基于紫外老化的改性沥青性能研究

葛豪

（重庆交通大学土木工程学院，重庆400074）

1 概述

现今如何提高沥青路面使用寿命一直困扰着研究人员，除了通过优化配合比设计，规范施工工艺以外，对沥青材料本身耐久性的提高也是必要的的手段。但沥青作为温度敏感性材料从其生产到服役全过程中都极易老化。前期生产、运输、摊铺过程中在较高的温度和氧气的环境会发生热老化；在服役过程中，除了受到车辆荷载作用外，还会受到太阳紫外线、温度、水等因素作用发生各种老化[1-3]。沥青老化后变得更硬更脆，性能受到极大影响；随着老化程度加剧，会导致温缩裂缝的产生；进而在水的影响下继而产生松散、表面脱落、坑槽等破坏，严重制约着路面的使用寿命[4-6]。紫外光作为沥青老化的重要诱发因素，会对沥青产生重要的影响，因此有必要研究常用的道路沥青材料紫外老化后的性能变化。本文选用了四种普遍的沥青材料：70#基质沥青、SBS、SBR、橡胶沥青（AR），利用老化前后的针入度、软化点、粘度变化评价高温性能变化；利用低温延度评价沥青低温延展性变化，结合沥青老化时组分变化对沥青紫外老化进行研究。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

本文所用沥青为70#号基质沥青，SBS、SBR、AR 四种常用沥青，直接由同一经销商提供，其基本性能指标如下：

2.2 紫外老化试验设计

2.2.1 老化试验流程

对试样先进行薄膜烘箱老化（TFOT），然后再对老化残留物进行紫外老化。测定紫外老化残留物针入度、25℃软化点、5℃延度、135℃粘度的变化。

2.2.2 老化参数设置

紫外老化模拟的是路面在实际野外工作环境中承受的紫外辐射。但影响紫外老化因素较多，为更贴近野外紫外老化环境，需要对老化装置参数进行控制。试验所用老化装置为多功能紫外老化箱，用于模拟高分子聚合物在强辐射环境中中老化情况，可用作模拟沥青紫外老化加速设备。紫外老化加速箱由紫外光源、温控系统、安全系统、时间控制系统组成。设置光源辐射出365nm 的紫外光；老化箱整体温度控制在60℃左右，这和沥青路表夏季工作温度较为一致；盛样皿中沥青为进行过TFOT 老化处理的试样，厚度控制在1.5mm 左右。老化时间的长短则直接影响试验结果与真实情况之间的准确性。根据等效换算法，将室外紫外辐射等效转化为室内紫外辐射有效时间，经调查换算选取160h（相当于室外半年的）的老化时长用来进行室内加速老化试验。

表1 沥青常规性能指标

3 试验结果分析

紫外老化后沥青性能变化：

观察发现紫外老化后的沥青试样表面均出现不同程度的裂纹和褶皱，这是沥青在老化过程中发生了碳化。为了进一步了解紫外老化对沥青性能的影响，下面对沥青老化后基本物理性能进行分析。针入度、软化点、延度等能够有效的评价沥青的基本性能，因此有必要考察紫外光老化后各项指标变化情况。

图1 紫外老化后沥青针入度变化

针入度可以有效表征沥青的稠度大小和软硬程度。沥青越软，则稠度越小，针入度就比较大；针入度越小，稠度越高，则表示沥青越硬。从图中看出基质沥青和改性沥青在经历紫外老化后都呈减小趋势，70#残留针入度比为0.55，而SBS,AR 残留针入度比则达到0.75。相较于基质沥青，SBS,CR 改性沥青中改性剂在沥青会吸收一部分轻组分，因而这两种改性沥青老化前针入度要低于基质沥青。在紫外老化过程中，轻质组分已经较多被改性剂吸收，因而转化形成沥青质相对较少，因而改性沥青在老化针入度变化要小于基质沥青。

图2 紫外老化后沥青软化点变化

软化点指标可以反应沥青的耐高温性能。相对而言，较高的软化点意味着沥青在较高的温度下仍具有一定承受能力。由从上软化点变化来看，老化后软化点普遍升高了。说明老化提高了沥青的高温性能，老化使得沥青中的大分子含量增加，大分子的增加外在表现在软化点变大，粘度增大。而SBS 老化后软化点变化规律之所以异于其他沥青，主要可能是SBS 添加剂在老化过程中发生的降解作用效果要大于沥青老化变硬作用，因而SBS 短期老化软化点没有变化，长期紫外老化还是以沥青的吸氧老化变硬为主为主[7]。AR 在老化后软化点增加较小，说明AR 对紫外老化具有一定的抵抗效果，可能是胶粉中炭黑使得沥青具有较好的抗紫外能力[8]。

图3 紫外老化后沥青延度变化

通过对比沥青在紫外老化低温延度变化情况研究紫外老化对低温性能影响，试验结果如图3 所示。由图可见基质沥青TFOT 老化残留物延度比为0.545，紫外老化后残留物延度比进一步下降到0.09，几近脆断状态。老化前，SBR 在5℃延度指标超过150cm,表现出最好的低温延展性。此外紫外老化后，SBR延度指标从超过150cm 大幅下降，仅达到12cm，可见SBR 老化后的低温性能受影响较大。SBS、AR 延度下降幅度都要小于SBR，但是老化后SBS、SBR 延度仍然大于AR，说明AR 低温延展性比较差。沥青的粘结性和韧性和延度指标具有很大关联，而对沥青延展性影响较大是胶质和芳香组分，老化后随着胶质和芳香组分的减少，沥青的延展性能也受到不同程度的影响。

图4 紫外老化后沥青粘度变化

沥青老化是沥青中化学断裂重组聚合的化学反应过程，这一过程必然导致沥青性能的变化。粘度的变化可以反应沥青质组分多少变化，沥青质胶浓度越高粘度越大，说明老化越严重，因此对老化前后沥青粘度的变化研究也十分有必要[5]。由图4可见，紫外老化后，沥青的粘度都有呈上升趋势。其中基质沥青在紫外老化后粘度上升幅度为200%，SBS 为29%，SBR 为31%，AR 为28%，三者变化幅度差别不大，说明三种改性沥青抗紫外老化性能相差不多但均优于基质沥青。

4 结论

本文研究了紫外老化后70#、SBS、SBR、AR 基本性能指标的变化，得到结论如下：

4.1 沥青在短期、紫外老化后性能变差，表现在针入度、延度减小，软化点、粘度增大。

4.2 紫外老化会损害沥青的低温延展性能，其中紫外老化对SBR 低温延度损害最大,在低温高海拔地区需对SBR 先改性才能再进行的应用。

4.3 SBS、SBR、AR 三种改性沥青老化前后粘度变化大致相同都远小于基质沥青，说明三种改性沥青均具有一定的抗老化性。综合比选，对于强辐射地区可优选SBS、AR 作为铺筑材料。

本研究仅针对沥青老化的基本物理性能进行阐述，紫外老化对沥青的高温稳定性、疲劳性能、低温性能的具体影响还有待继续深入。