熱氧-光耦合老化對瀝青性能影響研究

譚志遠(yuǎn)，李強(qiáng)

（長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長沙 410004）

熱氧-光耦合老化對瀝青性能影響研究

譚志遠(yuǎn)，李強(qiáng)

（長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長沙 410004）

參考有關(guān)光氧老化文獻(xiàn)確定4種紫外光強(qiáng)度，在4種紫外光輻射強(qiáng)度和70℃溫度下分別對中海油70號瀝青和SK70號瀝青進(jìn)行熱氧-光耦合老化，以單獨(dú)的熱氧老化（輻射強(qiáng)度為零）作為對比試驗(yàn)，老化時(shí)間為5、10、15 d，測試和分析耦合老化前后瀝青三大指標(biāo)的變化。結(jié)果表明，熱氧-光耦合老化的效果比熱氧老化明顯，表現(xiàn)為瀝青性能衰減更快，在熱氧-光耦合老化試驗(yàn)中熱氧的貢獻(xiàn)較大；隨著紫外光輻射強(qiáng)度的提高，瀝青老化后性質(zhì)明顯變差；SK瀝青的抗老化性能比中海油瀝青更好。

公路；瀝青；耦合老化；老化溫度；紫外光輻射強(qiáng)度

瀝青在使用過程中會產(chǎn)生老化，引起瀝青路面產(chǎn)生松散、開裂和水損害等破壞。瀝青及瀝青混合料的老化與其所處環(huán)境有很大關(guān)系，對瀝青老化起作用的因素主要有降雨、高溫、紫外線輻射等，且主要發(fā)生在路面施工階段和使用階段。

一段時(shí)間以來，研究瀝青老化的焦點(diǎn)在于熱氧反應(yīng)，對紫外線老化的研究相對較少，且大都是利用單一因素對瀝青老化進(jìn)行研究，對熱氧-光耦合老化的研究較少。高溫主要引起瀝青中的芳香分等輕質(zhì)油分蒸發(fā)和瀝青加速劣化。紫外光老化對瀝青的影響機(jī)理和影響程度與熱老化不同，可能更嚴(yán)重。當(dāng)瀝青中的高能鍵所吸收的能量比相應(yīng)的鍵解離能大時(shí)，高分子鏈會出現(xiàn)斷裂，繼而瀝青結(jié)構(gòu)與組分發(fā)生改變，宏觀表現(xiàn)為路用性能變差。在一般情況下，引起瀝青路面破壞的環(huán)境因素不是單一的，而是多種因素綜合作用或頻繁交替。該文使用瀝青老化設(shè)備對SK70號瀝青及中海油70號瀝青進(jìn)行不同時(shí)長的熱氧-光耦合老化，測試?yán)匣昂蟮臑r青性能指標(biāo)，分析不同時(shí)長和不同紫外光照射強(qiáng)度對瀝青性能的影響。

1 原材料

選用兩種基質(zhì)瀝青，分別為SK70號瀝青和中海油70號道路石油瀝青，為表述簡便，分別編號為SK和ZH。兩種瀝青的基本性質(zhì)測試結(jié)果見表1，均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

表1　SK瀝青與ZH瀝青的基本性質(zhì)

2 熱氧-光耦合老化試驗(yàn)方案

2.1試驗(yàn)參數(shù)的確定

（1）紫外光輻射強(qiáng)度。每個(gè)地區(qū)的紫外光輻射強(qiáng)度不同，如長江中下游一帶及四川盆地的紫外光輻射較弱，青藏高原的輻射較強(qiáng)，需設(shè)置合理的紫外光輻射強(qiáng)度模擬瀝青老化。通過參考以往文獻(xiàn)資料，國內(nèi)輻射較低的城市中重慶的輻射強(qiáng)度約為20 W/m2，輻射較強(qiáng)的城市中拉薩的輻射強(qiáng)度約為40 W/m2，故選擇0、20、30、40 W/m24種輻射強(qiáng)度，其中選擇輻射強(qiáng)度為零的目的是對瀝青進(jìn)行同步熱氧老化（沒有紫外光參與）。人工光源采用紫外光照射試驗(yàn)效果較好的高壓汞燈。

（2）溫度。溫度會引起路面瀝青老化。環(huán)境溫度、濕度、太陽輻射、降雨等因素都會對路面溫度場產(chǎn)生影響。瀝青路面因顏色較深具有較強(qiáng)的吸熱能力，夏季高溫時(shí)路面溫度為65～75℃，故確定試驗(yàn)溫度為70℃。

2.2試驗(yàn)方案

使用熱光水耦合老化試驗(yàn)箱對ZH和SK瀝青進(jìn)行熱氧-光耦合老化，老化溫度為70℃，紫外光輻射強(qiáng)度為0、20、30、40 W/m2，老化時(shí)間取5、10和15 d。試驗(yàn)共分4組（見表2）。

表2　熱氧-光耦合老化試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對熱氧-光耦合老化后的瀝青殘留物進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)和延度測試，結(jié)果見表3。

表3　熱氧-光耦合老化后兩種瀝青三大指標(biāo)的變化

3.1耦合老化對瀝青針入度的影響

兩種瀝青分別在不同紫外光強(qiáng)度下熱氧-光耦合老化后其針入度隨老化時(shí)間的變化見圖1。

從圖1可看出：1）雖然老化時(shí)間有所不同，但針入度均隨時(shí)間延長而降低；ZH和SK兩種瀝青的針入度都在老化15 d、輻射強(qiáng)度為40 W/m2時(shí)最小。2）在輻射強(qiáng)度為零（單獨(dú)熱老化）時(shí)，兩種瀝青的針入度都有較大幅度降低，說明溫度為70℃時(shí)能使瀝青性質(zhì)產(chǎn)生明顯變異；紫外光的加入使瀝青發(fā)生了光熱耦合老化，瀝青針入度下降越發(fā)明顯；在相同老化時(shí)間內(nèi)，紫外光強(qiáng)度越高，針入度越低。3）ZH瀝青的針入度降幅比SK瀝青大，說明SK瀝青的抗老化性能比ZH瀝青好。

圖1　兩種瀝青在耦合老化中針入度隨輻射強(qiáng)度和老化時(shí)間的變化

3.2耦合老化對瀝青延度的影響

兩種瀝青在不同紫外光強(qiáng)度下熱氧-光耦合老化后其延度隨老化時(shí)間的變化見圖2。

圖2　兩種瀝青在耦合老化中延度隨輻射強(qiáng)度和老化時(shí)間的變化

從圖2可以看出：1）不論是ZH瀝青還是SK瀝青，在4種紫外光輻射強(qiáng)度條件下老化后的延度都隨時(shí)間增長明顯降低。2）前5 d老化中延度隨著紫外光強(qiáng)度的增加而顯著降低，5～15 d降低速率逐步減緩。3）兩種瀝青的延度都在輻射強(qiáng)度為40 W/m2下老化15 d后降到最小。

3.3耦合老化對瀝青軟化點(diǎn)的影響

兩種瀝青在不同紫外光強(qiáng)度下熱氧-光耦合老化后其軟化點(diǎn)隨老化時(shí)間的變化見圖3。

從圖3可以看出：1）當(dāng)輻射強(qiáng)度為零時(shí)，兩種瀝青的軟化點(diǎn)隨時(shí)間延長而增加，表明70℃溫度對瀝青產(chǎn)生了較大的老化效果，此時(shí)發(fā)生的是熱氧老化。2）相對于單獨(dú)的熱老化，有紫外光參與時(shí)，瀝青的軟化點(diǎn)明顯提高，且輻射越強(qiáng)，軟化點(diǎn)增加速率越大。3）從軟化點(diǎn)增加幅度來看，SK瀝青的抗老化性能比ZH瀝青好。

圖3　兩種瀝青在耦合老化中軟化點(diǎn)隨輻射強(qiáng)度和老化時(shí)間的變化

4 結(jié)論

（1）SK瀝青和ZH瀝青在4種不同輻射強(qiáng)度耦合老化過程中，針入度和延度隨老化時(shí)間延長而降低，軟化點(diǎn)隨時(shí)間延長而增大；SK瀝青的抗老化性能比ZH瀝青更好，在路面溫度較高和紫外光輻射較強(qiáng)的地區(qū)，適合采用SK瀝青或其改性瀝青。

（2）在沒有紫外光參與的情形下，瀝青的性能衰減雖沒有光熱耦合老化時(shí)明顯，但也起了較大的老化效果；當(dāng)紫外光強(qiáng)度增加時(shí)，瀝青性能衰減隨時(shí)間延長越發(fā)明顯，說明光熱耦合老化會使瀝青性質(zhì)產(chǎn)生很大的變異。

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