在40℃～50℃，在此温度区间可忽略温度对紫外光老化的影响[12]。

表5 室内外紫外线辐射时间换算

3.2 沥青试验

炭黑粉体的物理特性使其在搅拌时极易发生凝结现象，为保证混合料的均匀性，必须采用高速剪切的方法，利用高速剪切设备破坏其凝结的过程。首先，取2.5kg的基质沥青在高温（≥135℃）作用下形成流体，放入保温油浴锅中，启动高速剪切设备；然后放入炭黑粉体，使高速剪切设备维持在2500r/min状态30min，使炭黑粉体与成流体的基质沥青充分混合后，分组倒入承托盘中进行紫外线老化模拟。

根据托盘面积与沥青密度计算添加沥青的质量，控制沥青膜厚度在500～700μm。未受紫外线照射的沥青为对照组，实验组沥青分别用紫外线照射0d、1d、2d、3d、4d和5d，参照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行针入度、5℃延度和BBR试验。

3.3 沥青混合料试验方案

为进一步研究炭黑对经紫外线照射后的沥青混合料温度敏感性的影响，对掺有炭黑比例为10%与未掺有炭黑且都经过紫外线照射的沥青混合料进行低温弯曲试验和低温劈裂试验探究。将两种沥青混合料摊铺在托盘中，每组分别辐射0d、1d、2d、3d、4d和5d，进行紫外线加速老化，照射期间每隔12h烘软翻拌一次。紫外线老化后按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》制成标准小梁与劈裂试验试件。

4 试验结果分析

4.1 沥青试验结果分析

4.1.1 针入度指标

针入度可以体现在沥青在不同温度下的稳定性和抗裂性上，是我国道路石油沥青标号划分的重要指标，参照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》，对掺入炭黑与未掺入炭黑的沥青混合料进行25℃针入度试验，试验结果见表6。

表6 不同紫外线照射时间下25℃针入度试验结果

由表6可看出，加入炭黑以后，沥青25℃针入度有所降低，说明添加炭黑的沥青高温性能提升，这是由炭黑很强的吸油性所致，即炭黑颗粒对混合料中的油分子产生了吸附作用，形成大分子，使沥青稠度提高。当紫外线照射时间增加，参与试验的沥青混合料针入度都逐渐降低，说明紫外线对沥青混合料产生了不利影响，使其逐渐老化。

与未经紫外线照射的沥青相比，掺入一定比例炭黑的沥青混合料被照射5d后25℃针入度降低了6.9%，未掺入炭黑的沥青25℃针入度降低了7.5%，掺入炭黑的沥青针入度降幅低于未掺入炭黑沥青，说明炭黑颗粒吸收了一部分紫外线，降低了沥青老化水平。

4.1.2 5℃延度指标

低温延度可理解为低温下的拉伸能力，能反映沥青材料在低温环境下的抗裂能力。参照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》，对掺入一定比例炭黑与未掺入炭黑的沥青混合料进行低温延度试验，试验结果见表7所示。

表7 不同紫外线照射时间下5℃延度试验结果

由表7可知，两种沥青5℃延度随着紫外线老化辐射时间的增加而降低，低温条件下极限拉应变减小，说明紫外线对沥青混合料产生了不利的老化影响，使沥青混合料的低温抗裂性能降低。与未受紫外线照射的沥青混合料相比，掺入一定比例炭黑的沥青延度降低了33.2%，未掺入炭黑沥青延度降低了43.5%，证明添加炭黑可以减缓沥青紫外线老化，延缓沥青低温抗裂性能下降的时间。

4.1.3 BBR试验结果

BBR试验可以直观反映沥青在低温环境下的蠕变劲度模量和应力松弛能力，根据ASSHTO MP5方法，设定温度为-12℃，荷载施加时间为60s，试验结果见表8。

表8 不同紫外线照射时间下蠕变劲度与m值试验结果

由表8可知，两组沥青蠕变劲度与紫外线照射时间成正比，m值与紫外线照射时间成反比，说明紫外线使沥青脆性增加，应力松弛水平下降，降低了沥青低温抗裂性能。与未经紫外线照射的沥青相比，5d紫外线照射后添加炭黑沥青的蠕变劲度增加了34.1%，m值下降了7.6%，未添加炭黑沥青蠕变劲度增加了46.6%，m值下降了11.6%。说明炭黑可有效吸收紫外线，使沥青在紫外线老化后仍具有较高的柔性和应力松弛水平，在高寒低温环境下，与普通沥青相比具有更优良的抗裂性能。

4.2 沥青混合料试验结果分析

4.2.1 小梁低温弯曲试验

将紫外线老化后的沥青混合料制成标准小梁试件，在－10℃条件下保持1h后，进行跨中单点加载，加载速率为50mm/min。

试验结果显示，抗弯拉强度和低温弯曲破坏应变两个参数不能完全反映出沥青混合料的路用性能，甚至会得出互为矛盾的结论。为了更加清晰反映出沥青混合料的低温抗裂性能，笔者根据弯曲应变能密度函数的计算结果来表现沥青混合料的低温抗裂能力，密度函数值越大，说明混合料低温性能越好，其受破坏时所需能量越高[13-15]。公式为：

式中：dW/dV为应变能密度（kJ/m3），εij为应变分量，σij为应力分量，ε0为最大弯拉应力对应的应变值。计算时需要将应力应变关系回归为三次多项式，其可靠度将大于99%。由试验结果计算所得应变能如表9、图2所示。

表9 沥青混合料的弯曲破坏实验结果

图2 沥青混合料的弯曲破坏曲线

由表9和图2可知，两种沥青混合料应变能密度随着光照时间增加而减小，在辐射1d（对应室外辐射52d）后下降幅度最大，说明紫外光老化主要发生在沥青路面铺筑后的前两个月。对照组预实验组两种沥青混合料5d老化后的应变能密度与未老化前相比分别减少了66.8%与57.3%，说明炭黑吸收紫外光降低了沥青混合料光老化水平，有效减缓了沥青路面低温性能的下降，可减少沥青路面因光老化造成的低温开裂。

4.2.2 低温劈裂试验

将紫外线老化后的沥青混合料制成标准马歇尔试件在－10℃条件下保温1h后进行加载，加载速率为1mm/min，试验结果如表10、图3所示。

表10 不同紫外线照射时间下劈裂强度试验结果

图3 沥青混合料的劈裂强度曲线

由表10和图3可知，实验组和对照组的低温劈裂强度均随着紫外线光照时间的增加先增大后减小，实验组劈裂强度在辐射4d后达到最大值，对照组劈裂强度在辐射3d后达到最大值，实验组强度变化幅度小于对照组。实验组最大劈裂强度比未老化时劈裂强度增加了7.3%，对照组最大劈裂强度比未老化时劈裂强度增加了8.0%。说明实验组由于炭黑的作用，沥青混合料对紫外光的敏感度低于对照组。

分析原因为：前期紫外线光照使沥青发生老化，劲度模量变大，混合料硬度增加导致劈裂强度增大，随着光照时间增加，沥青粘度下降，导致沥青与集料黏附性下降，表现为劈裂强度先上升后下降；炭黑吸收部分紫外线导致沥青老化速率变慢，老化水平低于无炭黑沥青混合料，导致实验组劈裂强度变化幅度较缓。

5 结论

（1）炭黑作为一种紫外光屏蔽剂加入沥青后，经过相同时间紫外线辐射，与基质沥青相比，针入度、5℃延度与m值降幅减小，蠕变劲度增幅降低，说明炭黑可吸收太阳光中部分紫外线，使沥青在紫外线老化后仍具有较高的柔性和应力松弛水平，在高寒低温环境下，与普通沥青相比具有更优良的抗裂性能。

（2）添加炭黑与无炭黑两种沥青混合料在室内辐射1d（等效于林芝地区室外辐射52d）时各低温指标下降最快。相同紫外光辐射条件下，添加炭黑沥青混合料相比无炭黑沥青混合料应变能密度具有较小的下降幅度，低温劈裂强度变化幅度较低，达到最大老化水平的时间更长，说明添加炭黑的沥青混合料具有较低的紫外光敏感度与较好的抗光老化耐久性。

（3）建议将炭黑用于我国青藏高原等紫外线辐射强烈、夏凉冬寒地区的沥青路面工程中，可有效提高沥青路面的抗光老化性能，减缓紫外光老化导致的沥青路面低温性能下降，减少路面因温度裂缝而引发的道路结构性损伤，保持路面使用状态，提高路面使用周期。