瀝青紫外光室內(nèi)外老化時間等效換算研究

王輝， 丁磊， 任冶

(長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

瀝青老化一直是瀝青路面工作者關注的重點之一，但紫外光老化研究因條件和手段等原因進展一直不理想。近年來不少研究者研發(fā)了相關瀝青紫外光老化裝置，但對裝置的光照強度控制及光照時間方面的研究仍有不足。賈逸勤、李惠霞、謝祥兵等研究了室內(nèi)紫外光輻照時間的換算；葉奮等采用將室外紫外線輻射總有效時間轉(zhuǎn)化成室內(nèi)紫外線輻射總有效時間的換算方法，得出了室內(nèi)外總有效時間之間的轉(zhuǎn)換關系，但沒有交代清楚燈管的波段、太陽紫外光如何轉(zhuǎn)換等過程；李變?nèi)A依據(jù)燈管功率和輻射面積計算紫外光輻照度，并通過與室外光強換算得到室內(nèi)外紫外光輻照度換算關系，但紫外光燈所代表的波段有限，與室外光強的換算還需深入研究。該文采用室內(nèi)與室外紫外光輻射總量相等的原則和加權平均法進行室內(nèi)紫外光輻照時間和室外太陽光輻照時間的等效換算，依托廣佛肇(廣州—佛山—肇慶)高速公路項目，著重考慮瀝青在廣東地區(qū)紫外光老化情況下所受到的紫外光輻照度和光照時間。

1 太陽紫外光輻照度換算

太陽光可分為紫外光譜B、紫外光譜A、可見光譜、紅外光譜四部分(見表1)，對瀝青光老化起作用的是紫外光譜B和紫外光譜A(見表1)。

當太陽照射在地球表面時，其紫外光譜的波長為280～400 nm，該波段的紫外光譜占太陽總光譜的6%。對于模擬室外太陽光輻照度來說，室內(nèi)紫外光老化的光源不能模擬全光譜太陽光，紫外光的短波段300～400 nm對于曝露在室外的瀝青是造成其光老化損害的主要來源。在紫外線的短波區(qū)域即280～365 nm，紫外老化燈管能很好地模擬太陽光。一般紫外光燈管有UVA、UVB、UVC 3種類型，其中：UVA型燈管對太陽光的紫外短波段模擬效果好，其光譜能量分布(SPD)在太陽光的截止點到約360 nm范圍內(nèi)與太陽光譜非常吻合；UVB型燈管被廣泛應用于紫外光老化箱體中，它與UVA型燈管相比能更快地使材料老化，但它比太陽光截止點更短的波長量可能會對瀝青產(chǎn)生不切實際的結果。因此，UVA型燈管對于模擬瀝青紫外光老化最適用，其中UVA-340最適于模擬太陽光295～365 nm關鍵短波區(qū)域，峰值為340 nm。

表1 太陽光光譜分類

根據(jù)GB/T 16422.3-1997《塑料實驗室光源暴露試驗方法第3部分:熒光紫外燈》，進行老化模擬試驗時，可將大部分地區(qū)的太陽光光譜近似看成圖1所示夏天正午太陽光譜。

圖1 UVA-340型燈管與太陽光光譜對照

根據(jù)國內(nèi)外相關研究及實際情況，不同紫外光譜能量分布與換算見表2。

表2 地面太陽輻射光譜能量分布與換算

按紫外光譜將波長280～400 nm分為280～320、320～360、360～400 nm三部分，每部分取平均輻照度，結果見圖2、表3。

圖2 不同季節(jié)的太陽光光譜

季節(jié)紫外光光譜波長/nm波段平均輻照度/(W·m-2)夏季紫外光譜B280～3200.15紫外光譜A320～3600.63紫外光譜A360～4000.85冬季紫外光譜B280～3200.03紫外光譜A320～3600.20紫外光譜A360～4000.45

按照加權平均法分別計算不同季節(jié)的太陽光輻照度，夏季為0.15×(1/15)+0.63×(6/15)+0.85×(8/15)=0.72 W/m2，冬季為0.03×(1/15)+0.2×(6/15)+0.45×(8/15)=0.32 W/m2。為更準確地模擬全年瀝青室外紫外光老化，選擇夏季和冬季紫外線輻照度的平均值，即0.52 W/m2。

2 室內(nèi)紫外光照射試驗分析

采用的紫外光反應箱體由抗腐蝕性的鋼制作而成，反應室的幾何尺寸為700 mm×380 mm×350 mm。根據(jù)國內(nèi)外研究成果和實際情況，選用UVA-340紫外光燈管，安裝在箱體頂部的中間，長度為600 mm，距離箱體底部29 cm，并在箱體內(nèi)側邊安裝一臺小風扇控制箱體內(nèi)溫度(見圖3)。通過對室內(nèi)紫外光老化箱體進行測試，得出不同高度、不同電壓下箱體內(nèi)紫外光光照強度。

圖3 紫外光老化箱

試驗過程中，材料表面溫度為35 ℃。引起瀝青材料光氧化的主要原因：一是紫外光強度，材料老化速率隨著強度的增強而加快；二是溫度，通常近地面黑色物體的表面溫度為20～80 ℃。其中溫度對瀝青材料的影響遠大于紫外光強度的影響，80 ℃以下的瀝青可不考慮溫度的影響。

為分析紫外光燈管不同輻照度對瀝青材料的影響，盡可能多地選取不同的輻照度。通過改變電壓及試件距離燈管的高度調(diào)整紫外光光照強度，得出不同高度、不同電壓下紫外光光照強度。箱體內(nèi)紫外光強度采用紫外線輻照計測定。不同高度、不同電壓下紫外線輻照度分別見圖4、圖5。

圖4 不同高度下紫外線輻照度(電壓220 V)

圖5 不同電壓下紫外線輻照度(距離紫外線燈24 cm)

從圖4可看出：在相同電壓下，燈管高度與紫外光幅照度近似成線性關系，隨著燈管高度的減小，試件受到的紫外光輻照度增強，其相關關系為y=-0.265 2x+10.627。在進行室內(nèi)紫外光加速老化模擬時可據(jù)此調(diào)節(jié)輻照度。

從圖5可看出：在紫外光燈管高度相同的情況下，電壓與紫外光輻照度成較好的線性關系，紫外光輻照度隨著電壓的增大而增強，其相關關系為y=0.021 4x-0.602 5。根據(jù)該函數(shù)表達式，可方便地調(diào)節(jié)輻照度。

3 室內(nèi)紫外光照射時間換算

表4為1960—2008年廣東省各地區(qū)受到的年平均日照總時數(shù)。為對瀝青進行長期紫外光老化模擬，選取廣東地區(qū)平均日照時數(shù)進行室內(nèi)外光照時間換算。廣東省1960—2008年的平均日照時間為1 825.2 h，每天的日照時間為1 825.2/365=5 h。

表4 1960—2008年廣東省各地區(qū)和全省年平均日照總時數(shù)

為防止過大的紫外光輻照度使瀝青產(chǎn)生過快老化而影響試驗結果，采用電壓220 V、與紫外線燈管距離20 cm時的紫外線輻照度5.23 W/m2?？紤]到室內(nèi)加速老化與室外老化的差異，對室內(nèi)紫外光輻照度進行折減，折減系數(shù)為1.5。根據(jù)室內(nèi)與室外紫外光輻射總量相等的原則，得到室內(nèi)紫外光輻照時間與室外太陽光輻照時間的換算公式：

(1)

H=YZD

(2)

(3)

式中：W為折減后室內(nèi)紫外光輻射量(kJ/m2)；T為室內(nèi)紫外光輻照時間(h)；X為紫外燈管輻照強度(W/m2)，取5.23 W/m2；H為室外太陽紫外光輻射量(kJ/m2)；Y為太陽紫外光輻照強度(W/m2)，取0.52 W/m2；Z為室外太陽光輻照時間(d)；D為不同地區(qū)年平均每日的太陽光照射時間(h/d)，廣東地區(qū)為5 h/d。

由式(3)求得廣東地區(qū)室外紫外光照射時間與室內(nèi)紫外光燈照射時間的對應關系見表5。

表5 廣東地區(qū)室外紫外光照射時間與室內(nèi)紫外燈

4 結語

以廣東地區(qū)為例，根據(jù)不同波長紫外光輻射占太陽光總輻射的比例，采用加權平均法計算太陽紫外光輻照度，基于自主研發(fā)的紫外光老化箱體，采用UVA-340型號燈管模擬室外紫外光老化。結果顯示：電壓、燈管高度與紫外光輻照度之間存在近似線性關系，在紫外光燈管高度相同的情況下，紫外光輻照度隨著電壓的增大而增強；在電壓相同的條件下，紫外光輻照度隨著紫外線燈管高度的增加而降低。根據(jù)室內(nèi)與室外紫外光輻射總量相等的原則，得出室內(nèi)紫外光輻照時間與室外太陽光輻照時間的

換算公式。