炭黑對紫外光老化后瀝青及瀝青混合料低溫性能影響分析

伍任雄，史靈玉

（重慶建工住宅建設有限公司，重慶 400015）

0 引言

隨著我國西部公路建設的飛速發展，西藏、青海與新疆等部分高海拔地區廣泛采用了瀝青路面結構，這些地區由于海拔高、空氣稀薄、紫外線輻射強烈，導致瀝青路面發生光氧老化，路面變脆變硬，進而使路面的低溫性能和疲勞耐久性下降，產生大量裂縫，降低了路面的使用壽命[1-4]。

許多學者針對此問題展開了大量研究，郭韋韋[5]采用氙燈老化箱對瀝青混合料進行加速老化模擬，通過低溫劈裂試驗與低溫彎曲試驗證明紫外光會對瀝青混合料低溫性能產生顯著影響，SBR添加劑可有效防止瀝青混合料發生光氧老化，改善其低溫性能。王佳妮[6]運用動態流變學手段和時溫等效原理對紫外光老化前后的瀝青進行了力學行為和瀝青聚集態變化分析，證明光老化使瀝青膠質發生締合并形成超分子結構逐漸沉積，使原來瀝青中的溶膠轉變為凝膠，膠體轉化為固體。鄭南翔[7]建立了光老化后瀝青性能衰減規律及老化速率的預估方程，通過驗證能精確預測瀝青針入度、延度和粘度的衰減規律，并量化了瀝青老化速率與最終老化程度兩種指標。

根據目前研究情況，筆者從西藏林芝地區實際情況出發，根據炭黑材料屏蔽紫外線的特性，采用紫外光加速老化箱對添加炭黑與無炭黑的瀝青和瀝青混合料進行加速老化，并對老化后的瀝青與瀝青混合料進行低溫性能研究，以期為西藏等高海拔、紫外線輻射強烈地區的光老化研究提供參考。

1 原材料及技術指標

筆者采用90#A級瀝青為研究對象，具體指標如表1所示。炭黑是一種無定形碳，其顆粒粒徑極小，質量輕，通常呈黑色粉末狀（圖1），可以形成隔離層，對太陽光中的高頻率光波進行吸收[8]。單位質量的炭黑所具有的總表面積非常大，范圍從10～3000m2/g不等，是含碳物質在空氣不足的條件下經不完全燃燒或受熱分解而得的產物，炭黑指標如表2所示?；旌狭霞壟洳捎肁C-20結構，該級配為懸浮密實結構，以提高瀝青路面在高寒地區的低溫抗裂能力[9]，各篩孔通過率見表3。

表1 90#A級瀝青基本指標

表2 炭黑技術指標

表3 瀝青混合料級配

圖1 炭黑樣品

2 炭黑摻量的確定

由于西藏地區特殊的極端低溫環境，瀝青與炭黑混合后形成非均相體系，不合理的炭黑摻配比例會對瀝青混合料低溫性能產生不利影響[10]。因此，在混合料中摻入炭黑的最佳比例應以低溫彎曲破壞應變的性能來確定，炭黑初步定為瀝青質量的6%、8%、10%、12%、14%五種摻量，混合料中摻入不同比例炭黑的低溫彎曲破壞應變及最佳油石比如表4所示。

表4 摻加炭黑后瀝青混合料試驗結果

由表4可知，由于炭黑對油類物質具有很強的吸附性，因此混合料中炭黑比例的增加會導致最佳油石比同步提升。當混合料中炭黑比例由6%升至14%時，低溫彎曲破壞應變的數值會出現由小增大，再由大減小的波形曲線，炭黑比例在10%時，低溫彎曲破壞應變的數值出現波峰。分析原因為當炭黑比例由6%開始逐步提升時，油石比也會隨之增加，同時瀝青膜的有效厚度也會隨之增加，繼而使瀝青混合料的柔性模量隨之增大，極限破壞應變增加；但當炭黑比例持續增加時，混合料中炭黑含量過多，出現聚集現象，形成團粒，使炭黑無法均勻散布在瀝青中，當受到外部作用力時，易出現應力集中現象。而且由于炭黑極強的吸油性，過多的炭黑會降低有效瀝青含量，使瀝青膜有效厚度銳減，集料間缺少足夠的粘結能力，導致低溫彎曲破壞應變降低。通過數據分析可知，炭黑的摻入比例宜為瀝青質量的10%。

3 試驗方案

3.1 輻射量當量計算

西藏林芝地區輻射量為13.5MJ·m-2·day-1，紫外光能量約占5%[11]。試驗采用的紫外線加速老化試驗箱共有8根UVB紫外線燈管，每支燈管輻射強度為350W·m-2，根據能量等效原則可知，實驗室紫外光輻射強度與室內照射時間的作用結果可看作自然紫外光輻射強度與室外照射時間的作用結果。老化試驗箱每天工作16h，間隔8h模擬晝夜交替，換算結果見表5。老化試驗箱在照射過程中部分輻射能轉化為熱能，隨著照射時間增加，試驗箱內試樣溫度不斷升高，為了更好地反映瀝青路面實際溫度水平，模擬路面紫外線老化過程，箱內采用內置的水冷設施進行控溫，使試驗箱內溫度穩定在40℃～50℃，在此溫度區間可忽略溫度對紫外光老化的影響[12]。

表5 室內外紫外線輻射時間換算

3.2 瀝青試驗

炭黑粉體的物理特性使其在攪拌時極易發生凝結現象，為保證混合料的均勻性，必須采用高速剪切的方法，利用高速剪切設備破壞其凝結的過程。首先，取2.5kg的基質瀝青在高溫（≥135℃）作用下形成流體，放入保溫油浴鍋中，啟動高速剪切設備；然后放入炭黑粉體，使高速剪切設備維持在2500r/min狀態30min，使炭黑粉體與成流體的基質瀝青充分混合后，分組倒入承托盤中進行紫外線老化模擬。

根據托盤面積與瀝青密度計算添加瀝青的質量，控制瀝青膜厚度在500～700μm。未受紫外線照射的瀝青為對照組，實驗組瀝青分別用紫外線照射0d、1d、2d、3d、4d和5d，參照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）進行針入度、5℃延度和BBR試驗。

3.3 瀝青混合料試驗方案

為進一步研究炭黑對經紫外線照射后的瀝青混合料溫度敏感性的影響，對摻有炭黑比例為10%與未摻有炭黑且都經過紫外線照射的瀝青混合料進行低溫彎曲試驗和低溫劈裂試驗探究。將兩種瀝青混合料攤鋪在托盤中，每組分別輻射0d、1d、2d、3d、4d和5d，進行紫外線加速老化，照射期間每隔12h烘軟翻拌一次。紫外線老化后按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》制成標準小梁與劈裂試驗試件。

4 試驗結果分析

4.1 瀝青試驗結果分析

4.1.1 針入度指標

針入度可以體現在瀝青在不同溫度下的穩定性和抗裂性上，是我國道路石油瀝青標號劃分的重要指標，參照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》，對摻入炭黑與未摻入炭黑的瀝青混合料進行25℃針入度試驗，試驗結果見表6。

表6 不同紫外線照射時間下25℃針入度試驗結果

由表6可看出，加入炭黑以后，瀝青25℃針入度有所降低，說明添加炭黑的瀝青高溫性能提升，這是由炭黑很強的吸油性所致，即炭黑顆粒對混合料中的油分子產生了吸附作用，形成大分子，使瀝青稠度提高。當紫外線照射時間增加，參與試驗的瀝青混合料針入度都逐漸降低，說明紫外線對瀝青混合料產生了不利影響，使其逐漸老化。

與未經紫外線照射的瀝青相比，摻入一定比例炭黑的瀝青混合料被照射5d后25℃針入度降低了6.9%，未摻入炭黑的瀝青25℃針入度降低了7.5%，摻入炭黑的瀝青針入度降幅低于未摻入炭黑瀝青，說明炭黑顆粒吸收了一部分紫外線，降低了瀝青老化水平。

4.1.2 5℃延度指標

低溫延度可理解為低溫下的拉伸能力，能反映瀝青材料在低溫環境下的抗裂能力。參照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》，對摻入一定比例炭黑與未摻入炭黑的瀝青混合料進行低溫延度試驗，試驗結果見表7所示。

表7 不同紫外線照射時間下5℃延度試驗結果

由表7可知，兩種瀝青5℃延度隨著紫外線老化輻射時間的增加而降低，低溫條件下極限拉應變減小，說明紫外線對瀝青混合料產生了不利的老化影響，使瀝青混合料的低溫抗裂性能降低。與未受紫外線照射的瀝青混合料相比，摻入一定比例炭黑的瀝青延度降低了33.2%，未摻入炭黑瀝青延度降低了43.5%，證明添加炭黑可以減緩瀝青紫外線老化，延緩瀝青低溫抗裂性能下降的時間。

4.1.3 BBR試驗結果

BBR試驗可以直觀反映瀝青在低溫環境下的蠕變勁度模量和應力松弛能力，根據ASSHTO MP5方法，設定溫度為-12℃，荷載施加時間為60s，試驗結果見表8。

表8 不同紫外線照射時間下蠕變勁度與m值試驗結果

由表8可知，兩組瀝青蠕變勁度與紫外線照射時間成正比，m值與紫外線照射時間成反比，說明紫外線使瀝青脆性增加，應力松弛水平下降，降低了瀝青低溫抗裂性能。與未經紫外線照射的瀝青相比，5d紫外線照射后添加炭黑瀝青的蠕變勁度增加了34.1%，m值下降了7.6%，未添加炭黑瀝青蠕變勁度增加了46.6%，m值下降了11.6%。說明炭黑可有效吸收紫外線，使瀝青在紫外線老化后仍具有較高的柔性和應力松弛水平，在高寒低溫環境下，與普通瀝青相比具有更優良的抗裂性能。

4.2 瀝青混合料試驗結果分析

4.2.1 小梁低溫彎曲試驗

將紫外線老化后的瀝青混合料制成標準小梁試件，在－10℃條件下保持1h后，進行跨中單點加載，加載速率為50mm/min。

試驗結果顯示，抗彎拉強度和低溫彎曲破壞應變兩個參數不能完全反映出瀝青混合料的路用性能，甚至會得出互為矛盾的結論。為了更加清晰反映出瀝青混合料的低溫抗裂性能，筆者根據彎曲應變能密度函數的計算結果來表現瀝青混合料的低溫抗裂能力，密度函數值越大，說明混合料低溫性能越好，其受破壞時所需能量越高[13-15]。公式為：

式中：dW/dV為應變能密度（kJ/m3），εij為應變分量，σij為應力分量，ε0為最大彎拉應力對應的應變值。計算時需要將應力應變關系回歸為三次多項式，其可靠度將大于99%。由試驗結果計算所得應變能如表9、圖2所示。

表9 瀝青混合料的彎曲破壞實驗結果

圖2 瀝青混合料的彎曲破壞曲線

由表9和圖2可知，兩種瀝青混合料應變能密度隨著光照時間增加而減小，在輻射1d（對應室外輻射52d）后下降幅度最大，說明紫外光老化主要發生在瀝青路面鋪筑后的前兩個月。對照組預實驗組兩種瀝青混合料5d老化后的應變能密度與未老化前相比分別減少了66.8%與57.3%，說明炭黑吸收紫外光降低了瀝青混合料光老化水平，有效減緩了瀝青路面低溫性能的下降，可減少瀝青路面因光老化造成的低溫開裂。

4.2.2 低溫劈裂試驗

將紫外線老化后的瀝青混合料制成標準馬歇爾試件在－10℃條件下保溫1h后進行加載，加載速率為1mm/min，試驗結果如表10、圖3所示。

表10 不同紫外線照射時間下劈裂強度試驗結果

圖3 瀝青混合料的劈裂強度曲線

由表10和圖3可知，實驗組和對照組的低溫劈裂強度均隨著紫外線光照時間的增加先增大后減小，實驗組劈裂強度在輻射4d后達到最大值，對照組劈裂強度在輻射3d后達到最大值，實驗組強度變化幅度小于對照組。實驗組最大劈裂強度比未老化時劈裂強度增加了7.3%，對照組最大劈裂強度比未老化時劈裂強度增加了8.0%。說明實驗組由于炭黑的作用，瀝青混合料對紫外光的敏感度低于對照組。

分析原因為：前期紫外線光照使瀝青發生老化，勁度模量變大，混合料硬度增加導致劈裂強度增大，隨著光照時間增加，瀝青粘度下降，導致瀝青與集料黏附性下降，表現為劈裂強度先上升后下降；炭黑吸收部分紫外線導致瀝青老化速率變慢，老化水平低于無炭黑瀝青混合料，導致實驗組劈裂強度變化幅度較緩。

5 結論

（1）炭黑作為一種紫外光屏蔽劑加入瀝青后，經過相同時間紫外線輻射，與基質瀝青相比，針入度、5℃延度與m值降幅減小，蠕變勁度增幅降低，說明炭黑可吸收太陽光中部分紫外線，使瀝青在紫外線老化后仍具有較高的柔性和應力松弛水平，在高寒低溫環境下，與普通瀝青相比具有更優良的抗裂性能。

（2）添加炭黑與無炭黑兩種瀝青混合料在室內輻射1d（等效于林芝地區室外輻射52d）時各低溫指標下降最快。相同紫外光輻射條件下，添加炭黑瀝青混合料相比無炭黑瀝青混合料應變能密度具有較小的下降幅度，低溫劈裂強度變化幅度較低，達到最大老化水平的時間更長，說明添加炭黑的瀝青混合料具有較低的紫外光敏感度與較好的抗光老化耐久性。

（3）建議將炭黑用于我國青藏高原等紫外線輻射強烈、夏涼冬寒地區的瀝青路面工程中，可有效提高瀝青路面的抗光老化性能，減緩紫外光老化導致的瀝青路面低溫性能下降，減少路面因溫度裂縫而引發的道路結構性損傷，保持路面使用狀態，提高路面使用周期。