抗紫外光老化劑對民用機場瀝青道面用瀝青性能的影響＊

陳鴻毅，李 平，胡雨銘

（1．云南省公路科學技術(shù)研究院，昆明650000；2．長沙理工大學 交通運輸工程學院，長沙410004）

瀝青混凝土面層作為機場道面重要的組成結(jié)構(gòu)，其使用狀況好壞直接影響道路營運中的耐久性．特別是我國一些高維度、高海拔地區(qū)，瀝青面層長期暴露在強紫外輻射下，造成了嚴重的光老化問題，研究其老化性能對預防和解決機場道面問題，提高道面耐久性能具有積極意義［1］．但現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范中僅考慮了熱氧老化對瀝青性能的影響，如采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗（Rolling Thin Film Oven Test，RTFOT）和壓力老化容器加速瀝青老化等試驗，并未涉及紫外光的影響，無法反映光照強烈地區(qū)瀝青材料的老化特征．而要提高瀝青抗紫外老化能力可通過三種途徑：選擇抗紫外老化能力強的瀝青類型、增強路面反光能力及在瀝青中摻加抗紫外老化劑等外摻劑，其中抗紫外光老化劑是常用的做法，具有改善效果明顯、施工方便等優(yōu)勢，尤其是受阻胺類老化劑的應用更為普遍．國內(nèi)外研究人員對此進行了大量研究．文獻［1］對高寒區(qū)耐紫外老化霧封層道面養(yǎng)護材料及技術(shù)進行了研究；文獻［2］研究了熱氧老化對苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styrene Butadiene Styrene，SBS）改性瀝青動力粘度的影響；文獻［3］使用壓薄膜樣品進行了瀝青粘結(jié)劑光降解試驗研究；文獻［4］研究了路面瀝青復合抗紫外光老化劑的疲勞特性；文獻［5］對瀝青強紫外線光老化性能進行了系統(tǒng)分析，給出了瀝青強紫外光老化曲線；文獻［6］合成了一種新型防老劑并對其進行了表征及抗老化性能研究；文獻［7］對超分子結(jié)構(gòu)層狀雙羥基復合金屬氫氧化物（Layer Double Hydroxides，LDHS）材料耐老化路用瀝青流變特性進行了研究，給出了紫外光照與瀝青老化之間的關(guān)系模型；文獻［8］系統(tǒng)分析了抗紫外光老化劑對瀝青混合料路用性能的影響．以上研究均未考慮實際紫外光強分布特性，光照條件設(shè)定固定，為此，文中基于室內(nèi)紫外光老化箱模擬實際光照狀況，系統(tǒng)研究不同瀝青使用性能受紫外老化的影響特性，以期得到強光照地區(qū)瀝青性能受紫外光照的變化規(guī)律，為合理使用抗紫外光老化劑提供參考．

1 試驗材料及方法

按照《民用機場瀝青混凝土道面施工技術(shù)規(guī)范》（MH 5011—1999），選用了兩類瀝青：盤錦基質(zhì)瀝青，SBS改性瀝青（SBS4303添加劑和殼牌基質(zhì)瀝青的改性組合）進行研究．文中選用抗紫外老化劑GW-944（北京加成助劑研究所生產(chǎn)）進行研究，配比分別為瀝青質(zhì)量的0%，0．3%，0．5%和0．7%．試驗選用RTFOT和室內(nèi)加速紫外光老化試驗箱，具體試驗方案為

1）為模擬生產(chǎn)拌合過程中發(fā)生的老化，使用經(jīng)RTFOT后的短期老化瀝青試樣，加熱SBS改性瀝青，確保瀝青溫度位于130～150℃，緩慢地加入紫外光老化劑，利用玻璃棒持續(xù)緩慢攪拌直至其均勻穩(wěn)定地分散后備用．利用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱將制備好的試樣盛樣皿放置轉(zhuǎn)盤上，啟動轉(zhuǎn)盤，恒定烘箱溫度在163 ℃，其轉(zhuǎn)數(shù)應控制在（15±0．2）r·min-1以實現(xiàn)短期老化．

2）為模擬野外紫外光老化環(huán)境條件，室內(nèi)紫外光老化試驗箱配置6根紫外光管，間距7cm，制備瀝青試樣厚1．5mm，平放于于室內(nèi)紫外光老化試驗箱內(nèi)，燈管距瀝青試樣10cm，環(huán)境溫度控制為60℃［4］，以模擬年輻射強度的作用．

2 試驗結(jié)果及分析

2．1 紫外光老化劑對瀝青高溫性能影響分析

使用動態(tài)剪切流變儀（Dynamic Shear Rheometer，DSR）評價瀝青高溫性能，分析瀝青試樣在不同測試溫度、頻率等條件下流變性能．DSR試驗時采用應變控制模式（應變?yōu)?0%、模板為25 mm、間距為1mm、角速度為10rad·s-1），對紫外線光老化前后的基質(zhì)瀝青和改性瀝青試樣進行性能指標測試，試驗選用溫度掃描（5～85℃）對抗車轍因子（G＊／sinδ）、相位角（δ）加以分析研究［5］．

2．1．1 紫外光老化劑對抗車轍因子的影響

G＊／sinδ作為評價瀝青高溫性能的指標，G＊／sinδ越大，瀝青流動變形越小，說明抗車轍能力越強．表1為不同GW-944摻量下兩類瀝青老化前后G＊／sinδ隨溫度的變化情況．

從表1中發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：① 加入GW-944抗光老劑后一定程度上提高了瀝青的高溫性能，GW-944類主要作用于瀝青的光老化后階段，而對于光老化前兩類瀝青的影響均不顯著，影響效果隨著溫度的升高逐漸降低；②瀝青類型不同時，GW-944對瀝青老化后G＊／sinδ變化規(guī)律影響并不一致．隨摻量增加，光老化后基質(zhì)瀝青G＊／sinδ呈凸曲線狀；隨GW-944摻量增加，老化后SBS改性瀝青抗車轍因子G＊／sinδ先減小后增加，在穩(wěn)定劑摻量為0．7%時對高溫性能改善明顯．說明較于基質(zhì)瀝青GW-944對改性瀝青高溫抗車轍性的提升更穩(wěn)定有效．

表1 抗車轍因子G＊／sinδ隨溫度和摻量的變化值Tab．1 The values of G＊／sinδwith the change of temperature and contents

為定量分析GW-944抗老化劑對老化前后兩類瀝青G＊／sinδ的具體影響，分別計算了兩種瀝青不同GW-944摻量下相對于未摻時G＊／sinδ的增值和增幅比例，增幅比例曲線如圖1所示．

從圖1得出以下兩點：①GW-944在68℃前對兩瀝青高溫性能改善效果較好，且對SBS改性瀝青的改善效果更佳．GW-944改善效果均隨溫度升高逐步減低，特別對于老化后兩類瀝青68℃之前對高溫性能改善作用最佳，在67℃時對其改善幅度已經(jīng)不存在，尤其對老化后基質(zhì)瀝青，0．7%摻量下整體改善幅度為26%，而改性瀝青整體改善幅度為5．08%，相對改善效果優(yōu)于基質(zhì)瀝青；②GW-944摻量的變化對基質(zhì)瀝青高溫性能改善不穩(wěn)定，對改性瀝青在摻量0．7%時高溫性能改善作用尤為顯著．老化前基質(zhì)瀝青隨GW-944摻量增加G＊／sinδ增加幅度先增加后減小，摻量為0．5%時對高溫性能改善作用明顯．對于老化后基質(zhì)瀝青，摻量為0．3%時對其改善幅度已經(jīng)不存在，尤其摻量為0．5%時，整體改善幅度為-13%，改善反而最差，因此無法給出推薦摻量．改性瀝青隨GW-944摻量增加車轍因子G＊／sinδ增幅也增加，摻量為0．7%時對高溫性能改善作用明顯，整體增加約為15%．

2．1．2 紫外光老化劑對相位角的影響

相位角δ是評價瀝青膠結(jié)料彈塑性程度的重要指標，δ值越小反應瀝青的彈性大、塑形越小，在外力作用下產(chǎn)生的永久變形越少，一定程度上可以反應瀝青高溫性能．圖2～3分別為不同受阻胺類GW-944摻量下兩類瀝青δ隨溫度的變化趨勢［7］．

圖1 不同摻量下兩類瀝青G＊／sinδ增加幅度Fig．1 The increase of G＊／sinδof two kinds of asphalt with different dosage

圖2 基質(zhì)瀝青光老化前后相位角δ變化趨勢Fig．2 The trend of phase-angle of the base asphalt before and after aging

分析圖2～3后得出以下兩點：① 摻入GW-944后，對于改性瀝青相位角的降幅效果較基質(zhì)瀝青明顯．主要表現(xiàn)為老化前基質(zhì)瀝青受到地影響幾乎可被忽略，而老化前改性瀝青有受一定程度降幅，但區(qū)分度仍遠差于老化后的瀝青；② 摻量變化對兩瀝青的影響規(guī)律．對于基質(zhì)瀝青，對相位角δ呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中摻量為0．5%時最大，摻量為0%時最小．對于改性瀝青，最小值以70℃為分界點，70℃之前0．7%時δ最小，在70℃后摻量為0．5%時δ最小．

2．2 紫外光老化劑對瀝青疲勞性能影響分析

瀝青的疲勞性能指標采用損失剪切模量，又稱作疲勞因子，疲勞因子越大表明重復荷載作用下的能量損失越多，因此較小疲勞因子代表較好的疲勞性能，為進一步研究抗紫外老化劑對瀝青性能的影響，對其疲勞性能進行了分析．基質(zhì)瀝青老化前后疲勞因子變化趨勢如圖4所示，改性瀝青老化前后疲勞因子變化趨勢如圖5所示．

圖3 改性瀝青光老化前后相位角δ變化趨勢Fig．3 The trend of phase-angle of the modified asphalt before and after aging

圖4 基質(zhì)瀝青老化前后疲勞因子變化趨勢Fig．4 The trend of fatigue factor of the base asphalt before and after aging

圖5 改性瀝青老化前后疲勞因子變化趨勢Fig．5 The trend of fatigue factor of the modified asphalt before and after aging

由圖4～5可得以下兩點：① 摻入GW-944后，基質(zhì)瀝青抗疲勞性能下降．基質(zhì)瀝青老化前后的疲勞因子均升高，降低抵抗疲勞性能，與未摻光老化劑的相比，摻量按0．3%，0．5%和0．7%依次增加時，原樣基質(zhì)瀝青疲勞因子整體性增加比例依次為17．6%，28．7%和29．1%，呈逐步增大；與未摻光老化劑的相比，摻量按0．3%，0．5%和0．7%依次增加時，光老化基質(zhì)瀝青疲勞因子整體性增加比例依次為28．7%，22．1%和7．8%；② GW-944摻量為0．5%時改性瀝青疲勞性能的改善效果最顯著，0．7%的摻量次之．與未摻光老化劑相比，摻量按0．3%，0．5%和0．7%依次增加時，原樣改性瀝青疲勞因子整體性增加比例依次為-7．6%，-46．7%和-11．3%，先減小后增加；與未摻光老化劑相比，摻量按0．3%，0．5%和0．7%依次增加時，光老化改性瀝青疲勞因子整體性增加比例依次為-1．0%，-16．9%和-12．2%，先減小后增加．

GW-944推薦采用摻量為0．5%～0．7%改善改性瀝青抗疲勞能力，但對基質(zhì)瀝青不宜使用．

2．3 紫外光老化劑對瀝青老化性能影響分析

紫外光老化劑的主要作用是改善瀝青的老化性能，GW-944對瀝青的影響分析最終是為了評價瀝青抗老化性能．試驗分別采用老化后15℃的延度、10℃的延度評價基質(zhì)瀝青和改性瀝青的老化性能，延度越大表征抗老化性能越強，測試結(jié)果如圖6所示．

圖6 不同摻量下兩類瀝青老化前后延度變化趨勢Fig．6 The trend of ductility of two kinds of asphalt with different dosage before and after aging

由圖6可得以下三點：① 摻加GW-944后改善了瀝青尤其是改性瀝青的抗老化性能．摻加光老化劑后，兩類瀝青的延度均有一定程度的升高，即反映了抗老化性能的提升，對基質(zhì)瀝青老化前后的延度有提升但效果不明顯；對改性瀝青延度在老化前后均達到比較滿意的改善效果；②GW-944的摻量在0～0．3%范圍內(nèi)延度改善效果一般，摻量為0．3%～0．7%時抗老化效果顯著．特別是對于改性瀝青，摻量處于0．3%～0．7%范圍時延度的提升幅度明顯大于0～0．3%范圍時延度的提升；③推薦GW-944僅對改性瀝青抗老化性改善，且摻量為0．7%．GW-944對基質(zhì)瀝青延度提升效果不明顯，實際應用中不具備經(jīng)濟性，而對改性瀝青改善效果更為明顯；盡管改性瀝青老化前在摻量為0．5%下改善效果最顯著，但實際工程中要滿足瀝青長久使用下抗老化性能，因此以改性瀝青老化后延度提升效果最明顯的摻量，即摻量為0．7%作為推薦值．

3 結(jié) 論

1）GW-944可改善瀝青高溫性能，主要作用于瀝青的光老化后階段，對于光老化前兩類瀝青的影響均不顯著，影響效果隨著溫度的升高逐漸降低．GW-944不宜摻入基質(zhì)瀝青，推薦用于改性瀝青的性能改善，且摻量為0．7%．

2）GW-944摻量的變化對基質(zhì)瀝青高溫性能改善不穩(wěn)定，推廣使用困難．改性瀝青在GW-944的摻量為0．7%時高溫性能改善作用最顯著，適宜推薦．GW-944對基質(zhì)瀝青抗疲勞性能不利，不宜推薦使用．GW-944摻量為0．5%時對改性瀝青的改善效果最優(yōu)，0．7%的摻量次之．GW-944對基質(zhì)瀝青抗老化性能提升效果不明顯，應用中不具備經(jīng)濟性．

［1］ 纏艷萍．高寒區(qū)耐紫外老化霧封層道面養(yǎng)護材料及技術(shù)研究［D］．西安：長安大學，2012．CHAN Yan-ping．Research on the Technology of the Fog Seal of Anti-Ultraviolet Aging in Pavement Preventive Maintenance in Plateau-Cold Region［D］．Xi’an：Chang’an University，2012．（in Chinese）

［2］ ZHANG F，JIAN Y，JUN H．Effects of Thermal Oxidative Ageing on Dynamic Viscosity，TG／DTG，DTA and FTIR of SBS and SBS／Sulfur Modified Asphalts［J］．Construction and Building Materials，2010，19：1．

［3］ KATSUYUKI Y，LWAO S，SEISHI M．Photo Degradation Test of Asphalt Binder Using Pressed Thin Film Samples［J］．Canadian Journal of Civil Engineering，2005，32（6）：1166．

［4］ 李變?nèi)A．路面瀝青復合抗紫外光老化劑的研究［D］．長沙：長沙理工大學，2012．LI Bian-hua．The Research on Pavement Asphalt Composite Anti-Aging Agent［D］．Changsha：Changsha University of Science ＆ Technology，2012．（in Chinese）

［5］ 葉奮，孫大權(quán)，黃彭，等．瀝青強紫外線光老化性能分析［J］．中國公路學報，2006，19（6）：35．YE Fen，SUN Da-quan，HUANG Peng，et al．Analysis of Asphalt Photooxidation Aging Property Under Intensive Ultraviolet［J］．China Journal of Highway and Transport，2006，19（6）：35．（in Chinese）

［6］ 范婷婷，周元林，范超超．一種新型防老劑的合成、表征及性能研究［J］．功能材料，2013，44（13）：1915．FAN Ting-ting，ZHOU Yuan-lin，F(xiàn)AN Chao-chao．Synthesis，Characterization and Properties of a New Antioxidant［J］．Journal of Functional Materials，2013，44（13）：1915．（in Chinese）

［7］ 王金山．超分子結(jié)構(gòu)LDHS材料耐老化路用瀝青流變特性研究［D］．武漢：武漢理工大學，2012．WANG Jin-shan．Research on Rheological Properities of Anti-Aging Asphalts Modified by Supramolecular Ultraviolet Resistant Material-LDHS ［D］．Wuhan：Wuhan University of Technology，2012．（in Chinese）

［8］ 李惠霞，王宏艷．紫外光老化對瀝青混合料路用性能的影響［J］．中外公路，2015，35（1）：233．LI Hui-xia，WANG Hong-yan．Influence of Ultraviolet Radiation on the Performance of Asphalt Mixture［J］．Journal of China ＆ Foreign Highway，2015，35（1）：233．（in Chinese）