改性沥青抗紫外老化性能研究

朱 程 鸿

(交通运输部公路科学研究所，北京 100088)

1 概述

青藏高原强烈的紫外线辐射和高寒的气候特性导致了高分子材料的老化现象十分明显，路面的紫外老化病害严重影响了路面的性能和寿命。在西北高原地区，高强的紫外辐射和高寒的气候是导致沥青路面老化的重要因素。因此，在高原地区选择有良好的抗紫外老化能力且低温性能优良的沥青或改性沥青产品是迫在眉睫的。国外的F Durrieu通过红外光谱实验分析了传统热氧老化道路服务12个月老化和紫外线加速老化，发现了沥青在紫外线暴露几个小时后就能达到和PAV老化相同的水平，而SBS改性沥青在铺设12个月后达到了模拟PAV实验一样的水平[1]。同济大学的康惠锦利用人工紫外老化箱，通过DSR，BBR试验及红外光谱等分析手段，得出了橡胶沥青随老化时间的增加，高温性能提高，低温变形能力降低的特性，且橡胶沥青抗老化能力强于基质沥青的结论[2]。

2 试验及指标的选择

2.1 低温试验的选择

目前我国尚无明确的指标来表征沥青的紫外老化程度，只能通过其他指标的变化来间接反映。而关于低温性能，国内外产生了很多不同的评价方法。如低温延度、低温针入度、脆点、当量脆点、弯曲梁流变试验(BBR)、直接拉伸试验(DTT)等等。但目前，我国仍旧采用“八五”时期提出的当量脆点T1.2和10 ℃延度双指标作为沥青低温性能的评价指标。

本实验采用低温测力延度试验评价沥青的低温性能。所谓测力延度试验，就是在传统的延度试验加载的同时检测出沥青条两端拉力的变化，并将拉力的数值显示在计算机屏幕上。测力延度的拉伸速度为5 cm/min，拉伸时的温度设置为5 ℃。

2.2 低温指标的选择

标准的沥青及改性沥青荷载—延伸度曲线如图1所示。

图1中的OA段为拉力随拉伸值的变化急速上升的线段，通常在延伸度5 mm～7 mm左右拉力迅速达到顶峰。点A为拉力的最大值，即Fmax值所在点，对应的延伸度即为Dmax值。BC段为拉力随延伸度线性下降的线段，点E为BC线段的延长线与X轴的交点。C点之后沥青进入了变形快速增加阶段，即蠕变阶段。

其中测力延度曲线各项指标主要有拉伸柔量f、改性沥青当量劲度、屈服应变能、黏韧性面积、韧性比等等。各个指标相互关联又各有侧重点，因此对于沥青低温性能的评价要综合各个指标来评判。目前，黏韧性面积和韧性比在评价沥青的低温性能中应用最为广泛。而在这两个指标中，韧性比的评判效果最佳，但因其计算方法过于复杂而推广较为困难。因此本实验重点运用韧性比指标判断沥青的低温性能，黏韧性面积指标作辅助综合判断[3]。

指标的定义如下：

1)黏韧性面积S。

黏韧性面积S是指拉力—延伸度曲线与X轴所围成的面积。黏韧性面积S又称为拉断功W，指的是沥青材料从开始变形到拉断的过程中，外力对沥青材料所做的功的大小。黏韧性面积及拉断功可以更加全面的评价沥青材料的低温性能。

2)韧性比RT/V。

延长BC线段至X轴，OAB曲线，BE直线和X轴围成的面积为韧性面积ST；曲线CDF，CE直线和X轴围成的面积为粘弹性面积SV。二者的比值即为韧性比RT/V。韧性比越大，代表沥青的低温抗裂性能越好；反之，则表示低温抗裂性能越差。具体公式为：RT/V=ST/SV。

3 试验

3.1 试验用沥青

试验采用三种目前道路工程中较为常用的改性沥青，分别是：SBS改性沥青、SBR改性沥青和橡胶改性沥青。

各种沥青的基本指标如表1所示。

表1 改性沥青常规指标表

3.2 室内模拟紫外光老化

本实验采用了自主研制的模拟加速紫外老化设备箱对沥青进行加速的紫外老化。其原理是模仿自然条件下沥青的紫外辐射老化。设备保持在温度25 ℃，并采用了通风系统以保证老化的沥青有充足的含氧量。紫外老化设备加装的UV-A型高压汞灯功率为300 W，其向外辐射的照射面积约为0.8 m2。设备带有时间控制系统，每日的工作时间为20 h。将室外强日光紫外辐射时间转化为室内紫外辐射时间换算如表2所示。

表2 时间换算

4 实验结果分析

三种改性沥青分别进行老化试验和测力延度试验。对测力延度测得的数据进行分析，得到不同沥青不同老化程度测力延度数据指标如表3所示。

表3 原样及老化后SBS改性沥青各项指标表

重点分析沥青的韧性比的变化。韧性比代表沥青在低温拉伸状态下韧性即塑性状态的力和沥青弹性状态力的比值。沥青的韧性占比越高，代表沥青的低温抗裂性能就越强。

由图2可知，SBS改性沥青未老化沥青韧性比为4.29，加速老化相当于室外16个月时间后，韧性比降低为2.27，降低了2.02，降低幅度达到47.1%。且前4个月就降低了1.51，占总降低比重的74.8%。分析沥青的黏韧性面积S时，发现沥青的黏韧性面积不断的降低。说明随着SBS改性沥青紫外老化时间的增多，将沥青试条拉断所需做的功在不断减少。主要原因是虽然在弹性力阶段SBS的拉力增加可以导致黏韧性面积的增加。但是由于紫外老化导致沥青延度的降低，沥青的塑性阶段所克服的功大大减少，故总体面积在不断减少。

SBR改性沥青的韧性比指标同样随着老化时间的增加而不断减少。具体情况如图3所示。

未老化的SBR改性沥青韧性为0.85，是SBS改性沥青的20%，大大低于SBS改性沥青。在紫外老化箱中老化相当于外界16个月时间后，韧性比降低了0.464，降低幅度为55%，且大部分老化发生在前8个月，前8个月韧性比降幅占总降幅的89%。和SBS沥青不同的是，SBR改性沥青的黏韧性面积S随着老化时间的增加而增加，也就意味着随着老化时间的增多，拉断沥青试条所需做的功在增加。其原因是随着沥青的紫外老化，SBR改性沥青的弹性性能在增强。其表现为沥青的峰值力和沥青蠕变状态时的拉力的增强，而沥青韧性的降低幅度小于其弹性能力的增强幅度，即表现沥青黏韧性面积S的增加。

橡胶沥青的韧性比随着紫外光老化时间的增加而减少，具体情况如图4所示。

未老化的原样橡胶沥青的韧性比为0.937，经过在紫外老化加速模拟箱中老化相当于室外16个月时间后，韧性比降低为0.449，降低幅度达到52%。且和SBR改性沥青类似，大部分的老化都发生在前8个月时间，前8个月韧性比降幅占总降幅的88%。橡胶沥青的屈服应变能和黏韧性面积指标表现出和SBS改性沥青类似的特性。由于延度的减少导致黏韧性面积的减小部分大于弹性力增加的部分，导致黏韧性面积随老化时间增加而减少。

5 结语

1)通过比较不同沥青不同老化时间的测力延度指标，发现沥青的韧性比指标均下降了50%左右。其中SBS改性沥青下降幅度最低为47%，橡胶沥青次之为52%，SBR改性沥青最差为55%。

2)沥青的紫外老化大部分发生在前4个月～前8个月时间内，其后随着老化时间的增加，老化的程度的增长越来越缓慢。前8个月紫外老化对沥青低温性能的衰减，占共时长16个月的90%左右。

3)SBR改性沥青16个月紫外老化后的韧性比指标最低为0.386；SBS的低温性能表现最佳，16个月老化后韧性比为2.27；橡胶沥青表现的力学性质和SBS改性沥青类似，在低温拉伸阶段有较强的塑性，16个月老化后韧性比为0.449。故沥青在紫外老化后的低温性能排序为SBS>橡胶>SBR。