基于高紫外強(qiáng)度下瀝青混合料紫外老化的研究*

聶 帥 張登峰 胡錦軒 喻文海

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室1) 武漢 430070) (武漢工大土木工程檢測有限公司2) 武漢 430070)

0 引 言

鋪筑瀝青路面時常用的施工方式是熱拌瀝青混合料，在攪拌過程中瀝青薄膜將混合料裹覆，薄膜厚度一般在5～15 um[1-3].然而在紫外老化的實驗中，直接將瀝青進(jìn)行老化的實驗居多，這就導(dǎo)致紫外老化時瀝青膜的厚度對實驗結(jié)果有影響.目前紫外老化實驗中大多數(shù)在低紫外輻照度下進(jìn)行，且老化溫度也無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).時敬濤等[4]模擬紫外老化實驗中，采用紫外輻照度為8 W/cm2的高壓汞燈，老化溫度設(shè)置為40 ℃.從培良等[5]采用紫外輻照度為0.45和0.9 W/cm2，老化溫度為40，50和60 ℃的不同溫度.萬淼等[6]采用59.6 W/m2的紫外輻照度和60 ℃的老化溫度來模擬瀝青在長時間受太陽光輻射下的光氧老化.因此，在保證瀝青膜厚度對結(jié)果無影響的情況下，對高紫外輻照度下，輻照時長和溫度對模擬紫外老化實驗結(jié)果影響的研究很有必要進(jìn)行.

本實驗基于蘭州地區(qū)的紫外輻照情況，采用鉆芯取樣的車轍試件，在高紫外輻照度下進(jìn)行紫外老化實驗，最后抽提老化后的瀝青進(jìn)行流變性能和紅外光譜測試.在此實驗的基礎(chǔ)上探討溫度和老化時長對高紫外強(qiáng)度下紫外老化實驗的影響，探究瀝青老化的機(jī)理.

1 實驗原材料及方法

1.1 原材料

選取湖北鄂州生產(chǎn)的SBS改性瀝青和AH-70基質(zhì)瀝青作為實驗所需的膠結(jié)料，其基本物理性能指標(biāo)根據(jù)文獻(xiàn)[7]測試得到，具體實驗結(jié)果見表1.

表1 AH-70基質(zhì)和SBS改性瀝青性能指標(biāo)測試結(jié)果

1.2 實驗步驟

選用AC-13級配來制備瀝青混合料，根據(jù)文獻(xiàn)[7]中對礦料級配的要求，設(shè)計礦料級配.

1) 選取基質(zhì)瀝青和SBS瀝青混合料的油石比均為4.8%，按照文獻(xiàn)[7]中相關(guān)實驗方法制備成型車轍試件并鉆芯取樣；對混合料進(jìn)行短期烘箱老化加熱(STOA)后再繼續(xù)長期烘箱老化加熱(LTOA)，這里將這一組合老化稱為規(guī)范老化.

2) 采用的紫外燈功率為500 W，主波長為365 nm.經(jīng)查閱蘭州地區(qū)的相關(guān)氣候資料，基于室內(nèi)模擬的紫外輻照總量要和自然條件下紫外輻照總量相等的原則，選取表面紫外輻照度為221.9～248.5 W/m2，在以老化時間為單變量時，箱體溫度設(shè)置為8 ℃，時間設(shè)置為15,25,35,45 d，分別模擬自然紫外輻照時長分別為12,20,28,36個月.在以箱體溫度為單變量時，紫外光照時間均設(shè)置為15 d，溫度設(shè)置為8,16,24,32 ℃.

3) 從各種老化條件處理后的試件上切取瀝青混凝土試樣表面5 mm厚度的瀝青混合料，置于某公司生產(chǎn)的自動式抽提儀進(jìn)行抽提，然后對回收瀝青進(jìn)行流變性能測試和紅外光譜測試.

1.3 分析方法

流變性能測試實驗采用動態(tài)流變剪切儀對老化前后的瀝青進(jìn)行溫度掃描，其中包括高溫掃描和低溫掃描.在高溫掃描中，采用25 mm的平行板，溫度控制在30～80 ℃，頻率為10 rad/s，升溫速率為2 ℃/min；低溫掃描中，采用8 mm的平行板，溫度控制范圍-10～20 ℃，角頻率為10 rad/s，升溫速率為2 ℃/min，得到各回收瀝青的高低溫相位角和復(fù)合模量隨溫度變化結(jié)果.

紅外光譜測試采用傅里葉紅外光譜儀，掃描范圍為4 000～400 cm-1,掃描次數(shù)為64，分辨率為4 cm-1，得到各回收瀝青的紅外光譜圖.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 基質(zhì)瀝青DSR溫度掃描結(jié)果

瀝青老化后，其組分也會發(fā)生變化，通常其中的輕質(zhì)組分會有少量的揮發(fā)，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的比例會由于氧化縮合作用而變大.瀝青由溶膠體系轉(zhuǎn)變?yōu)槟z體系，隨著老化程度的上升瀝青會變得越來越硬，其復(fù)合模量和相位角也會發(fā)生變化[8].瀝青的老化程度受各種因素的影響，在本實驗中主要是紫外老化時間和箱體溫度在影響不同瀝青混合料的老化程度.由于瀝青的厚度對老化程度的判斷也會有比較直接的影響，又考慮到動態(tài)剪切流變儀的測試樣品質(zhì)量至少需要0.4 g，因此本實驗只取面層5 mm厚的老化瀝青混合料，對抽提后的瀝青進(jìn)行動態(tài)剪切流變儀實驗.

圖1為不同老化條件回收基質(zhì)瀝青的復(fù)合模量.由圖1可知，70號瀝青的低溫與高溫復(fù)合模量變化一致，在箱體溫度均為8 ℃時，隨著紫外老化時間的增加，其復(fù)合模量的增加趨勢很緩.在紫外輻照45 d后達(dá)到這一單變量的最大老化程度，其與規(guī)范老化后和箱體溫度為單變因素時溫度為16 ℃下老化后瀝青的復(fù)合模量相當(dāng).相同紫外老化時間，不同箱體溫度的復(fù)合模量變化比較大，箱體溫度為24和32 ℃下老化后瀝青的復(fù)合模量均明顯高于規(guī)范老化后的復(fù)合模量.兩者不同單變因素的模擬老化相比，溫度為單變量時老化程度更大，變化更為明顯.

圖1 不同老化條件回收70號瀝青的復(fù)合模量

圖2為不同老化條件回收基質(zhì)瀝青的相位角.由圖2可知，老化后的瀝青相位角均有不同程度的降低.以溫度為變量時，相位角顯著降低，8與16 ℃相位角變化存在較大的跨度.以老化時長為變量時，相位角下降幅度小，在35～45 d下降跨度較大，且以時間為變量時老化時間為45 d的相位角與以溫度為變量時16 ℃的以及規(guī)范老化的相當(dāng)，這與70號瀝青復(fù)合模量的數(shù)據(jù)相吻合.

圖2 不同老化條件回收70號瀝青的相位角

2.2 SBS改性瀝青DSR溫度掃描結(jié)果

圖3為不同老化回收SBS改性瀝青的復(fù)合模量.由圖3可知，SBS改性瀝青的整體復(fù)合模量比70號基質(zhì)瀝青大，這是由于SBS改性劑的加入使整體復(fù)合模量變大.其低溫復(fù)合模量變化與70號基質(zhì)瀝青變化基本一致，高溫復(fù)合模量有較明顯的區(qū)別.以老化時長為單變量時，老化時長為25～35 d存在較大的跨度，且老化時長為35和45 d的復(fù)合模量均比70號基質(zhì)瀝青的高不少，甚至老化35 d的就比標(biāo)準(zhǔn)老化高了，而70號瀝青的規(guī)范老化要比45 d的高.以溫度為單變量時，箱體溫度為24 ℃老化后的復(fù)合模量與溫度為16 ℃的復(fù)合模量之間存在較大跨度，且與老化時長為35 d相當(dāng).

圖3 不同老化條件回收SBS改性瀝青的復(fù)合模量

圖4為不同老化回收SBS改性瀝青的相位角.其低溫相位角顯示，以老化時長為變量時，各條件下的相位角基本重疊，且與規(guī)范老化相當(dāng)；以老化溫度為變量時，老化溫度為32 ℃的相位角最低，其他溫度的基本相當(dāng).高溫相位角顯示，除了老化溫度為24和32 ℃的外，其他SBS改性瀝青老化后的相位角均存在平臺區(qū)域.并且隨著紫外老化時間和箱體溫度的增加，平臺區(qū)域由長變短至消失.有關(guān)研究表面，SBS改性瀝青的相位角平臺區(qū)域的變化可以在一定程度上反應(yīng)SBS改性劑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞[9].由此可見在一定的條件下SBS改性瀝青能抵抗紫外老化，其老化過程分為基質(zhì)瀝青的老化和SBS改性劑的老化.本實驗結(jié)果顯示當(dāng)老化溫度高于24 ℃或老化時長大于25 d時，SBS改性劑結(jié)構(gòu)被破壞.

圖4 不同老化條件回收SBS改性瀝青的相位角

2.3 各回收瀝青復(fù)合模量比(30 ℃)

為了進(jìn)一步探究紫外老化時長和溫度對實驗結(jié)果的影響，將各回收瀝青的復(fù)合模量(在30 ℃下)比上其各對應(yīng)原始瀝青復(fù)合模量，得到復(fù)合模量增大的比值，將其與時間的變化和溫度的變化分別作圖，得到圖5.

圖5 各條件下老化后回收瀝青的復(fù)合模量與原始瀝青的復(fù)合模量比(30 ℃下)

由圖5可知，在短時間紫外老化時，SBS改性瀝青的抗老化性能比AH-70基質(zhì)瀝青好，其老化速率也較慢；而隨著老化時間的增加，其老化速率增大并超過AH-70，老化程度也超過基質(zhì)瀝青.規(guī)范老化是模擬實際使用時5～7年的老化程度，將其與不同條件下老化瀝青的復(fù)合模量比對比可以看出：老化時間越長，老化結(jié)果越偏離規(guī)范老化.

隨著老化溫度的升高，AH-70基質(zhì)瀝青老化速率增大，SBS改性瀝青的老化速率基本不變，可見SBS改性瀝青具有良好的抗熱老化性能.規(guī)范老化后的AH-70基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的復(fù)合模量比均介于老化溫度為16～24 ℃，而老化時間均為15 d，為模擬該地區(qū)一年紫外光輻照量.可見此條件下的模擬實驗中，同等紫外輻照總量下瀝青的老化程度要遠(yuǎn)大于實際老化過程中的老化程度.由于溫度的升高，發(fā)生了較嚴(yán)重的光和熱的耦合老化作用，加快了瀝青的老化.

2.4 不同回收瀝青的紅外光譜結(jié)果

為了進(jìn)一步探究老化時長對實驗的影響和各瀝青的老化機(jī)理，測得各回收瀝青的紅外光譜圖.其中老化25d后基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的紅外光譜見圖6.

圖6 兩種瀝青紫外老化25 d后紅外光譜圖

由圖6可知，兩種瀝青均存在相同的吸收峰，依次為3 327,2 924,2 854,1 695,1 602,1 460,1 377,1 313,1 032,866,813，746 cm-1，而SBS改性瀝青中存在967 cm-1的特有吸收峰.其中1 695 cm-1處屬于羰基伸縮振動峰，在未老化的瀝青中不存在C=O雙鍵官能團(tuán)，因此不會出現(xiàn)相應(yīng)的吸收峰，通常用羰基吸收峰的相對強(qiáng)度來表示瀝青的老化程度.SBS改性瀝青中967 cm-1處屬于SBS 分子中聚丁二烯嵌段的反式1，4 丁二烯的=CH2的面外彎曲振動吸收峰[10]，通常用其相對強(qiáng)度來表示SBS改性劑的降解程度.通過式(1)～(2)計算各回收瀝青的IC=O(羰基峰相對吸收強(qiáng)度)和ISBS(丁二烯C=C雙鍵峰的相對吸收強(qiáng)度)見表2和圖7.

表2 各回收瀝青的IC=O和ISBS

圖7 各回收瀝青IC=O和ISBS隨老化時間變化的趨勢圖

由圖7可知，兩種瀝青IC=O隨紫外輻照時間的變化趨勢與復(fù)合模量比的變化趨勢類似.隨著老化時間的增加，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的IC=O均增加，基質(zhì)瀝青的IC=O隨紫外輻照時間的變化率較平穩(wěn)，SBS改性瀝青的變化率變動較大.在紫外線照射下，瀝青吸收紫外光的能量，分子鏈斷裂后會生成羰基.因此隨著紫外輻照時間的增加羰基積累越多，在1 700 cm-1處的羰基振動吸收峰會增加.未老化的AH-70基質(zhì)瀝青的IC=O比未老化的SBS改性瀝青高不少，這是因為在混合料的拌合過程中基質(zhì)瀝青有一定程度的老化，SBS改性瀝青有一定的抗老化能力，所以在紫外老化的初期SBS改性瀝青的IC=O也較低.而在老化的中后期，SBS改性瀝青的IC=O迅速增加，并超過基質(zhì)瀝青，這與SBS改性劑中存在的碳碳雙鍵和三鍵被氧化有關(guān).圖中右側(cè)縱坐標(biāo)顯示的是各回收的SBS老化瀝青的ISBS，圖中顯示，IC=O增加的同時ISBS下降，并且下降與增加的幅度相當(dāng).不同的是，在老化后期ISBS趨于穩(wěn)定，而IC=O則持續(xù)增加.由相位角平臺區(qū)域結(jié)果可以判斷此時SBS改性劑已經(jīng)大部分降解，但是改性瀝青中的母體瀝青還在繼續(xù)老化產(chǎn)生羰基.

圖8為各回收IC=O和ISBS隨箱體溫度變化的趨勢圖.

圖8 各回收IC=O和ISBS隨箱體溫度變化的趨勢圖

由圖8可知，兩種回收瀝青的IC=O隨著箱體溫度的升高而增大，在8～16 ℃增幅最大，溫度繼續(xù)升高時趨于平緩.可以推測在箱體為16 ℃時，兩種瀝青出現(xiàn)了嚴(yán)重的光熱耦合老化現(xiàn)象，導(dǎo)致羰基含量激增；在32 ℃時增幅變小，也說明低溫時光熱耦合老化現(xiàn)象很弱，高溫時均發(fā)生不同程度的光熱耦合老化現(xiàn)象.在箱體溫度為8 ℃時，SBS的IC=O比AH-70基質(zhì)瀝青的高，而在溫度為16和24 ℃時，這一結(jié)果相反.這是因為在溫度為8 ℃時，SBS改性瀝青中的SBS改性劑部分降解導(dǎo)致羰基含量增加，而在16和24 ℃時基質(zhì)瀝青出現(xiàn)的光熱耦合老化現(xiàn)象比SBS改性瀝青嚴(yán)重.將不同老化溫度的與不同老化時間的SBS改性劑降解情況對比，可以看出老化時間大于15 d的降解程度比各溫度條件下老化降解程度大，即SBS改性瀝青在短期內(nèi)有比較明顯的抗高溫和紫外老化能力.

3 結(jié) 論

1) 溫度和紫外光輻照度對瀝青老化均有影響，均可以加速瀝青的老化，在宏觀流變性能上表現(xiàn)為復(fù)合模量增加和相位角減小，在微觀成分上表現(xiàn)為羰基相對含量增加.

2) 流變性能測試顯示，隨著紫外輻照時間的增加和老化溫度的升高，回收瀝青的復(fù)合模量均有不同程度的增加，相位角均有不同程度的減小.其中以經(jīng)過STOA和LTOA過程的回收瀝青流變性能為標(biāo)準(zhǔn)，通過對不同條件老化瀝青的復(fù)合模量和相位角變化可知，在此高紫外輻照度下模擬的模擬實驗中，老化時間越長，老化程度越嚴(yán)重，且達(dá)到規(guī)范老化程度的紫外輻照總量均低于五年的輻照量；實驗溫度越高，老化程度也越嚴(yán)重，光熱耦合老化的現(xiàn)象越明顯，其中規(guī)范老化后各瀝青的老化程度均介于老化溫度為16～24 ℃，而紫外光輻照量為模擬一年的輻照總量.

3) 紅外光譜結(jié)果顯示，隨著紫外輻照時間的增加和老化溫度的升高，各回收瀝青的IC=O有不同程度的增大，SBS改性瀝青中ISBS減小.其中SBS改性瀝青的ISBS減小的幅度與IC=O的增大幅度趨勢相近，可以判斷SBS改性瀝青老化過程存在基質(zhì)瀝青的老化和改性劑的老化.基質(zhì)瀝青在紫外光的照射下，基團(tuán)吸收紫外光能量后發(fā)生氧化反應(yīng)生成羰基，而SBS改性瀝青除了發(fā)生這種反應(yīng)外，還存在SBS改性劑吸收能量后氧化被降解的反應(yīng)，因此不能單純的比較兩者的羰基因子判斷其老化程度.對比不同老化時長和不同老化溫度IC=O和ISBS可知，老化時間較長時，老化程度增長越來越大；老化溫度較高時老化程較嚴(yán)重，光熱耦合老化現(xiàn)象嚴(yán)重.

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