改性瀝青抗紫外老化性能研究

朱 程 鴻

(交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

1 概述

青藏高原強烈的紫外線輻射和高寒的氣候特性導致了高分子材料的老化現象十分明顯，路面的紫外老化病害嚴重影響了路面的性能和壽命。在西北高原地區，高強的紫外輻射和高寒的氣候是導致瀝青路面老化的重要因素。因此，在高原地區選擇有良好的抗紫外老化能力且低溫性能優良的瀝青或改性瀝青產品是迫在眉睫的。國外的F Durrieu通過紅外光譜實驗分析了傳統熱氧老化道路服務12個月老化和紫外線加速老化，發現了瀝青在紫外線暴露幾個小時后就能達到和PAV老化相同的水平，而SBS改性瀝青在鋪設12個月后達到了模擬PAV實驗一樣的水平[1]。同濟大學的康惠錦利用人工紫外老化箱，通過DSR，BBR試驗及紅外光譜等分析手段，得出了橡膠瀝青隨老化時間的增加，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于基質瀝青的結論[2]。

2 試驗及指標的選擇

2.1 低溫試驗的選擇

目前我國尚無明確的指標來表征瀝青的紫外老化程度，只能通過其他指標的變化來間接反映。而關于低溫性能，國內外產生了很多不同的評價方法。如低溫延度、低溫針入度、脆點、當量脆點、彎曲梁流變試驗(BBR)、直接拉伸試驗(DTT)等等。但目前，我國仍舊采用“八五”時期提出的當量脆點T1.2和10 ℃延度雙指標作為瀝青低溫性能的評價指標。

本實驗采用低溫測力延度試驗評價瀝青的低溫性能。所謂測力延度試驗，就是在傳統的延度試驗加載的同時檢測出瀝青條兩端拉力的變化，并將拉力的數值顯示在計算機屏幕上。測力延度的拉伸速度為5 cm/min，拉伸時的溫度設置為5 ℃。

2.2 低溫指標的選擇

標準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左右拉力迅速達到頂峰。點A為拉力的最大值，即Fmax值所在點，對應的延伸度即為Dmax值。BC段為拉力隨延伸度線性下降的線段，點E為BC線段的延長線與X軸的交點。C點之后瀝青進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指標主要有拉伸柔量f、改性瀝青當量勁度、屈服應變能、黏韌性面積、韌性比等等。各個指標相互關聯又各有側重點，因此對于瀝青低溫性能的評價要綜合各個指標來評判。目前，黏韌性面積和韌性比在評價瀝青的低溫性能中應用最為廣泛。而在這兩個指標中，韌性比的評判效果最佳，但因其計算方法過于復雜而推廣較為困難。因此本實驗重點運用韌性比指標判斷瀝青的低溫性能，黏韌性面積指標作輔助綜合判斷[3]。

指標的定義如下：

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價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

3.1 試驗用瀝青

試驗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如表1所示。

表1 改性瀝青常規指標表

3.2 室內模擬紫外光老化

本實驗采用了自主研制的模擬加速紫外老化設備箱對瀝青進行加速的紫外老化。其原理是模仿自然條件下瀝青的紫外輻射老化。設備保持在溫度25 ℃，并采用了通風系統以保證老化的瀝青有充足的含氧量。紫外老化設備加裝的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。設備帶有時間控制系統，每日的工作時間為20 h。將室外強日光紫外輻射時間轉化為室內紫外輻射時間換算如表2所示。

表2 時間換算

4 實驗結果分析

三種改性瀝青分別進行老化試驗和測力延度試驗。對測力延度測得的數據進行分析，得到不同瀝青不同老化程度測力延度數據指標如表3所示。

表3 原樣及老化后SBS改性瀝青各項指標表

重點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下韌性即塑性狀態的力和瀝青彈性狀態力的比值。瀝青的韌性占比越高，代表瀝青的低溫抗裂性能就越強。

由圖2可知，SBS改性瀝青未老化瀝青韌性比為4.29，加速老化相當于室外16個月時間后，韌性比降低為2.27，降低了2.02，降低幅度達到47.1%。且前4個月就降低了1.51，占總降低比重的74.8%。分析瀝青的黏韌性面積S時，發現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的拉力增加可以導致黏韌性面積的增加。但是由于紫外老化導致瀝青延度的降低，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同樣隨著老化時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于外界16個月時間后，韌性比降低了0.464，降低幅度為55%，且大部分老化發生在前8個月，前8個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隨著老化時間的增加而增加，也就意味著隨著老化時間的增多，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。其表現為瀝青的峰值力和瀝青蠕變狀態時的拉力的增強，而瀝青韌性的降低幅度小于其彈性能力的增強幅度，即表現瀝青黏韌性面積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，經過在紫外老化加速模擬箱中老化相當于室外16個月時間后，韌性比降低為0.449，降低幅度達到52%。且和SBR改性瀝青類似，大部分的老化都發生在前8個月時間，前8個月韌性比降幅占總降幅的88%。橡膠瀝青的屈服應變能和黏韌性面積指標表現出和SBS改性瀝青類似的特性。由于延度的減少導致黏韌性面積的減小部分大于彈性力增加的部分，導致黏韌性面積隨老化時間增加而減少。

5 結語

1)通過比較不同瀝青不同老化時間的測力延度指標，發現瀝青的韌性比指標均下降了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生在前4個月～前8個月時間內，其后隨著老化時間的增加，老化的程度的增長越來越緩慢。前8個月紫外老化對瀝青低溫性能的衰減，占共時長16個月的90%左右。

3)SBR改性瀝青16個月紫外老化后的韌性比指標最低為0.386；SBS的低溫性能表現最佳，16個月老化后韌性比為2.27；橡膠瀝青表現的力學性質和SBS改性瀝青類似，在低溫拉伸階段有較強的塑性，16個月老化后韌性比為0.449。故瀝青在紫外老化后的低溫性能排序為SBS>橡膠>SBR。