光稳定剂改性沥青路面材料性能研究与微观形貌表征

仓 智，李 保

（山西交通控股集团有限公司 大同北高速公路分公司，山西 大同 037000）

0 引言

随着《国家公路网规划（2013年—2030年）》的发布，到2030年国家公路网规模将达到580万km，其中有1.8万km的远期展望线将分布在我国的西部地区[1]。然而，西部地区现有道路在使用阶段常出现裂缝、坑槽、车辙等病害，在高原高海拔地区的恶劣条件下这些现象显得尤为突出。西部地区昼夜温差大、日照时间长、紫外线辐射强度高等环境特点会使路面提前老化而变硬变脆，影响了道路的正常使用和行车舒适性，并增加了路面维修和养护成本，与路面的长寿命、耐久性的设计理念相违背[2-3]。因此，合理控制沥青路面材料的紫外老化行为，对于西部地区沥青路面长寿命化发展具有重要意义。

从宏观角度来看，紫外线辐射引起沥青内部结构变化，沥青面层在短时间内迅速泛白，并逐渐变硬、变脆，失去了原有性能后的面层与下层的接触变弱，使得面层易剥落；同时老化后的沥青黏度下降，与集料的黏附性变差，甚至会从集料表面脱落，在车辆和自然环境等综合作用下使路面产生裂缝、龟裂、坑槽等病害，严重影响了沥青路面的路用性能，降低沥青路面的使用寿命[4-5]。因此，为了减少病害的发生，制备具有有效抗紫外老化性能的改性沥青材料，可以提高路面的使用寿命。

在沥青抗紫外老化性能改善方面，国内外学者展开了诸多研究，现最为常用途径是在沥青中添加能吸收、反射或屏蔽紫外线的外加剂或其他物质对沥青进行改性，得到的改性沥青在抗紫外老化试验和实际使用过程的效果优于基质沥青，对提高道路沥青路用性能和延长道路使用寿命有重要意义[6-7]。对大多数聚合物材料如塑料、纤维、橡胶等抗紫外老化研究中，光稳定剂均表现出了良好的效果。光稳定剂作为目前使用最普遍的抗老化剂，只需要极少量，其抗紫外老化效果就远大于其他的改性剂[8]。

基于此，本文优选受阻胺光稳定剂（HALS）作为沥青抗紫外老化改性材料，制备光稳定剂改性沥青，通过针入度、软化点及延度等试验研究光稳定剂改性沥青在紫外老化周期内的变化规律，基于SEM和AFM分析系统研究紫外辐射对于光稳定剂改性沥青微观形貌的作用效应，研究成果将为HALS光稳定剂在沥青路面紫外老化控制方面的应用奠定基础。

1 试验原材料及试验方法

1.1 基质沥青

本文选用的沥青为AH-70号基质沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[9]对沥青进行性能测试，其基本物理性能如表1所示。

表1 基质沥青性能指标

1.2 光稳定剂

HALS光稳定剂化学名称叫双（2，2，6，6-四甲基哌啶基）癸二酸酯，属于低分子量受阻胺类光稳定剂（如图1），其作用机理是通过改性剂的受阻胺类结构对沥青紫外老化光降解过程中形成的自由基进行捕捉，从而起到抗紫外老化的作用。HALS光稳定剂掺量为沥青质量的0.2%、0.4%、0.6%及0.8%。

图1 HALS光稳定剂化学结构

1.3 光稳定剂改性沥青制备方法

采用实验室自备的高速剪切机将基质沥青与光稳定剂进行混合制备。首先将桶装沥青在130℃的烘箱中加热2 h至熔融状态，分别盛装在不锈钢容器中，在加热过程中人工搅拌5 min以使沥青脱水，随后将光稳定剂加入到70号沥青中，再使用高速剪切机在4 000 rpm连续剪切15 min，待沥青溶胀后完成光稳定剂改性沥青制备。

1.4 紫外老化试验方法

西部紫外光的辐射强度最为强烈，其太阳光年辐射强度为7 000 MJ/m2·a，紫外线辐射强度占5%～6%，因此按照最不利条件计算得出7000×6%=420 MJ/m2·a，与室内的紫外老化灯源辐射强度375 W/m2形成对应关系，则换算成室内模拟时间=自然紫外辐射总量/室内模拟紫外强度=420×106/375=1.1×106 s=305 h，按照一个季度的划分，其室内外时间转换对应关系如表2所示。

表2 室内外老化时间转换关系

2 路用性能研究

由图2a分析可知，在紫外老化周期内，随着老化时间的延长，光稳定剂改性沥青软化点值是随着老化时间的增加而增加，228 h之后增速开始下降，说明长时间的紫外老化对低掺量HALS沥青的高温性能影响较大，而最大掺量为0.8%的HALS沥青从76.25 h到305 h的紫外老化影响下变化幅度始终相对缓和，且增幅从0.6℃、0.5℃到0.3℃逐步下降，说明紫外老化对高掺量的HALS沥青影响程度要低于0.2%的HALS沥青。针入度试验结果图2b表明，76.25 h与152.5 h及之后的老化处理结果差异明显，在76.25 h的相对短时间光照下，沥青的针入度较高，并在规程的范围之中，但光稳定剂掺量较少的0.2% HALS沥青与其他掺量相比差距较大，表明加入高掺量的改性剂之后对沥青的流动性影响较大，而老化时间的进一步加长则逐渐减小了这一趋势，老化152.5 h后的沥青针入度大幅降低，说明经过相对长时间的紫外光照射后沥青黏稠度有所加大，在相同条件下针入度下降明显，在长时间的老化处理下针入度小幅度地降低说明对沥青的影响程度趋于缓和。由延度试验结果图2c可以看出，在HALS沥青延度随老化时间的延长而逐渐下降，这表明紫外老化的产生会导致沥青低温性能的下降，而从76.25 h到152.5 h的0.2 cm到之后的0.3 cm稳定变化，说明0.8% HALS沥青的延度下降趋势较为缓和，在紫外老化的影响下，0.8%的HALS掺量对沥青的低温改善程度仍以一个相对平缓的趋势进行，而0.2% HALS沥青的延度从前152.5 h的缓和到之后的明显下降。

图2 HALS改性沥青紫外老化路用性能

3 光稳定剂改性沥青微观结构表征

3.1 SEM分析

如图3所示，光照的辐射作用导致HALS改性沥青的表面开裂。在辐射76.25 h之后，HALS改性沥青的表面分块现象较为突出，且块状排列的杂乱程度较低，再通过放大至2 000倍时出现的单个块状表面较为光滑；辐射152.5 h之后，HALS改性沥青表面出现的块状纹理程度有所下降，块状分布较为紧密，而再放大后发现表面的粗糙程度升高，多有小颗粒的存在；辐射228 h之后，表面出现的原有规则块状向不规则形状转移，且数量有所增加，裂纹程度降低；辐射305 h之后，表面观察可知表面开裂现象进一步降低，表面纹路由左向右拓展，表面整体的粗糙程度有所缓和。

图3 SEM分析结果

图4 AFM分析结果

3.2 AFM表征

在紫外老化装置老化76.25 h后，HALS沥青微观结构的变化方式表现如下：沥青内部存在物质较为分散且不规则，该物质是由许多长度为1 μm左右的棒状结构组成，同时该棒状结构以中间高两端低布置，由于表面布满了棒状结构，说明粗糙度是增加的；此外在结构周围还存在有分散域，高亮的结构表示其高度高于基体。在紫外光照射152.5 h后，沥青的表面上分布着高亮的特殊结构，观察得知同属于棒状结构，在数量上要低于前一个时间点，而结构的宽度与76.25 h的相比更宽，但是长度相比较短，普遍在1 μm以内，高度也更高，结构形状主要是较为规则的矩形。经过228 h的老化后，原来出现的棒状结构消失，代替的是尺寸更小更加圆滑的微亮结构（平均长度约在300 nm）。总体而言，与前两个时间点相比，沥青表面的粗糙长度似乎有所减缓。在305 h老化后，从区域内观察显示出与76.25 h相似的结构，即此前存在的棒状结构，其长度最高达到了3～4 μm，最短也有1.5 μm左右，除了长度变化外，中间高两端低的特点仍显著，这些光亮的棒状结构从表面大量突出，导致了一定程度的粗糙度，但是其分布较为随机。

4 结语

a）长时间的紫外老化对低掺量HALS沥青的高温性能影响较大。

b）在光照的辐射作用下导致HALS改性沥青的表面开裂，辐射305 h之后，表面观察可知表面开裂现象进一步降低，表面纹路由左向右拓展，表面整体的粗糙程度有所缓和。

c）在305 h老化后，从区域内观察显示出与76.25 h相似的结构，即此前存在的棒状结构，其长度最高达到了3～4 μm，最短也有1.5 μm左右，除了长度变化外，中间高两端低的特点仍显著。