常温紫外老化对沥青物理性能影响研究

2023-10-24刘红瑛聂宗权周建雄刘泯江

合成材料老化与应用 2023年5期

黄凌，刘红瑛，聂宗权，周建雄，乐宸，刘泯江

(1 云南宁永高速公路有限公司，云南丽江 674100；2 长安大学公路学院，陕西西安 710064；3 云南云交建工程试验检测有限公司，云南昆明 650000)

沥青路面在服役期内受到光、氧、热和水等因素作用下，路用性能会严重下降。近年来，研究人员发现，在一些氧气浓度和年平均温度并不高、车流量（车辆荷载）不大的高海拔地区，在紫外线照射强度较大的地区沥青面层会在较短的时间内出现“泛白”，其沥青路面表面会产生“碳化”现象。面层沥青与集料的裹附性能迅速下降，导致沥青路面在服役时间不长的情况下较快地出现开裂、松散等病害。国内外的研究初步揭示，这类地区的沥青路面的老化并非传统认识上的热氧因素主导的老化，而是光因素主导的老化[1-2]。

沥青紫外老化早在1974年就有人研究，发现在光氧老化之后沥青中的化学官能团发生变化，组分也随之改变。Dhalaan等[3]研究表明紫外老化之后沥青中轻质组分发生挥发，导致沥青中的沥青质组分占比上升。亓玉台等[4]提出沥青在紫外老化之后组分变化规律：芳香分→胶质→沥青质。Montepara等[5]采用不同辐照强度的紫外光对沥青进行紫外老化模拟试验，研究表明导致沥青发生紫外老化的主要原因是紫外光促使沥青中饱和分和芳香分等轻质组分发生挥发、氧化，小分子的聚合等作用。

Yamaguchi等[6]通过不同厚度的沥青薄膜进行室内沥青紫外老化试验，结果表明沥青膜厚和老化作用具有很明显的线性关系，紫外光对沥青的影响随薄膜厚度的减少而变大，其他国内外学者为了能够完成沥青紫外老化之后的一些性能试验，避免大量重复老化试验，多数选择了1000～2000 μm的沥青膜厚[7-15]。

为了室内更好地模拟实际环境以及紫外光对沥青的影响，国内外不少学者在模拟紫外老化时考虑了温度以及紫外光源对试验的影响。如Zhang等[13]在80℃下研究了沥青室内模拟与室外实际紫外老化的差异，Fernandez等[14]采用60℃研究紫外光对SBS改性沥青中改性剂的降解作用,谭忆秋等[16]在研究紫外线吸收剂对沥青抗紫外老化改性效果时采用了73℃作为试验温度。目前关于沥青抗紫外老化国内外已进行了一定的研究，但是大多数研究人员选择60℃作为试验温度，在海拔较高、气温较低的地区光氧老化起主导作用，60℃不适合低温地区的紫外光老化研究。

因此，在室内模拟高海拔地区沥青路面紫外老化需考虑日光辐射时间、环境温度、紫外线辐射强度等因素，基于滇西北地区环境参数建立沥青及混合料的紫外光老化模拟试验的参数体系，研究基质沥青和SBS改性沥青的三大指标、黏度性能在不同紫外老化时间下的变化规律，对比两种沥青紫外老化后宏观性能的优劣，对于在高紫外线地区合理选用沥青结合料具有重要的工程价值。

1 滇西北高海拔地区紫外辐射强度调查

我国是一个紫外线辐射分布不均的国家，阳光照射的持续时间和太阳辐射总量将决定紫外线辐射量。此外，紫外线辐射量还与当阳光通过大气时臭氧在大气中吸收紫外线辐射有关。因此，紫外线在我国境内的分布是非常复杂的。西部地区的日照时间要比东部地区的日照时间长，太阳辐射水平由东向西逐渐增加，青藏高原的太阳辐射达到最大。北部地区一般大于南部地区，这与太阳能随纬度变化的规则相反，其原因是由于南方有更多的云层和雨天会影响太阳辐射。另外日照时间和太阳辐射随海拔的增加而增加，滇西北地区、西藏地区和部分新疆地区等海拔比较高的地区日照时间和太阳辐射要远高于东部地区。

滇西北地区平均海拔在2500～3500 m，平均气温在5～25 ℃。目前该地区公路交通量相对较小，沥青路面的老化以紫外光老化为主。根据中国气象局网站发布的资料结合WheatA农业气象大数据系统，选择滇西北部分城市近5年太阳总辐射量以及紫外线辐射数据，数据见表1。

表1 滇西北部分地区太阳辐射与紫外辐射量(单位：MJ/m2 )Table 1 Solar radiation and UV radiation in some parts of northwest Yunnan(Unit: MJ/m2 )

从表1可以看出，滇西北部分城市太阳辐射总量要远大于东部城市，紫外辐射占太阳辐射分别为5.81%、5.67%、5.89%、5.66%。高海拔地区的紫外辐射远比中东部地区高，因此必须考虑紫外光对道路沥青所产生的影响。

2 紫外气候老化箱及其试验参数确定

2.1 紫外气候老化箱

紫外气候试验箱主要包括仪器控制系统、温度和湿度控制系统、光源控制系统、安全防护系统。控制系统采用智能型温控仪表,不仅能提高系统及元件的使用寿命，还具有断电记忆功能。安全防护系统主要包括防护门锁、箱内温度超温保护和低水位保护。在温度控制上为了模拟夏季和冬季不同温度，设计了加热系统和降温系统，加热系统靠紫外气候箱自身加温电热管实现，低温采用外接环境箱来实现，温度可控制在-30～70 ℃。

选用PHILIPS TL 60W/10R UVA紫外线荧光灯，该灯能较为实际地模拟室外沥青所受到的紫外光辐射。为了增加箱体内紫外光强度，设计时选用10根紫外荧光灯等间距布置在箱体内部，选择距离灯管8cm的位置作为沥青模拟紫外老化的位置。灯管辐照额定功率为50W/m2，光照强度由控制系统调节控制。

2.2 紫外辐射模拟试验参数的确定

2.2.1 试验温度的确定

滇西北地区海拔高，气温相对较低，昼夜温差比较明显，年平均气温在5～25 ℃之间。通过国家气象科学数据中心平台，对云南丽江宁蒗地区环境资料进行调查。该地区近10年平均气温为12.5℃，年平均降水量1521.6mm。图1为2020年宁蒗逐月气温变化以及降雨变化。

图1 2020年宁蒗逐月气温以及降雨变化Fig.1 Monthly temperature and rainfall changes in ninglang in 2020

从图1可以看出,宁蒗夏季6月份平均温度达到最高，但也只有22.23℃，远低于大部分低海拔城市夏季温度。考虑到海拔较高地区昼夜温差较大，因此在模拟滇西北地区紫外老化试验时，结合夏季紫外辐射大的特点，选择平均温度25℃作为试验温度。

2.2.2 室内外紫外老化辐射换算关系建立

按照室内模拟和室外紫外光照射总量相同的原则确定室内紫外线照射时间和户外日光照射时间的转换关系，计算等效加速率。等效加速率计算如公式（1）所示。

式(1)中：QR为室内紫外线辐射总量，W/m2；QZ为相同时间内太阳紫外线辐射总量，W/m2；Au为等效加速倍率。

结合数据调查该地区近十年平均全年日照时间为2110.33h，考虑紫外灯的折减系数为1.4，换算关系见表2。

表2 紫外辐射时间换算Table 2 UV radiation time conversion

选择1mm作为试验膜厚进行紫外老化。采用内壁光滑的不锈钢圆形盛样皿，其内径尺寸为140±1 mm，深度为10 ±1 mm。

3 沥青老化性能分析

3.1 沥青基本技术指标

选择东海牌70#基质沥青和SBS（I-D）改性沥青进行试验研究，两种沥青基本技术指标根据规范（JTG E20-2011）测试，结果见表3和表4。

表3 东海牌70#基质沥青技术指标Table 3 Technical indexes of Donghai 70# matrix asphalt

表4 SBS(I-D)改性沥青技术指标Table 4 Technical indexes of SBS(I-D)modified asphalt

3.2 紫外老化对沥青物理性能的影响

采用沥青的三大指标和沥青黏度来表征其物理性能。通过不同紫外老化时间后沥青的针入度、软化点、延度、黏度变化作为评价指标，分析基质沥青和SBS改性沥青在紫外光老化后物理性能的变化。

3.2.1 紫外老化对沥青基本技术指标的影响

将两种沥青进行旋转薄膜烘箱短期老化试验（163℃，85min）和紫外老化试验之后，按照规范（JTG E20-2011）对老化后的沥青残留物进行三大指标性能测试。试验结果如图2和图3所示。

图2 SBS改性沥青和基质沥青老化前后针入度和延度指标变化Fig.2 Changes of penetration and ductility of SBS modified asphalt and matrix asphalt before and after agin

图3 SBS改性沥青和基质沥青老化前后软化点指标变化Fig. 3 Changes of softening point of SBS modified asphalt and matrixg asphalt before and after aging

从图2中可以看出，两种沥青的针入度随着老化时间延长呈减小趋势，但紫外老化后的针入度衰减变化要小于短期老化。基质沥青衰减速率要大于SBS改性沥青，从针入度指标分析，SBS改性沥青比基质沥青抗老化性能更好。

基质沥青和SBS改性沥青在紫外老化后的软化点变化趋势（图3）有明显不同，基质沥青在RTFOT+UV老化过程中软化点逐渐增加，而SBS改性沥青在RTFOT+UV老化过程中并非是单一变化趋势，其在短期老化后软化点增加，在之后的紫外老化前期软化点有所下降，软化点随老化时间增加而缓慢增加。可能是其在经历紫外老化后发生了沥青的老化和SBS改性剂的降解，虽然SBS改性剂的降解会破坏沥青的网状交联结构，同时还会造成聚合物分子量的降低，但是会提高沥青中胶体成分的抗变形能力[17]。整个紫外光老化过程中SBS聚合物的降解速度会高于基质沥青“硬化”速度，当SBS聚合物降解和氧化过程达到一定程度时，沥青软化点会保持小幅稳定增长。

两种沥青延度会随着紫外老化时间的增加而逐渐降低，且都是先快后慢的趋势。其中基质沥青在短期老化后延度下降幅度非常大，而SBS改性沥青在短期老化后延度下降幅度小于基质沥青。SBS改性沥青紫外老化后的延度变化也要比基质沥青小，表明SBS改性沥青无论是在短期热氧老化还是紫外老化后的低温性能都要比基质沥青好。

两种沥青在紫外老化后针入度和延度下降幅度非常大，考虑室内模拟紫外老化试验的时间过长，在实际施工中不能够较快分析基质沥青和SBS改性沥青性能随紫外老化时间性能的衰减程度，采用针入度衰减指数和延度衰减指数来评价针入度和延度在不同紫外老化时间下的变化规律，如公式（2）、（3）所示。

利用Minitab中的非线性拟合中的Michaelis-Menten函数对室内不同老化时间后的针入度和延度数据进行拟合，预测不同老化时间后的沥青性能衰减程度。以SBS改性沥青为例，分别对SBS改性沥青针入度衰减指数和延度衰减指数进行拟合，如图4和图5所示。通过拟合得到的关于针入度衰减指数和延度衰减指数与时间的拟合函数，可以计算不同老化时间后针入度和延度的变化。这样可以减少模拟长期紫外老化所需要的时间，从而通过老化较短时间来推测长期紫外老化后沥青的基本物理性能，希望能为实际工程中预测紫外老后沥青性能衰减程度提供一定的参考。

图4 针入度随紫外老化时间变化Fig. 4 Change of penetration with UV aging time

图5 延度随紫外老化时间变化Fig. 5 Change of durability with UV aging time

3.2.2 紫外老化对沥青黏度的影响

沥青黏度是表征沥青流变性质的重要指标，能够表征沥青材料在外力作用下抵抗流动变形的能力。沥青在热氧老化和紫外老化过程中，其内部会发生化学键的断裂重组、聚合反应，并且沥青的组分也会发生变化，在宏观方面表现出沥青黏度的变化。因此沥青黏度变化随紫外老化程度加深的情况也能在一定程度上反应沥青抗紫外老化性能。本文采用布氏旋转黏度仪对不同老化方式以及不同老化时间后的两种沥青进行测试，试验时选择27号转子，转速选择20r/min，温度选择135℃。通过对黏度进行了回归分析研究其变化规律，如图6所示。

图6 基质沥青(左)和SBS改性沥青(右)黏度随紫外老化时间变化Fig.6 Viscosity change of matrix asphalt (left) and SBS modified asphalt (right) with UV aging time

从图6中可以看出，在经过室内模拟紫外老化12M后，基质沥青的黏度从未老化的475mPa·s增长到1027mPa·s，黏度增长了116%；SBS改性沥青从未老化的2450mPas增长到3627mPa·s，黏度增长了38%。两种沥青的黏度在老化后呈现出相同的变化规律。在短期老化后黏度都发生较大变化，紫外老化后黏度变化相对较小。随着紫外光照时间不断增加，黏度变化逐渐变小，基本保持稳定。

从两种沥青黏度增长百分比来看，SBS改性沥青要远小于基质沥青，一般认为增长率越低，沥青在紫外老化过程中组分和化学键发生的变化越小，表现为抗紫外老化性能越强，但是考虑到短期老化对两种沥青黏度变化产生较大影响，且基质沥青未老化时的黏度基数过小，仅仅通过黏度增长百分比来评价沥青抗紫外老化性能不太准确。因此将两种沥青12M时的黏度设置为老化进度100%，将短期老化设置为老化进度0%，通过沥青不同时间下的老化黏度变化速率作为评价沥青抗紫外老化效果的指标，并对两种沥青的黏度变化速率进行非线性拟合，分析其黏度变化速率的差异，如图7所示。

图7 基质沥青(左)和SBS改性沥青(右)黏度变化速率随紫外老化时间变化Fig.7 Viscosity change rate of matrix asphalt (left) and SBS modified asphalt (right) with UV aging time

从图7中可以看出，在短期老化之后两种沥青的黏度变化速率有所区别。基质沥青前期增长速率快，后期增长速率较缓慢，在室内等效老化2个月时黏度增长速率接近50%，4个月时老化速率达到76%；SBS改性沥青在室内等效老化2个月时增长率远低于基质沥青，仅仅只有5%，这和软化点数据类似，经短期老化沥青的软化点和黏度数据变化都很小。在2～8 M内SBS改性沥青较平稳增长，到了8个月时老化速率达到75%。在相同紫外老化时间下，基质沥青老化速率要高于SBS改性沥青，表明SBS改性沥青具有更好的抗紫外老化效果。归纳其原因为沥青和改性剂会同时影响紫外老化后SBS改性沥青的黏度变化，SBS改性剂结构在被破坏时会导致沥青剪切变形阻力变小，从而SBS改性沥青在紫外老化前期黏度增长率相对要低。