瀝青紫外光室內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化成室內紫外線輻射總有效時間的換算方法，得出了室內外總有效時間之間的轉換關系，但沒有交代清楚燈管的波段、太陽紫外光如何轉換等過程；李變華依據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關鍵短波區域，峰值為340 nm。

表1 太陽光光譜分類

根據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

根據國內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 不同季節的太陽光光譜

季節紫外光光譜波長/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。根據國內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，并在箱體內側邊安裝一臺小風扇控制箱體內溫度(見圖3)。通過對室內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。在進行室內紫外光加速老化模擬時可據此調節輻照度。

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。根據該函數表達式，可方便地調節輻照度。

3 室內紫外光照射時間換算

表4為1960—2008年廣東省各地區受到的年平均日照總時數。為對瀝青進行長期紫外光老化模擬，選取廣東地區平均日照時數進行室內外光照時間換算。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年廣東省各地區和全省年平均日照總時數

為防止過大的紫外光輻照度使瀝青產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。考慮到室內加速老化與室外老化的差異，對室內紫外光輻照度進行折減，折減系數為1.5。根據室內與室外紫外光輻射總量相等的原則，得到室內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為折減后室內紫外光輻射量(kJ/m2)；T為室內紫外光輻照時間(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為不同地區年平均每日的太陽光照射時間(h/d)，廣東地區為5 h/d。

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

表5 廣東地區室外紫外光照射時間與室內紫外燈

4 結語

以廣東地區為例，根據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。根據室內與室外紫外光輻射總量相等的原則，得出室內紫外光輻照時間與室外太陽光輻照時間的

換算公式。