氙燈加速老化對瀝青混合料性能的影響

何文華，郭韋韋，楊 群

（同濟大學交通運輸工程學院，上海201804）

在紫外線輻射強烈的高寒地區，瀝青路面中的瀝青結合料易被紫外線輻射而過早老化及衰變，從而影響瀝青路面的路用性能和使用壽命。因此在高寒地區評價與選擇瀝青路面時，應考慮瀝青混合料的紫外光老化產生的影響。

當前對瀝青老化的研究以熱老化為主[1]，主要研究手段為旋轉薄膜烘箱/薄膜烘箱（RTFOT/TFOT）和壓力老化試驗（PAV）。而紫外光老化和熱老化機理并不同，因此有必要對瀝青的紫外光老化進行探討。Glotova等建立了瀝青光氧老化的機理雛形，發現瀝青光氧化的速度取決于輻射類型[2]。譚憶秋等研究了紫外光老化瀝青機理[3]，認為瀝青對熱老化和紫外線輻射的敏感度不同。葉奮等的研究表明丁苯橡膠能有效提高瀝青抗紫外光老化性能的作用[4]。吳歡和梁乃興對熱拌瀝青混合料進行光照老化對比實驗[5]，以劈裂強度為指標，發現SBR改性瀝青混合料比基質瀝青混合料表現出更好的抗紫外光線老化性。

上述文獻研究了紫外光老化瀝青的機理，針對紫外光對瀝青的老化，提出添加SBR可以提高瀝青混合料的抗紫外光老化性能，但對其他改性瀝青混合料抗紫外光老化性能的研究較少，也未提出其他改善改性瀝青混合料抗紫外光老化性能的方法。

有鑒于此，本文從紫外光對瀝青混合料性能影響的角度出發，利用氙燈老化試驗箱模擬瀝青混合料受太陽光照作用的老化，采用加速老化的方法對瀝青混合料進行老化，以馬歇爾穩定度和流值、紫外光老化前后馬歇爾穩定度和流值的變化分別評價瀝青混合料的高溫穩定性和抗紫外光老化能力。研究不同級配類型、不同瀝青、木質素纖維對瀝青混合料后對瀝青混合料抗紫外光老化性能的影響，為紫外線輻射強烈的西部高寒地區的瀝青路面設計和養護提供理論依據和應用指導。

1 瀝青混合料設計

采用的瀝青分4種：PE改性瀝青中加纖維（PE+纖維）、PE改性瀝青（PE）、基質瀝青加纖維（纖維）、基質瀝青。采用3種不同級配類型：密級配瀝青混合料、半開級配瀝青混合料、開級配瀝青混合料。混合料的制備有添加纖維和不添加纖維兩種方案，總共有24種不同的設計，每種試件的數量為4個。

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

基質瀝青采用東海AH-70#基質瀝青，PE改性瀝青選用重慶智翔公司生產的熱塑性樹脂類聚乙烯（PE）改性瀝青，技術指標見表1。

表1 瀝青主要技術指標Tab.1 Testing values of asphalt

1.1.2 集料

本試驗所用粗集料均為重慶地區玄武巖，石料潔凈、干燥、無風化、無雜質，所用細集料以及填料包括石屑、礦粉，經試驗測定質量符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）中規定的質量技術要求。

1.1.3 纖維

本實驗采用的纖維是松散狀路用木質素纖維，其主要技術指標如表2。

表2 木質素纖維的主要技術指標Tab.2 Main technical indicators of cellulose fiber

1.2 礦料級配設計

采用3種礦料級配，其配合比數據見表3。

表3 瀝青混合料礦料級配通過率Tab.3 Passing rates of mineral aggregate gradation of asphalt mixture %

通過試驗確定密級配瀝青混合料、半開級配瀝青混合料、開級配瀝青混合料的最佳油石比分別為5.1%，4.4%，4.0%。

2 紫外光老化試驗

加速老化試驗采用江蘇艾默生科技有限公司生產的氙燈老化試驗箱SN-900，用于模擬材料曝露在陽光下所產生的變化，評估材料組成變化后的耐用性變化等。在目前已知的人工光源中，氙燈老化試驗箱所獲得的光源譜線與太陽光的光譜分布比較接近[6]，采用氙燈可以很好地模擬太陽光。

由于室內強紫外線照射時間長短會直接影響試驗結果的準確性，故將室外強日光紫外線輻射時間（或量）換算成室內強紫外線輻射時間（或量）。室外參考標準取自青海省果洛州的大武鎮，其總強日光紫外線輻射量為35 kJ·（cm-2·a-1）。通過計算得出單位試件表面的紫外線輻射強度，并由此將室外強日光紫外線輻射時間換算成室內強紫外線輻射時間，換算結果見表4。

表4 室內外紫外線輻射時間換算表Tab.4 Conversion chart of indoor and outdoor ultraviolet radiation

氙燈老化試驗箱參數設定：黑板溫度60℃；箱內濕度80%；光照強度580 w·m-2；工作日定時10 h。設定氙燈老化試驗箱每天照射10 h，間隔12 h，即設備的12個工作日的總輻射量相當于室外1年總輻射量。

將制備好的24種馬歇爾時間分為兩組，一組試件不進行紫外光老化，另外一組進行紫外光老化試驗，連續光照時間為12個工作日（120 h）。

3 馬歇爾穩定度試驗結果

按最佳油石比配制瀝青混合料，進行馬歇爾試驗測得馬歇爾穩定度和流值。計算瀝青混合料馬歇爾穩定度和流值經過紫外光老化后相對于紫外光老化前的下降比。所得值為負值，說明穩定度和流值上升。

3.1 密級配瀝青混合料

對密級配瀝青混合料，試驗結果見表5和圖1，2。

表5 密級配瀝青混合料馬歇爾試驗結果Tab.5 Marshall test results of dense-graded asphalt mixture

圖1 密級配瀝青混合料馬歇爾穩定度對比分析圖Fig.1 Marshall stability comparative analysis of dense-graded asphalt mixture

圖2 密級配瀝青混合料流值對比分析圖Fig.2 Flow value comparative analysis of dense-graded asphalt mixture

從圖1可以看出，經過紫外光老化后的密級配瀝青混合料的穩定度都產生了不同程度的下降。從表5穩定度的變化可以看出，經過紫外光老化后，添加纖維后的穩定度下降（為4.5%）遠小于未加纖維的PE改性瀝青混合料的穩定度的下降（為28.0%）；添加纖維之后基質瀝青混合料紫外光老化后的穩定度只有輕微的下降。這說明添加纖維有利于減少密級配瀝青混合料的穩定度的下降，但對于基質瀝青混合料的減小幅度遠不如PE改性瀝青混合料明顯。

從圖2可以看出不同瀝青種類的密級配瀝青混合料經過紫外光老化后的流值變化規律復雜。在未添加纖維時，PE改性瀝青和基質瀝青混合料紫外光老化后的流值都增大了，添加纖維之后的PE改性瀝青和基質瀝青混合料經紫外光老化后的流值都有所下降，下降幅度分別為4.7%和2.6%。

從以上分析可以發現添加纖維有利于提高密級配瀝青混合料抗紫外光老化性能。

3.2 半開級配瀝青混合料

對于半開級配瀝青混合料，試驗結果見表6和圖3，4。

從圖3可以看出，經過紫外光老化后，半開級配瀝青混合料的穩定度下降較為接近。通過對表6的分析得，經過紫外光老化后，添加纖維的PE改性瀝青混合料的穩定度的下降（為9.9%）小于未加纖維的PE改性瀝青混合料的穩定度下降（為12.2%）；添加纖維的基質瀝青混合料紫外光老化后的穩定度下降（為8.5%）也小于未加纖維的基質瀝青混合料紫外光老化后的穩定度下降（為13.8%）。

表6 半開級配瀝青混合料馬歇爾試驗數據Tab.6 Marshall test results of half open-graded asphalt mixture

圖3 半開級配瀝青混合料馬歇爾穩定度對比分析圖Fig.3 Marshall stability comparative analysis of half open-graded asphalt mixture

圖4 半開級配瀝青混合料流值對比分析圖Fig.4 Comparaative analysis of flow value of semi-open-grcled bituminous paving mixtures

從圖4可以看出，經過紫外光老化后，半開級配瀝青混合料的流值都發生了較大的下降。從表6的計算可以看出，紫外光老化之后，未添加纖維的PE改性瀝青混合料的流值下降為41.6%，接近于添加纖維之后流值的下降幅度（44.2%）；在添加纖維前后，基質瀝青混合料紫外光老化后的流度下降分別為27.3%，32.0%。

通過上述分析，纖維的添加減少了半開級配瀝青混合料紫外光老化后穩定度的下降幅度，而流值在紫外光老化之后的下降幅度并沒有變大，可以認為添加纖維沒有顯著提高半開級配瀝青混合料的抗紫外光老化性能。

3.3 開級配瀝青混合料

對開級配瀝青混合料，試驗結果見表7和圖5，6。

從圖5可以看出，經過紫外光老化后，開級配瀝青混合料的穩定度都下降了。從表7可以得出，未添加纖維的PE改性瀝青混合料紫外光老化后的穩定度下降反而比添加纖維之后的穩定度下降幅度要大；未添加纖維之前，基質瀝青混合料紫外光老化后的穩定度下降了23.6%，添加纖維之后的穩定度下降了4.7%。

從圖6可以看出，經過紫外光老化后，不同瀝青種類的開級配瀝青混合料的流值也都下降了。從表7可以看到，未添加纖維的PE改性瀝青混合料紫外光老化后的流值下降遠小于比添加纖維之后的穩定度下降幅度，分別為2.3%和14.7%；未添加纖維之前，基質瀝青混合料紫外光老化后的流值下降了14.2%，添加纖維之后的流值下降了9.1%。

可以看出，添加纖維增大了PE瀝青混合料紫外光老化后的穩定度和流值的下降幅度，但添加纖維后，基質瀝青混合料紫外光老化后的穩定度和流值的下降幅度明顯。

表7 開級配瀝青混合料馬歇爾試驗數據Tab.7 Marshall test results of open-graded asphalt mixture

圖5 開級配瀝青混合料馬歇爾穩定度對比分析圖Fig.5 Marshall stability comparative analysis of open-graded asphalt mixture

圖6 開級配瀝青混合料流值對比分析圖Fig.6 Flow value comparative analysis of open-graded asphalt mixture

4 分析與討論

用馬歇爾穩定度和流值評價瀝青混合料的高溫穩定性。從表5～7的數據及圖1～6可以看出，對于相同級配類型的瀝青混合料，無論是否添加纖維，PE改性瀝青混合料的馬歇爾穩定度和流值一般都大于基質瀝青混合料。說明改性PE瀝青的高溫穩定性優越于基質瀝青。

對于密級級配瀝青混合料，馬歇爾穩定度和流值按大小次序表現為：PE＜PE+纖維。對于半開級配和開級配瀝青混合料，馬歇爾穩定度和流值按大小次序基本上符合以下規律：基質瀝青＜纖維＜PE＜PE+纖維。這說明摻加纖維能夠有效改善瀝青混合料的高溫穩定性。

從級配類型出發，無論是否添加纖維，對于不同級配的PE改性瀝青混合料的馬歇爾穩定度和流值大小次序為：開級配＜密級配＜半開級配。對于不同級配的基質瀝青混合料的馬歇爾穩定度和流值大小次序為：開級配＜半開級配＜密級配。

用瀝青混合料紫外光老化后的馬歇爾穩定度和流值的變化（主要是下降）評價瀝青混合料的抗紫外光老化能力。紫外光老化后，混合料的馬歇爾穩定度和流值下降越小，表明混合料的抗紫外光老化能力越強。對比添加纖維前后不同級配的瀝青混合料的抗紫外光老化能力，纖維對瀝青混合料的抗紫外光老化改善程度大小次序為：開級配＜半開級配＜密級配。而對于不同的級配，密級配的空隙率最小，開級配的空隙率最大，半開級配的空隙率居中。

出現上述結論的原因可能是，模擬太陽光的氙燈同樣包含頻率不一的長短波，一般高分子材料的敏感波段在290～400 nm，而波長為200～400 nm的紫外線可使瀝青的分子鏈處于激發態，在氧的存在下發生自動光氧反應，而高溫將加速光氧老化過程[7]，使得材料的力學性能明顯下降，這一短波中紫外線占最主要的部分。試件空隙率較大，紫外線光照更容易穿過瀝青膜，穿透到試件的一定深度，而較大空隙率的試件與空氣接觸更充分，紫外光老化也就更嚴重。

添加木質素纖維后瀝青混合料的抗紫外光老化性能有了不同程度的提高，這種現象的出現可能與木質素的紫外光譜的特征吸收峰有關。木質素的紫外光譜的特征吸收峰，首先是在280 nm附近很強的吸收，其實是在210 nm附近的吸收；另外在230 nm及310～350 nm附近有弱的吸收峰[8]，這使得木質素纖維對紫外光有強烈的吸收。纖維瀝青混合料中木質素纖維盡管被瀝青結合料所裹覆，但木質素纖維依然能吸收一定量的從瀝青膜穿透的紫外線，從而在一定程度上改善瀝青混合料的抗紫外光老化性。

5 結語

1）用馬歇爾穩定度和流值評價瀝青混合料的高溫穩定性。改性PE瀝青的高溫穩定性優越于基質瀝青。從級配類型出發，無論是否添加纖維，PE改性瀝青混合料的高溫穩定性的大小次序為：開級配＜密級配＜半開級配。基質瀝青混合料的高溫穩定性的大小次序為：開級配＜半開級配＜密級配。

2）用瀝青混合料紫外光老化后的馬歇爾穩定度和流值的變化（主要是下降）評價瀝青混合料的抗紫外光老化能力。摻加纖維可以有效提高瀝青路面的高溫穩定性及抗紫外光老化性能，說明在高寒地區的公路建設中可以考慮應用木質素纖維來提高路面的路用性能。

3）纖維對不同級配類型的瀝青混合料的抗紫外光老化改善程度大小次序為：開級配＜半開級配＜密級配。從高溫穩定性和抗紫外光老化性能出發，可以認為密級配瀝青混合料相對比其它兩種級配更適合于紫外線輻射強烈的西部高寒地區的應用。

[1]龐凌.瀝青紫外光老化特性研究[D].武漢：武漢理工大學，2008：4-6.

[2]GLOTOVA N A，KATS B I，GROSHKOV V S.Photoxidation of asphalts in thin films[J].Chemistry and Technology of Fuels and Oils，1974，10（11）：876-879.

[3]譚憶秋，王佳妮，馮中良，等.瀝青結合料紫外光老化機理[J].中國公路學報，2008，21（1）：19-24.

[4]葉奮，孫大權，黃彭，等.瀝青強紫外線紫外光老化性能分析[J].中國公路學報，2006，19（6）：34-39.

[5]吳歡，梁乃興.SBR改性瀝青混合料紫外光照老化分析[J].重慶交通學院學報，2007，26（2）：72-74.

[6]邵若燕.連續氦燈在太陽模擬器中的應用研究[J].光源與照明，2008，12（4）：18-20.

[7]魏榮梅，余劍英，吳少鵬，等.紫外光老化對瀝青化學族組成和物理性能的影響[J].石油瀝青，2006，20（1）：6-10

[8]蔣挺大.木質素[M].2版.北京：化學工業出版社，2009：58-59.