紫外线对橡胶沥青性能的影响研究

陈亮 王靖 陈海荣 黄元辉

摘要：文章为研究橡胶沥青在广西高温多雨地区紫外老化后的性能变化，采用室内紫外照射模拟当地实际光照强度，对老化后的橡胶沥青进行常规指标试验、动态剪切流变试验及低温弯曲流变试验。研究结果表明：随着紫外光照时间的增加，橡胶沥青的针入度和延度指标下降，软化点上升，沥青发生老化;橡胶沥青在紫外照射后车辙因子升高，相位角下降;紫外作用使得橡胶沥青蠕变劲度S增大，蠕变速率m减小;与基质沥青相比，橡胶改性沥青拥有更好的紫外老化能力。

关键词：橡胶改性沥青;紫外老化;常规指标;流变性能

0 引言

随着我国公路建设里程不断增加，交通运输网逐渐完善，道路方面的工作重心开始从建设向养护方面转变。道路从业人员加大对沥青路面病害的防治工作，研究沥青路面病害产生的原因及损坏机理并结合“低碳环保”等理念提出相关防治措施。其中太阳紫外线辐射是引起沥青路面老化，导致路面使用性能劣化、耐久性能降低的主要原因，为此不少学者对此展开研究。

对于紫外线老化的研究。高明[1-2]等通过对沥青紫外线老化前后组分的变化和性能的变化研究，从沥青组分的变化过程中解释了沥青在老化后软化点增大，针入度减小，延度减小，粘附性减小的原因。同济大学叶奋分析研究了青藏高原日光的辐射强度和波段，利用同济大学自主研制的紫外老化模拟箱，进行室内室外紫外模拟对比试验，建立了沥青紫外线老化仿真系统，并通过试验证明，取样进行TFOT试验后再进行室内紫外线老化试验来模拟沥青实际的紫外老化行为的实验方法是可行的[3]。通过沥青化学组分试验发现，沥青四组分经过紫外光氧老化后饱和分和芳香分含量减少，沥青质和胶质含量增多。同时通过红外光谱分析发现PAV热老化速率是紫外光老化氧化速率的0.34～0.68 倍[4]。吴成彬通过对青藏地区沥青路面裂缝的实地调研发现，高原地区强烈的太阳辐射和紫外线导致沥青路面老化进而使得沥青层低温性能发生损害，这直接导致了路面的低温开裂现象[5]。栗培龙通过紫光老化模拟实验发现，沥青的延度随着紫外光照射时间增长下降得较为明显，而黏度指标却相差不明显，沥青紫外老化对沥青路用性能影响最大的是低温性能[6]。

在“低碳环保”防治措施方面，废旧橡胶轮胎因大量随意堆弃，占用土地资源，污染环境，被称为“黑色污染”。为此，道路从业人员展开相关研究，其中湿法工艺生产的橡胶沥青使路面具有更好的抗车辙性能，降低了疲劳和反射开裂，且由于沥青粘结膜较厚，其耐蚀性与抗老化性能较好[7-10]。在反应机理方面，Amir[11]、张向东[12]、Gawel[13]、Feipeng Xiao[14]等认为胶粉与沥青之间主要进行的是物理溶胀反应，胶粉的溶胀反应使得橡胶沥青的黏度得到显著增长，并最终使得橡胶沥青的各项性能发生改变。且橡胶沥青制备工艺参数和原材料特性，如剪切速率、剪切温度、物料投放顺序、发育时间等都对沥青性能产生一定的影响[15]。Zhang等[16]通过形貌观测结果发现在橡胶沥青中掺加SBS可显著改善橡胶沥青的高低温性能。

综上所述，对于橡胶沥青的制备，因制备工艺参数及原材料的不同，导致其性能存在一定的差异。为此，本文根据相关的橡胶沥青制备工艺以及广西当地的实际情况提出一套橡胶沥青制备工艺，研究其在当地太阳紫外辐射情况下的性能变化，以期为类似广西高温多雨环境地区的橡胶沥青路面建设提供借鉴。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本文选用70#A级基质沥青，40目橡胶粉进行橡胶沥青制备，改性剂选用中国石化产YH-791H线型热塑性丁苯橡胶（SBS），并选用广西交科集团有限公司提供的白色促进剂T1与黑色稳定剂T2作为稳定剂。依据王笑风[17-18]等人对于橡胶沥青制备工艺的研究，确定橡胶沥青制备中胶粉、SBS、白色促进剂、黑色稳定剂、基质沥青等材料的比例分别为20%、0.5%、2%、0.3%、100%。

1.2 试验方法

由中国气象局官方公布资料可知，广西的年平均太阳光照强度为1 200 kwh/m2左右，年平均太阳光照时间为1 200 h左右[20]。各地年日照时数为1 169～2 219 h，夏季各地日照时数为355～698 h，年平均日照时长约为5 h，最高气温为33.7 ℃～42.5 ℃，并检测路面温度达到60 ℃。此外据相关研究可知，在自然环境中透过大气层到达地面的紫外线光谱波长范围是280～400 nm。按照波长对其划分，UVB波长为280～320 nm，UVA波长为320～360 nm和360～400 nm，其到达地面的太阳辐射光谱能量分布[19]见表1。

根据室内外紫外线总辐射量相等的原则，以及实验所用紫外灯辐射强度，对室内外紫外线光照时间进行折算。试验采用固化UV紫外灯，波长为395 nm，功率为85 W，其中试样和紫外灯辐照强度间距关系如图1所示。紫外灯折算时间采用式（1）[19]。换算结果见表2。

综上，沥青试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[20]（JTG E20-2011）要求，采用4个直径为140 mm的盛样皿制备。同时参照该规范JTG E20-2011中的方法准备沥青试样，分别注入已称质量的盛样皿中，质量控制在50 g±0.5 g，沥青薄膜厚度为3.2 mm，放入干燥器中冷却至室温，将盛样皿放入烘箱中准备紫外老化试验。试验用紫外灯放置在试件上方15 cm左右的位置。其试验设备如图2所示，试验方案如表3所示。

2 試验结果及分析

2.1 常规试验结果与分析

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 604-2011、T 606-2011、T 605-2011的要求，测试紫外老化后橡胶改性沥青试样的针入度、延度、软化点三大指标。试验结果如图3所示。

由图3可知，在同一温度条件下，随着光照时间的延长，橡胶沥青针入度和延度总体上呈下降趋势，软化点呈上升趋势。这主要是由于沥青在紫外线作用下内部不饱和的C=C双键遭到破坏，同时沥青中饱和分、芳香分等组分的官能团被破坏，沥青吸收紫外光线而发生吸氧老化反应[21]，沥青变硬。同时由于波长在100～400 nm之间的紫外线光量子能级较高，而橡胶沥青中化学键的键能较小，橡胶在紫外老化过程中发生了降解，交联密度下降，轻质组分减少，重质组分增加。

2.2 动态剪切流变试验结果与分析

试验通过英国malvern公司BolinADSCVO-100型動态流变剪切仪（DSR），对老化前后的橡胶沥青进行高温性能测试。测得沥青材料的复数剪切模量、车辙因子G*/sinδ及相位角δ等指标。其中G*/sinδ表征沥青的抗车辙能力，在最高路面设计温度下G*/sinδ越大，表明沥青路面抗车辙能力越强[22-23]。相位角δ表示沥青胶浆中黏性成分和弹性成分的比例[24]。

试验采用直径为25 mm振荡板，频率为10 rad/s，温度区间为58 ℃～76 ℃，根据不同紫外光照时间对橡胶沥青高温流变性能进行测试。试验结果如图4、下页图5所示。

（1）随着紫外光照时间的延长，沥青老化程度逐渐提高，沥青车辙因子在整体上呈现出不断增大的趋势，相位角在整体上呈现出不断减小的趋势。试验中紫外老化61.1 h试样车辙因子最大，其抗车辙性能最强，相位角最小，沥青材料老化后黏性成分减少最多。这些数值的变化宏观变现为在相同的温度条件下，沥青的刚度增加，弹性增加且沥青的韧性下降，沥青变脆。紫外老化的机理为促使沥青中粘弹性比例发生变化，弹性成分增加，黏性成分降低，导致沥青流动性降低，改善了沥青高温抗车辙的能力。

（2）随着紫外老化时温度的升高，沥青车辙因子不断增大，沥青的老化程度越高，这是由于沥青的氧化和轻质化合物的挥发导致。沥青相位角在30 ℃、45 ℃和55 ℃下呈现不断减小的趋势，说明黏性组分向弹性组分转化的程度变高，但温度到达65 ℃时，相位角值高于30 ℃、45 ℃和55 ℃时的相位角值。考虑到相位角高温区域可以作为沥青中网状结构损伤的敏感指标，相位角的增大说明沥青中橡胶网络和相容体系的破坏[25]。

2.3 低温弯曲流变试验结果与分析

弯曲梁流变试验通过对沥青胶结料进行低温弯曲蠕变劲度S测试，以此评价沥青胶结材料的低温抗裂特性。试验采用美国的CANNON品牌的低温弯曲流变仪。试验温度一般为-12 ℃或-18 ℃，试验荷载为980 mN±50 mN。

分别对不同紫外光照时间的沥青试件进行测试，试验温度为-18 ℃，试验测得的数据如图6、图7所示。

（1）随着紫外光照时间的延长，蠕变劲度S值不断增大，蠕变速率m不断减小。紫外光照射使得沥青分子跃迁到激发态，导致沥青高分子化学键断裂，断裂的化学键与氧结合，生成氧化物，使得沥青变硬、变脆，导致橡胶沥青的低温性能与温度应力的消散能力不断降低[26-27]，从而使老化沥青的蠕变劲度S值增大、蠕变速率m值减小。

（2）不同温度条件下，橡胶沥青的蠕变劲度与蠕变速率随紫外光照时间的延长变化幅度不同，下降程度为65 ℃>55 ℃>45 ℃>30 ℃。这是因为橡胶沥青在较高温度的环境下，存在紫外老化和热氧老化的双重作用[27]。热氧老化导致橡胶沥青发生了氧化与缩合反应，使得沥青分子间化学键发生了断裂与重组，改变了沥青的各项官能团指数，降低了沥青的粘附力[28]。同时，胶粉开始分解与降解，橡胶沥青中大分子物质含量增加[29]，导致橡胶沥青整体上变硬，进而表现为蠕变劲度S值增加，蠕变速率m值减小。

3 结语

（1）紫外光照作用使得橡胶沥青的针入度和延度指标下降，软化点上升，沥青发生老化。三大指标变化趋势均表现为前期变化幅度明显，后期变化幅度下降。这是由于老化沥青试件表面形成一层氧化膜，阻挡了部分氧和紫外线对沥青的进一步老化。

（2）橡胶沥青在紫外老化后车辙因子升高，相位角下降。这是由于橡胶沥青进行紫外光照后，沥青中小分子发生物质聚合，生成大分子物质，橡胶沥青整体变硬，并且随着紫外老化时温度的升高，沥青的氧化和轻质化合物的挥发，黏性组分向弹性组分转化的程度变高，致使沥青的老化程度进一步加深。并由此推断出到达一定温度时，耦合作用效应才会出现或提升。

（3）橡胶沥青紫外老化后蠕变劲度S增大，蠕变速率m减小。这是由于沥青在紫外光照过程中，随着温度的升高，热氧老化作用开始明显，耦合作用使得橡胶沥青变硬变脆，导致蠕变劲度增大。

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