基于紫外老化的改性瀝青性能研究

葛豪

（重慶交通大學土木工程學院，重慶400074）

1 概述

現(xiàn)今如何提高瀝青路面使用壽命一直困擾著研究人員，除了通過優(yōu)化配合比設計，規(guī)范施工工藝以外，對瀝青材料本身耐久性的提高也是必要的的手段。但瀝青作為溫度敏感性材料從其生產(chǎn)到服役全過程中都極易老化。前期生產(chǎn)、運輸、攤鋪過程中在較高的溫度和氧氣的環(huán)境會發(fā)生熱老化；在服役過程中，除了受到車輛荷載作用外，還會受到太陽紫外線、溫度、水等因素作用發(fā)生各種老化[1-3]。瀝青老化后變得更硬更脆，性能受到極大影響；隨著老化程度加劇，會導致溫縮裂縫的產(chǎn)生；進而在水的影響下繼而產(chǎn)生松散、表面脫落、坑槽等破壞，嚴重制約著路面的使用壽命[4-6]。紫外光作為瀝青老化的重要誘發(fā)因素，會對瀝青產(chǎn)生重要的影響，因此有必要研究常用的道路瀝青材料紫外老化后的性能變化。本文選用了四種普遍的瀝青材料：70#基質(zhì)瀝青、SBS、SBR、橡膠瀝青（AR），利用老化前后的針入度、軟化點、粘度變化評價高溫性能變化；利用低溫延度評價瀝青低溫延展性變化，結(jié)合瀝青老化時組分變化對瀝青紫外老化進行研究。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本文所用瀝青為70#號基質(zhì)瀝青，SBS、SBR、AR 四種常用瀝青，直接由同一經(jīng)銷商提供，其基本性能指標如下：

2.2 紫外老化試驗設計

2.2.1 老化試驗流程

對試樣先進行薄膜烘箱老化（TFOT），然后再對老化殘留物進行紫外老化。測定紫外老化殘留物針入度、25℃軟化點、5℃延度、135℃粘度的變化。

2.2.2 老化參數(shù)設置

紫外老化模擬的是路面在實際野外工作環(huán)境中承受的紫外輻射。但影響紫外老化因素較多，為更貼近野外紫外老化環(huán)境，需要對老化裝置參數(shù)進行控制。試驗所用老化裝置為多功能紫外老化箱，用于模擬高分子聚合物在強輻射環(huán)境中中老化情況，可用作模擬瀝青紫外老化加速設備。紫外老化加速箱由紫外光源、溫控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、時間控制系統(tǒng)組成。設置光源輻射出365nm 的紫外光；老化箱整體溫度控制在60℃左右，這和瀝青路表夏季工作溫度較為一致；盛樣皿中瀝青為進行過TFOT 老化處理的試樣，厚度控制在1.5mm 左右。老化時間的長短則直接影響試驗結(jié)果與真實情況之間的準確性。根據(jù)等效換算法，將室外紫外輻射等效轉(zhuǎn)化為室內(nèi)紫外輻射有效時間，經(jīng)調(diào)查換算選取160h（相當于室外半年的）的老化時長用來進行室內(nèi)加速老化試驗。

表1 瀝青常規(guī)性能指標

3 試驗結(jié)果分析

紫外老化后瀝青性能變化：

觀察發(fā)現(xiàn)紫外老化后的瀝青試樣表面均出現(xiàn)不同程度的裂紋和褶皺，這是瀝青在老化過程中發(fā)生了碳化。為了進一步了解紫外老化對瀝青性能的影響，下面對瀝青老化后基本物理性能進行分析。針入度、軟化點、延度等能夠有效的評價瀝青的基本性能，因此有必要考察紫外光老化后各項指標變化情況。

圖1 紫外老化后瀝青針入度變化

針入度可以有效表征瀝青的稠度大小和軟硬程度。瀝青越軟，則稠度越小，針入度就比較大；針入度越小，稠度越高，則表示瀝青越硬。從圖中看出基質(zhì)瀝青和改性瀝青在經(jīng)歷紫外老化后都呈減小趨勢，70#殘留針入度比為0.55，而SBS,AR 殘留針入度比則達到0.75。相較于基質(zhì)瀝青，SBS,CR 改性瀝青中改性劑在瀝青會吸收一部分輕組分，因而這兩種改性瀝青老化前針入度要低于基質(zhì)瀝青。在紫外老化過程中，輕質(zhì)組分已經(jīng)較多被改性劑吸收，因而轉(zhuǎn)化形成瀝青質(zhì)相對較少，因而改性瀝青在老化針入度變化要小于基質(zhì)瀝青。

圖2 紫外老化后瀝青軟化點變化

軟化點指標可以反應瀝青的耐高溫性能。相對而言，較高的軟化點意味著瀝青在較高的溫度下仍具有一定承受能力。由從上軟化點變化來看，老化后軟化點普遍升高了。說明老化提高了瀝青的高溫性能，老化使得瀝青中的大分子含量增加，大分子的增加外在表現(xiàn)在軟化點變大，粘度增大。而SBS 老化后軟化點變化規(guī)律之所以異于其他瀝青，主要可能是SBS 添加劑在老化過程中發(fā)生的降解作用效果要大于瀝青老化變硬作用，因而SBS 短期老化軟化點沒有變化，長期紫外老化還是以瀝青的吸氧老化變硬為主為主[7]。AR 在老化后軟化點增加較小，說明AR 對紫外老化具有一定的抵抗效果，可能是膠粉中炭黑使得瀝青具有較好的抗紫外能力[8]。

圖3 紫外老化后瀝青延度變化

通過對比瀝青在紫外老化低溫延度變化情況研究紫外老化對低溫性能影響，試驗結(jié)果如圖3 所示。由圖可見基質(zhì)瀝青TFOT 老化殘留物延度比為0.545，紫外老化后殘留物延度比進一步下降到0.09，幾近脆斷狀態(tài)。老化前，SBR 在5℃延度指標超過150cm,表現(xiàn)出最好的低溫延展性。此外紫外老化后，SBR延度指標從超過150cm 大幅下降，僅達到12cm，可見SBR 老化后的低溫性能受影響較大。SBS、AR 延度下降幅度都要小于SBR，但是老化后SBS、SBR 延度仍然大于AR，說明AR 低溫延展性比較差。瀝青的粘結(jié)性和韌性和延度指標具有很大關聯(lián)，而對瀝青延展性影響較大是膠質(zhì)和芳香組分，老化后隨著膠質(zhì)和芳香組分的減少，瀝青的延展性能也受到不同程度的影響。

圖4 紫外老化后瀝青粘度變化

瀝青老化是瀝青中化學斷裂重組聚合的化學反應過程，這一過程必然導致瀝青性能的變化。粘度的變化可以反應瀝青質(zhì)組分多少變化，瀝青質(zhì)膠濃度越高粘度越大，說明老化越嚴重，因此對老化前后瀝青粘度的變化研究也十分有必要[5]。由圖4可見，紫外老化后，瀝青的粘度都有呈上升趨勢。其中基質(zhì)瀝青在紫外老化后粘度上升幅度為200%，SBS 為29%，SBR 為31%，AR 為28%，三者變化幅度差別不大，說明三種改性瀝青抗紫外老化性能相差不多但均優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

4 結(jié)論

本文研究了紫外老化后70#、SBS、SBR、AR 基本性能指標的變化，得到結(jié)論如下：

4.1 瀝青在短期、紫外老化后性能變差，表現(xiàn)在針入度、延度減小，軟化點、粘度增大。

4.2 紫外老化會損害瀝青的低溫延展性能，其中紫外老化對SBR 低溫延度損害最大,在低溫高海拔地區(qū)需對SBR 先改性才能再進行的應用。

4.3 SBS、SBR、AR 三種改性瀝青老化前后粘度變化大致相同都遠小于基質(zhì)瀝青，說明三種改性瀝青均具有一定的抗老化性。綜合比選，對于強輻射地區(qū)可優(yōu)選SBS、AR 作為鋪筑材料。

本研究僅針對瀝青老化的基本物理性能進行闡述，紫外老化對瀝青的高溫穩(wěn)定性、疲勞性能、低溫性能的具體影響還有待繼續(xù)深入。