改性瀝青抗紫外老化性能研究

朱 程 鴻

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

1 概述

青藏高原強(qiáng)烈的紫外線輻射和高寒的氣候特性導(dǎo)致了高分子材料的老化現(xiàn)象十分明顯，路面的紫外老化病害嚴(yán)重影響了路面的性能和壽命。在西北高原地區(qū)，高強(qiáng)的紫外輻射和高寒的氣候是導(dǎo)致瀝青路面老化的重要因素。因此，在高原地區(qū)選擇有良好的抗紫外老化能力且低溫性能優(yōu)良的瀝青或改性瀝青產(chǎn)品是迫在眉睫的。國外的F Durrieu通過紅外光譜實(shí)驗(yàn)分析了傳統(tǒng)熱氧老化道路服務(wù)12個(gè)月老化和紫外線加速老化，發(fā)現(xiàn)了瀝青在紫外線暴露幾個(gè)小時(shí)后就能達(dá)到和PAV老化相同的水平，而SBS改性瀝青在鋪設(shè)12個(gè)月后達(dá)到了模擬PAV實(shí)驗(yàn)一樣的水平[1]。同濟(jì)大學(xué)的康惠錦利用人工紫外老化箱，通過DSR，BBR試驗(yàn)及紅外光譜等分析手段，得出了橡膠瀝青隨老化時(shí)間的增加，高溫性能提高，低溫變形能力降低的特性，且橡膠瀝青抗老化能力強(qiáng)于基質(zhì)瀝青的結(jié)論[2]。

2 試驗(yàn)及指標(biāo)的選擇

2.1 低溫試驗(yàn)的選擇

目前我國尚無明確的指標(biāo)來表征瀝青的紫外老化程度，只能通過其他指標(biāo)的變化來間接反映。而關(guān)于低溫性能，國內(nèi)外產(chǎn)生了很多不同的評(píng)價(jià)方法。如低溫延度、低溫針入度、脆點(diǎn)、當(dāng)量脆點(diǎn)、彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)、直接拉伸試驗(yàn)(DTT)等等。但目前，我國仍舊采用“八五”時(shí)期提出的當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2和10 ℃延度雙指標(biāo)作為瀝青低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本實(shí)驗(yàn)采用低溫測力延度試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能。所謂測力延度試驗(yàn)，就是在傳統(tǒng)的延度試驗(yàn)加載的同時(shí)檢測出瀝青條兩端拉力的變化，并將拉力的數(shù)值顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。測力延度的拉伸速度為5 cm/min，拉伸時(shí)的溫度設(shè)置為5 ℃。

2.2 低溫指標(biāo)的選擇

標(biāo)準(zhǔn)的瀝青及改性瀝青荷載—延伸度曲線如圖1所示。

圖1中的OA段為拉力隨拉伸值的變化急速上升的線段，通常在延伸度5 mm～7 mm左右拉力迅速達(dá)到頂峰。點(diǎn)A為拉力的最大值，即Fmax值所在點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的延伸度即為Dmax值。BC段為拉力隨延伸度線性下降的線段，點(diǎn)E為BC線段的延長線與X軸的交點(diǎn)。C點(diǎn)之后瀝青進(jìn)入了變形快速增加階段，即蠕變階段。

其中測力延度曲線各項(xiàng)指標(biāo)主要有拉伸柔量f、改性瀝青當(dāng)量勁度、屈服應(yīng)變能、黏韌性面積、韌性比等等。各個(gè)指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)又各有側(cè)重點(diǎn)，因此對(duì)于瀝青低溫性能的評(píng)價(jià)要綜合各個(gè)指標(biāo)來評(píng)判。目前，黏韌性面積和韌性比在評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能中應(yīng)用最為廣泛。而在這兩個(gè)指標(biāo)中，韌性比的評(píng)判效果最佳，但因其計(jì)算方法過于復(fù)雜而推廣較為困難。因此本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)運(yùn)用韌性比指標(biāo)判斷瀝青的低溫性能，黏韌性面積指標(biāo)作輔助綜合判斷[3]。

指標(biāo)的定義如下：

1)黏韌性面積S。

黏韌性面積S是指拉力—延伸度曲線與X軸所圍成的面積。黏韌性面積S又稱為拉斷功W，指的是瀝青材料從開始變形到拉斷的過程中，外力對(duì)瀝青材料所做的功的大小。黏韌性面積及拉斷功可以更加全面的評(píng)價(jià)瀝青材料的低溫性能。

2)韌性比RT/V。

延長BC線段至X軸，OAB曲線，BE直線和X軸圍成的面積為韌性面積ST；曲線CDF，CE直線和X軸圍成的面積為粘彈性面積SV。二者的比值即為韌性比RT/V。韌性比越大，代表瀝青的低溫抗裂性能越好；反之，則表示低溫抗裂性能越差。具體公式為：RT/V=ST/SV。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)用瀝青

試驗(yàn)采用三種目前道路工程中較為常用的改性瀝青，分別是：SBS改性瀝青、SBR改性瀝青和橡膠改性瀝青。

各種瀝青的基本指標(biāo)如表1所示。

表1 改性瀝青常規(guī)指標(biāo)表

3.2 室內(nèi)模擬紫外光老化

本實(shí)驗(yàn)采用了自主研制的模擬加速紫外老化設(shè)備箱對(duì)瀝青進(jìn)行加速的紫外老化。其原理是模仿自然條件下瀝青的紫外輻射老化。設(shè)備保持在溫度25 ℃，并采用了通風(fēng)系統(tǒng)以保證老化的瀝青有充足的含氧量。紫外老化設(shè)備加裝的UV-A型高壓汞燈功率為300 W，其向外輻射的照射面積約為0.8 m2。設(shè)備帶有時(shí)間控制系統(tǒng)，每日的工作時(shí)間為20 h。將室外強(qiáng)日光紫外輻射時(shí)間轉(zhuǎn)化為室內(nèi)紫外輻射時(shí)間換算如表2所示。

表2 時(shí)間換算

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

三種改性瀝青分別進(jìn)行老化試驗(yàn)和測力延度試驗(yàn)。對(duì)測力延度測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同瀝青不同老化程度測力延度數(shù)據(jù)指標(biāo)如表3所示。

表3 原樣及老化后SBS改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)表

重點(diǎn)分析瀝青的韌性比的變化。韌性比代表瀝青在低溫拉伸狀態(tài)下韌性即塑性狀態(tài)的力和瀝青彈性狀態(tài)力的比值。瀝青的韌性占比越高，代表瀝青的低溫抗裂性能就越強(qiáng)。

由圖2可知，SBS改性瀝青未老化瀝青韌性比為4.29，加速老化相當(dāng)于室外16個(gè)月時(shí)間后，韌性比降低為2.27，降低了2.02，降低幅度達(dá)到47.1%。且前4個(gè)月就降低了1.51，占總降低比重的74.8%。分析瀝青的黏韌性面積S時(shí)，發(fā)現(xiàn)瀝青的黏韌性面積不斷的降低。說明隨著SBS改性瀝青紫外老化時(shí)間的增多，將瀝青試條拉斷所需做的功在不斷減少。主要原因是雖然在彈性力階段SBS的拉力增加可以導(dǎo)致黏韌性面積的增加。但是由于紫外老化導(dǎo)致瀝青延度的降低，瀝青的塑性階段所克服的功大大減少，故總體面積在不斷減少。

SBR改性瀝青的韌性比指標(biāo)同樣隨著老化時(shí)間的增加而不斷減少。具體情況如圖3所示。

未老化的SBR改性瀝青韌性為0.85，是SBS改性瀝青的20%，大大低于SBS改性瀝青。在紫外老化箱中老化相當(dāng)于外界16個(gè)月時(shí)間后，韌性比降低了0.464，降低幅度為55%，且大部分老化發(fā)生在前8個(gè)月，前8個(gè)月韌性比降幅占總降幅的89%。和SBS瀝青不同的是，SBR改性瀝青的黏韌性面積S隨著老化時(shí)間的增加而增加，也就意味著隨著老化時(shí)間的增多，拉斷瀝青試條所需做的功在增加。其原因是隨著瀝青的紫外老化，SBR改性瀝青的彈性性能在增強(qiáng)。其表現(xiàn)為瀝青的峰值力和瀝青蠕變狀態(tài)時(shí)的拉力的增強(qiáng)，而瀝青韌性的降低幅度小于其彈性能力的增強(qiáng)幅度，即表現(xiàn)瀝青黏韌性面積S的增加。

橡膠瀝青的韌性比隨著紫外光老化時(shí)間的增加而減少，具體情況如圖4所示。

未老化的原樣橡膠瀝青的韌性比為0.937，經(jīng)過在紫外老化加速模擬箱中老化相當(dāng)于室外16個(gè)月時(shí)間后，韌性比降低為0.449，降低幅度達(dá)到52%。且和SBR改性瀝青類似，大部分的老化都發(fā)生在前8個(gè)月時(shí)間，前8個(gè)月韌性比降幅占總降幅的88%。橡膠瀝青的屈服應(yīng)變能和黏韌性面積指標(biāo)表現(xiàn)出和SBS改性瀝青類似的特性。由于延度的減少導(dǎo)致黏韌性面積的減小部分大于彈性力增加的部分，導(dǎo)致黏韌性面積隨老化時(shí)間增加而減少。

5 結(jié)語

1)通過比較不同瀝青不同老化時(shí)間的測力延度指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)瀝青的韌性比指標(biāo)均下降了50%左右。其中SBS改性瀝青下降幅度最低為47%，橡膠瀝青次之為52%，SBR改性瀝青最差為55%。

2)瀝青的紫外老化大部分發(fā)生在前4個(gè)月～前8個(gè)月時(shí)間內(nèi)，其后隨著老化時(shí)間的增加，老化的程度的增長越來越緩慢。前8個(gè)月紫外老化對(duì)瀝青低溫性能的衰減，占共時(shí)長16個(gè)月的90%左右。

3)SBR改性瀝青16個(gè)月紫外老化后的韌性比指標(biāo)最低為0.386；SBS的低溫性能表現(xiàn)最佳，16個(gè)月老化后韌性比為2.27；橡膠瀝青表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)和SBS改性瀝青類似，在低溫拉伸階段有較強(qiáng)的塑性，16個(gè)月老化后韌性比為0.449。故瀝青在紫外老化后的低溫性能排序?yàn)镾BS>橡膠>SBR。