紫外老化對SBS改性瀝青性能影響研究

張娟++李艷++郭平++邱業(yè)績

文章編號：1000033X（2016）12006305

收稿日期：20160612

基金項(xiàng)目：陜西省交通廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（1403k）

摘要：通過室內(nèi)加速紫外老化試驗(yàn)?zāi)M室外大氣紫外輻射對瀝青路面中瀝青的老化作用，對SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青試樣在短期老化與紫外輻射老化前后4組分及其主要技術(shù)指標(biāo)變化進(jìn)行比較。結(jié)果表明：紫外老化對瀝青的4組分變化影響顯著，瀝青中的輕質(zhì)組分逐漸向重質(zhì)組分轉(zhuǎn)化；經(jīng)TFOT老化后性能發(fā)生衰減，衰減后性能約等于經(jīng)紫外老化后性能的五分之一；紫外老化應(yīng)為SBS改性瀝青整個(gè)老化過程的主要形式。

關(guān)鍵詞：SBS改性瀝青；紫外老化；4組分 ；輕質(zhì)組分

中圖分類號：U414文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on Ultraviolets Ageing Effect on Performance of SBS Modified Asphalt

ZHANG Juan， LI Yan， GUO Ping， QIU Yeji

（Xian Highway Institute， Xian 710061， Shaanxi， China）

Abstract： The comparison of SBS modified asphalt and matrix asphalt on the change of four components and primary technical indicators before and after shortterm ageing and ultraviolets ageing effect and was conducted by means of indoor accelerated ultraviolet ageing test and outdoor radiation. The results show that four components of asphalt are notably affected by the ageing effect of ultraviolet， with light weight components being gradually converted to heavy components； the performance of asphalt degrades after TFOT ageing， which is about a fifth of that of ultraviolet ageing； ultraviolet aging should be the main form of the aging process of SBS modified asphalt.

Key words： SBS modified asphalt； ultraviolet ageing； four components； light weight component

0引言

瀝青路面在實(shí)際使用過程中長期暴露于自然環(huán)境中，受大氣紫外線輻射作用，路面性能必然因老化而發(fā)生退化?，F(xiàn)行規(guī)范采用薄膜烘箱老化試驗(yàn)（TFOT）來評價(jià)瀝青的抗老化性能，而對于紫外線老化，還未有統(tǒng)一的評價(jià)方法。對于SBS改性瀝青的紫外老化研究，呂捷[1]通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和熱分析比較了基質(zhì)瀝青與改性瀝青的老化性能；楊興[2]將SBS改性瀝青及其老化后的試樣分離為SBS、飽和分、芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等5個(gè)組分，對各組分進(jìn)行傅立葉紅外光譜分析來研究其老化規(guī)律；劉黎萍[3]通過對SBS、SBR改性瀝青的低溫延度變化進(jìn)行試驗(yàn)，對比了2種瀝青的抗紫外老化性能。但薄膜烘箱老化試驗(yàn)與室內(nèi)紫外老化試驗(yàn)對SBS改性瀝青性能變化的相關(guān)對比研究較少。

因此本文通過對薄膜烘箱老化試驗(yàn)與室內(nèi)紫外老化試驗(yàn)老化的瀝青組分與性能變化進(jìn)行對比，分析短期老化與長期老化對瀝青性能的影響，以評價(jià)紫外老化對SBS改性瀝青路用性能的影響程度。

1瀝青老化機(jī)理

瀝青老化主要有2個(gè)階段，即短期老化階段和長期老化階段。短期老化主要為瀝青與集料拌和時(shí)的老化，長期老化是在瀝青路面使用期的老化。在整個(gè)老化過程中，短期老化主要是熱氧老化，長期老化是光氧老化，并且光氧老化以紫外老化為主。

紫外線UVA和UVB的波長范圍為290～ 400 nm，而瀝青中大多數(shù)的聚合物分子鍵能和290～400 nm波長范圍的光能相當(dāng)。因此，當(dāng)瀝青材料受到紫外線輻射時(shí)，分子結(jié)構(gòu)會受到破壞，瀝青材料受到光的老化作用[4]。

由于紫外老化與熱老化后瀝青性能的排序不一致，說明二者是不同類型的老化過程，不能用熱氧老化替代紫外老化。因此，就SBS改性瀝青的整個(gè)老化過程展開研究，對比不同老化方式對與SBS改性瀝青性能影響情況就很有必要。

2紫外老化試驗(yàn)方法

2.1紫外老化試驗(yàn)儀器

室內(nèi)試驗(yàn)采用了紫外線老化試驗(yàn)箱，通過增強(qiáng)紫外線輻照強(qiáng)度來縮短模擬瀝青室外老化過程的試驗(yàn)時(shí)間。課題組參照相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了紫外線老化試驗(yàn)箱，主體包括箱體、自動控制系統(tǒng)、加熱管、風(fēng)機(jī)、紫外線燈管架和樣品托盤。自動控制系統(tǒng)包括溫度自動控制模塊、風(fēng)機(jī)控制模塊、紫外線燈控制模塊等。該設(shè)備通過箱頂螺旋桿調(diào)節(jié)紫外線燈泡與試樣之間的距離，以合理控制紫外線照射在瀝青樣品表面的強(qiáng)度。箱體兩側(cè)安裝風(fēng)機(jī)，提供冷空氣以穩(wěn)定烘箱的設(shè)定溫度以及充足的氧氣。光源采用型號為H44GS100M 100W的4個(gè)紫外線燈泡。

2.2紫外輻射老化時(shí)間關(guān)系的建立

瀝青路面的設(shè)計(jì)年限一般為15年，但實(shí)際使用7～8年后路面性能就會大幅衰減。采用紫外老化箱進(jìn)行室內(nèi)紫外老化試驗(yàn)，可有效地模擬使用多年經(jīng)受紫外老化作用的瀝青路面，大大縮短路面性能衰減程度的研究時(shí)間。

本文引用當(dāng)量紫外線強(qiáng)度加速率來確定室內(nèi)紫外線輻射與自然條件下大氣紫外輻射瀝青老化時(shí)間的換算關(guān)系。當(dāng)量紫外線強(qiáng)度加速率是指在某一紫外線波段范圍內(nèi)，紫外線輻照強(qiáng)度與某地區(qū)相應(yīng)波段的太陽紫外線輻照強(qiáng)度之比。

AU=IR/IZ（1）

式中：AU為當(dāng)量紫外線強(qiáng)度加速率；IR為一定紫外線波段范圍內(nèi)的紫外線輻照強(qiáng)度（W·m-2）；IZ為一定紫外線波段范圍內(nèi)的太陽紫外線輻照強(qiáng)度（W·m-2）。

董妍[56]等對西安地區(qū)紫外太陽輻射特征進(jìn)行分析和模擬，得出日輻射變化呈倒“U”型分布，且晴天紫外輻射強(qiáng)度最大，日平均值為2428 W·m-2。將該紫外輻射強(qiáng)度作為陜西代表性地區(qū)的日平均最大輻照強(qiáng)度，進(jìn)行當(dāng)量紫外線強(qiáng)度加速率的計(jì)算，即IZ=2428 W·m-2。

本試驗(yàn)的紫外老化箱中設(shè)置了4個(gè)H44GS100M100W紫外線燈泡，每個(gè)燈泡的額定功率為100 W，UA340A紫外線強(qiáng)度儀距離單個(gè)燈泡下沿15 cm處的平均輻射強(qiáng)度為1235 W·m-2。因此，紫外燈底部輻射量應(yīng)為4個(gè)燈泡輻照強(qiáng)度總和，約為494 W·m-2，即IR=494 W·m-2。將數(shù)據(jù)代入式（1），可得AU≈20.35，

即室內(nèi)試驗(yàn)得到的當(dāng)量紫外線強(qiáng)度加速率為20.35。因此按照每天均為晴天進(jìn)行估算，得出室內(nèi)紫外老化箱與室外自然條件下老化時(shí)間的換算關(guān)系，見表1。

根據(jù)表1的時(shí)間等效關(guān)系，本試驗(yàn)分別采用3、6、9、12、15、18 d六個(gè)紫外輻射時(shí)間來模擬室外2個(gè)月、4個(gè)月、6個(gè)月、8個(gè)月、10個(gè)月、12個(gè)月的紫外老化情況。根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)，陜西省年平均晴天數(shù)約為140 d，依據(jù)表1 的等效關(guān)系，可等量為3年的室外實(shí)際紫外老化時(shí)間。

為更好地模擬瀝青路面高溫環(huán)境，參照瀝青混合料車轍試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溫度（60 ℃），本試驗(yàn)采用紫外老化箱內(nèi)溫度為60 ℃作為紫外加速老化控制溫度。室內(nèi)紫外老化試驗(yàn)條件主要技術(shù)參數(shù)見表2。

3紫外老化試驗(yàn)研究

3.1室內(nèi)紫外老化試驗(yàn)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)室內(nèi)紫外老化試驗(yàn)如下。

（1）對基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別進(jìn)行TFOT老化試驗(yàn)，并進(jìn)行性能指標(biāo)檢測。按照規(guī)范要求，基質(zhì)瀝青TFOT試驗(yàn)溫度為163 ℃，但由于SBS改性瀝青混合料的拌和溫度在175 ℃～180 ℃，比基質(zhì)瀝青高10 ℃～20 ℃，SBS改性瀝青TFOT試驗(yàn)溫度應(yīng)高于基質(zhì)瀝青，最終確定為173 ℃。

（2）對薄膜烘箱短期老化試驗(yàn)后的基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別進(jìn)行3、6、9、12、15、18 d的室內(nèi)紫外老化試驗(yàn)，并檢測性能指標(biāo)。

3.2原材料

采用韓國SK90基質(zhì)瀝青以及燕山石化4303SBS改性劑，按照45%的摻量內(nèi)摻于SK90進(jìn)行高速剪切得到的SBS改性瀝青。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的要求進(jìn)行瀝青性能指標(biāo)檢測，基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青均滿足規(guī)范要求。

3.3試驗(yàn)結(jié)果

3.2.14組分

基質(zhì)瀝青老化前后4組分變化情況見表5，SBS改性瀝青前后4組分變化情況見表6。

綜合表5～6及圖1～2可以看出。

（1）隨紫外老化時(shí)間的延長，各組分的變化比例不斷增加。紫外老化后，基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的飽和分和芳香分的含量總體呈下降趨勢，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)總體呈上升趨勢。隨著瀝青老化時(shí)間的增長，瀝青中的輕質(zhì)組分逐漸向重質(zhì)組分轉(zhuǎn)化。

（2）在紫外老化的后半程，隨老化時(shí)間延長，各組分的變化幅度逐漸減小，變化曲線趨于水平，說明紫外老化對瀝青性能影響逐漸減弱。因此，室內(nèi)紫外老化試驗(yàn)時(shí)間不必設(shè)置過長，本試驗(yàn)設(shè)定最長老化時(shí)間為18 d。

圖1基質(zhì)瀝青老化過程中四組分變化趨勢

圖2SBS改性瀝青老化過程中四組分變化趨勢

（3）4組分中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)隨紫外老化時(shí)間延長變化幅度相對較大。因此，通過對TFOT老化后膠質(zhì)與瀝青質(zhì)變化比例占室內(nèi)紫外老化18 d后膠質(zhì)與瀝青質(zhì)變化比例進(jìn)行計(jì)算可知，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青經(jīng)TFOT老化后性能變化約占室內(nèi)紫外老化18 d后的1/5。由此可知，紫外老化是瀝青整個(gè)老化過程的主要形式。

（4）由瀝青TFOT老化性能變化約為室內(nèi)紫外老化18 d后的1/5，也就是約為室外紫外老化3年后的1/5可知，瀝青經(jīng)TFOT老化后的性能約等同于經(jīng)室外紫外老化7個(gè)月后的性能。

（5）相較于未老化的4組分結(jié)果，紫外老化對基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的4組分變化影響程度明顯高于TFOT老化。說明紫外老化對基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的老化影響程度更高，紫外老化為長期老化的主要形式。

（6）從紫外老化后的4組分變化幅度來看，基質(zhì)瀝青比SBS改性瀝青的變化幅度大，說明SBS改性瀝青抗老化能力優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

3.2.2紫外老化前后瀝青性能分析

對于25 ℃針入度、5 ℃延度（基質(zhì)瀝青）、5 ℃延度（改性瀝青）、軟化點(diǎn)、135 ℃運(yùn)動粘度等指標(biāo)，基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青老化前后的試驗(yàn)結(jié)果見表7、8，變化曲線見圖3～6。

綜合表7、8及圖3～6可以看出以下幾點(diǎn)。

（1）經(jīng)過TFOT老化，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的針入度減小，延度減小，軟化點(diǎn)增大，運(yùn)動粘度增大。與未老化相比，變化幅度較大。

（2）隨著紫外老化時(shí)間的延長，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)變化不明顯，針入度均減小，運(yùn)動粘度顯著增大，延度明顯下降，說明整個(gè)老化過程對瀝青的低溫性能影響顯著。

（3）在整個(gè)老化過程中，SBS改性瀝青的針入度、延度、運(yùn)動粘度變化幅度均小于基質(zhì)瀝青，且SBS改性瀝青的延度、運(yùn)動粘度值大于基質(zhì)瀝青，說明SBS改性瀝青抗老化能力優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

（4）經(jīng)歷TFOT短期老化，瀝青性能已發(fā)生大幅下降；經(jīng)歷紫外老化后，瀝青性能仍繼續(xù)下降。說明瀝青性能在混合料拌和過程中發(fā)生大幅衰減，在長期使用過程中仍會持續(xù)衰減。

（5）在紫外老化后半程，瀝青性能指標(biāo)變化幅度相對較為平緩，說明瀝青路面在使用過程中受紫外輻射產(chǎn)生老化，但其性能變化率隨著紫外老化時(shí)間的延長將逐漸下降。

4結(jié)語

本文建立了紫外老化試驗(yàn)方法，通過室內(nèi)加速紫外老化試驗(yàn)?zāi)M瀝青路面室外紫外輻射情況，確定了室內(nèi)外紫外輻射老化的時(shí)間關(guān)系以及室內(nèi)紫外老化試驗(yàn)的主要參數(shù)。通過對比SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青試樣老化過程中4組分以及主要技術(shù)指標(biāo)變化情況，分析了短期老化（TFOT老化）與長期老化（紫外老化）方式對瀝青材料的影響差別，得出主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)。

（1）經(jīng)歷TFOT老化，SBS改性瀝青性能發(fā)生大幅下降，說明瀝青在混合料拌和過程中性能已發(fā)生大幅衰減；同時(shí)，在使用過程中受紫外輻射產(chǎn)生老化，其性能變化率隨著紫外老化時(shí)間的延長逐漸下降，表明室內(nèi)試驗(yàn)18 d模擬整個(gè)老化過程具有可行性。

（2）從老化前后瀝青4組分以及性能指標(biāo)結(jié)果分析可知，隨著瀝青老化時(shí)間的增長，瀝青中的輕質(zhì)組分逐漸向重質(zhì)組分轉(zhuǎn)化；SBS改性瀝青經(jīng)TFOT老化性能衰減，其衰減后性能約等同于經(jīng)紫外老化后性能的1/5；紫外老化應(yīng)為SBS改性瀝青老化的主要形式。

（3）綜合老化過程中瀝青的4組分與性能指標(biāo)變化結(jié)果來看，SBS改性瀝青的抗老化能力優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

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[責(zé)任編輯：高甜]