紫外線對橡膠瀝青性能的影響研究

陳亮 王靖 陳海榮 黃元輝

摘要：文章為研究橡膠瀝青在廣西高溫多雨地區紫外老化后的性能變化，采用室內紫外照射模擬當地實際光照強度，對老化后的橡膠瀝青進行常規指標試驗、動態剪切流變試驗及低溫彎曲流變試驗。研究結果表明：隨著紫外光照時間的增加，橡膠瀝青的針入度和延度指標下降，軟化點上升，瀝青發生老化;橡膠瀝青在紫外照射后車轍因子升高，相位角下降;紫外作用使得橡膠瀝青蠕變勁度S增大，蠕變速率m減小;與基質瀝青相比，橡膠改性瀝青擁有更好的紫外老化能力。

關鍵詞：橡膠改性瀝青;紫外老化;常規指標;流變性能

0 引言

隨著我國公路建設里程不斷增加，交通運輸網逐漸完善，道路方面的工作重心開始從建設向養護方面轉變。道路從業人員加大對瀝青路面病害的防治工作，研究瀝青路面病害產生的原因及損壞機理并結合“低碳環保”等理念提出相關防治措施。其中太陽紫外線輻射是引起瀝青路面老化，導致路面使用性能劣化、耐久性能降低的主要原因，為此不少學者對此展開研究。

對于紫外線老化的研究。高明[1-2]等通過對瀝青紫外線老化前后組分的變化和性能的變化研究，從瀝青組分的變化過程中解釋了瀝青在老化后軟化點增大，針入度減小，延度減小，粘附性減小的原因。同濟大學葉奮分析研究了青藏高原日光的輻射強度和波段，利用同濟大學自主研制的紫外老化模擬箱，進行室內室外紫外模擬對比試驗，建立了瀝青紫外線老化仿真系統，并通過試驗證明，取樣進行TFOT試驗后再進行室內紫外線老化試驗來模擬瀝青實際的紫外老化行為的實驗方法是可行的[3]。通過瀝青化學組分試驗發現，瀝青四組分經過紫外光氧老化后飽和分和芳香分含量減少，瀝青質和膠質含量增多。同時通過紅外光譜分析發現PAV熱老化速率是紫外光老化氧化速率的0.34～0.68 倍[4]。吳成彬通過對青藏地區瀝青路面裂縫的實地調研發現，高原地區強烈的太陽輻射和紫外線導致瀝青路面老化進而使得瀝青層低溫性能發生損害，這直接導致了路面的低溫開裂現象[5]。栗培龍通過紫光老化模擬實驗發現，瀝青的延度隨著紫外光照射時間增長下降得較為明顯，而黏度指標卻相差不明顯，瀝青紫外老化對瀝青路用性能影響最大的是低溫性能[6]。

在“低碳環保”防治措施方面，廢舊橡膠輪胎因大量隨意堆棄，占用土地資源，污染環境，被稱為“黑色污染”。為此，道路從業人員展開相關研究，其中濕法工藝生產的橡膠瀝青使路面具有更好的抗車轍性能，降低了疲勞和反射開裂，且由于瀝青粘結膜較厚，其耐蝕性與抗老化性能較好[7-10]。在反應機理方面，Amir[11]、張向東[12]、Gawel[13]、Feipeng Xiao[14]等認為膠粉與瀝青之間主要進行的是物理溶脹反應，膠粉的溶脹反應使得橡膠瀝青的黏度得到顯著增長，并最終使得橡膠瀝青的各項性能發生改變。且橡膠瀝青制備工藝參數和原材料特性，如剪切速率、剪切溫度、物料投放順序、發育時間等都對瀝青性能產生一定的影響[15]。Zhang等[16]通過形貌觀測結果發現在橡膠瀝青中摻加SBS可顯著改善橡膠瀝青的高低溫性能。

綜上所述，對于橡膠瀝青的制備，因制備工藝參數及原材料的不同，導致其性能存在一定的差異。為此，本文根據相關的橡膠瀝青制備工藝以及廣西當地的實際情況提出一套橡膠瀝青制備工藝，研究其在當地太陽紫外輻射情況下的性能變化，以期為類似廣西高溫多雨環境地區的橡膠瀝青路面建設提供借鑒。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本文選用70#A級基質瀝青，40目橡膠粉進行橡膠瀝青制備，改性劑選用中國石化產YH-791H線型熱塑性丁苯橡膠（SBS），并選用廣西交科集團有限公司提供的白色促進劑T1與黑色穩定劑T2作為穩定劑。依據王笑風[17-18]等人對于橡膠瀝青制備工藝的研究，確定橡膠瀝青制備中膠粉、SBS、白色促進劑、黑色穩定劑、基質瀝青等材料的比例分別為20%、0.5%、2%、0.3%、100%。

1.2 試驗方法

由中國氣象局官方公布資料可知，廣西的年平均太陽光照強度為1 200 kwh/m2左右，年平均太陽光照時間為1 200 h左右[20]。各地年日照時數為1 169～2 219 h，夏季各地日照時數為355～698 h，年平均日照時長約為5 h，最高氣溫為33.7 ℃～42.5 ℃，并檢測路面溫度達到60 ℃。此外據相關研究可知，在自然環境中透過大氣層到達地面的紫外線光譜波長范圍是280～400 nm。按照波長對其劃分，UVB波長為280～320 nm，UVA波長為320～360 nm和360～400 nm，其到達地面的太陽輻射光譜能量分布[19]見表1。

根據室內外紫外線總輻射量相等的原則，以及實驗所用紫外燈輻射強度，對室內外紫外線光照時間進行折算。試驗采用固化UV紫外燈，波長為395 nm，功率為85 W，其中試樣和紫外燈輻照強度間距關系如圖1所示。紫外燈折算時間采用式（1）[19]。換算結果見表2。

綜上，瀝青試件按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[20]（JTG E20-2011）要求，采用4個直徑為140 mm的盛樣皿制備。同時參照該規范JTG E20-2011中的方法準備瀝青試樣，分別注入已稱質量的盛樣皿中，質量控制在50 g±0.5 g，瀝青薄膜厚度為3.2 mm，放入干燥器中冷卻至室溫，將盛樣皿放入烘箱中準備紫外老化試驗。試驗用紫外燈放置在試件上方15 cm左右的位置。其試驗設備如圖2所示，試驗方案如表3所示。

2 試驗結果及分析

2.1 常規試驗結果與分析

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T 604-2011、T 606-2011、T 605-2011的要求，測試紫外老化后橡膠改性瀝青試樣的針入度、延度、軟化點三大指標。試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，在同一溫度條件下，隨著光照時間的延長，橡膠瀝青針入度和延度總體上呈下降趨勢，軟化點呈上升趨勢。這主要是由于瀝青在紫外線作用下內部不飽和的C=C雙鍵遭到破壞，同時瀝青中飽和分、芳香分等組分的官能團被破壞，瀝青吸收紫外光線而發生吸氧老化反應[21]，瀝青變硬。同時由于波長在100～400 nm之間的紫外線光量子能級較高，而橡膠瀝青中化學鍵的鍵能較小，橡膠在紫外老化過程中發生了降解，交聯密度下降，輕質組分減少，重質組分增加。

2.2 動態剪切流變試驗結果與分析

試驗通過英國malvern公司BolinADSCVO-100型動態流變剪切儀（DSR），對老化前后的橡膠瀝青進行高溫性能測試。測得瀝青材料的復數剪切模量、車轍因子G*/sinδ及相位角δ等指標。其中G*/sinδ表征瀝青的抗車轍能力，在最高路面設計溫度下G*/sinδ越大，表明瀝青路面抗車轍能力越強[22-23]。相位角δ表示瀝青膠漿中黏性成分和彈性成分的比例[24]。

試驗采用直徑為25 mm振蕩板，頻率為10 rad/s，溫度區間為58 ℃～76 ℃，根據不同紫外光照時間對橡膠瀝青高溫流變性能進行測試。試驗結果如圖4、下頁圖5所示。

（1）隨著紫外光照時間的延長，瀝青老化程度逐漸提高，瀝青車轍因子在整體上呈現出不斷增大的趨勢，相位角在整體上呈現出不斷減小的趨勢。試驗中紫外老化61.1 h試樣車轍因子最大，其抗車轍性能最強，相位角最小，瀝青材料老化后黏性成分減少最多。這些數值的變化宏觀變現為在相同的溫度條件下，瀝青的剛度增加，彈性增加且瀝青的韌性下降，瀝青變脆。紫外老化的機理為促使瀝青中粘彈性比例發生變化，彈性成分增加，黏性成分降低，導致瀝青流動性降低，改善了瀝青高溫抗車轍的能力。

（2）隨著紫外老化時溫度的升高，瀝青車轍因子不斷增大，瀝青的老化程度越高，這是由于瀝青的氧化和輕質化合物的揮發導致。瀝青相位角在30 ℃、45 ℃和55 ℃下呈現不斷減小的趨勢，說明黏性組分向彈性組分轉化的程度變高，但溫度到達65 ℃時，相位角值高于30 ℃、45 ℃和55 ℃時的相位角值。考慮到相位角高溫區域可以作為瀝青中網狀結構損傷的敏感指標，相位角的增大說明瀝青中橡膠網絡和相容體系的破壞[25]。

2.3 低溫彎曲流變試驗結果與分析

彎曲梁流變試驗通過對瀝青膠結料進行低溫彎曲蠕變勁度S測試，以此評價瀝青膠結材料的低溫抗裂特性。試驗采用美國的CANNON品牌的低溫彎曲流變儀。試驗溫度一般為-12 ℃或-18 ℃，試驗荷載為980 mN±50 mN。

分別對不同紫外光照時間的瀝青試件進行測試，試驗溫度為-18 ℃，試驗測得的數據如圖6、圖7所示。

（1）隨著紫外光照時間的延長，蠕變勁度S值不斷增大，蠕變速率m不斷減小。紫外光照射使得瀝青分子躍遷到激發態，導致瀝青高分子化學鍵斷裂，斷裂的化學鍵與氧結合，生成氧化物，使得瀝青變硬、變脆，導致橡膠瀝青的低溫性能與溫度應力的消散能力不斷降低[26-27]，從而使老化瀝青的蠕變勁度S值增大、蠕變速率m值減小。

（2）不同溫度條件下，橡膠瀝青的蠕變勁度與蠕變速率隨紫外光照時間的延長變化幅度不同，下降程度為65 ℃>55 ℃>45 ℃>30 ℃。這是因為橡膠瀝青在較高溫度的環境下，存在紫外老化和熱氧老化的雙重作用[27]。熱氧老化導致橡膠瀝青發生了氧化與縮合反應，使得瀝青分子間化學鍵發生了斷裂與重組，改變了瀝青的各項官能團指數，降低了瀝青的粘附力[28]。同時，膠粉開始分解與降解，橡膠瀝青中大分子物質含量增加[29]，導致橡膠瀝青整體上變硬，進而表現為蠕變勁度S值增加，蠕變速率m值減小。

3 結語

（1）紫外光照作用使得橡膠瀝青的針入度和延度指標下降，軟化點上升，瀝青發生老化。三大指標變化趨勢均表現為前期變化幅度明顯，后期變化幅度下降。這是由于老化瀝青試件表面形成一層氧化膜，阻擋了部分氧和紫外線對瀝青的進一步老化。

（2）橡膠瀝青在紫外老化后車轍因子升高，相位角下降。這是由于橡膠瀝青進行紫外光照后，瀝青中小分子發生物質聚合，生成大分子物質，橡膠瀝青整體變硬，并且隨著紫外老化時溫度的升高，瀝青的氧化和輕質化合物的揮發，黏性組分向彈性組分轉化的程度變高，致使瀝青的老化程度進一步加深。并由此推斷出到達一定溫度時，耦合作用效應才會出現或提升。

（3）橡膠瀝青紫外老化后蠕變勁度S增大，蠕變速率m減小。這是由于瀝青在紫外光照過程中，隨著溫度的升高，熱氧老化作用開始明顯，耦合作用使得橡膠瀝青變硬變脆，導致蠕變勁度增大。

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