光穩定劑改性瀝青路面材料性能研究與微觀形貌表征

倉 智，李 保

（山西交通控股集團有限公司 大同北高速公路分公司，山西 大同 037000）

0 引言

隨著《國家公路網規劃（2013年—2030年）》的發布，到2030年國家公路網規模將達到580萬km，其中有1.8萬km的遠期展望線將分布在我國的西部地區[1]。然而，西部地區現有道路在使用階段常出現裂縫、坑槽、車轍等病害，在高原高海拔地區的惡劣條件下這些現象顯得尤為突出。西部地區晝夜溫差大、日照時間長、紫外線輻射強度高等環境特點會使路面提前老化而變硬變脆，影響了道路的正常使用和行車舒適性，并增加了路面維修和養護成本，與路面的長壽命、耐久性的設計理念相違背[2-3]。因此，合理控制瀝青路面材料的紫外老化行為，對于西部地區瀝青路面長壽命化發展具有重要意義。

從宏觀角度來看，紫外線輻射引起瀝青內部結構變化，瀝青面層在短時間內迅速泛白，并逐漸變硬、變脆，失去了原有性能后的面層與下層的接觸變弱，使得面層易剝落；同時老化后的瀝青黏度下降，與集料的黏附性變差，甚至會從集料表面脫落，在車輛和自然環境等綜合作用下使路面產生裂縫、龜裂、坑槽等病害，嚴重影響了瀝青路面的路用性能，降低瀝青路面的使用壽命[4-5]。因此，為了減少病害的發生，制備具有有效抗紫外老化性能的改性瀝青材料，可以提高路面的使用壽命。

在瀝青抗紫外老化性能改善方面，國內外學者展開了諸多研究，現最為常用途徑是在瀝青中添加能吸收、反射或屏蔽紫外線的外加劑或其他物質對瀝青進行改性，得到的改性瀝青在抗紫外老化試驗和實際使用過程的效果優于基質瀝青，對提高道路瀝青路用性能和延長道路使用壽命有重要意義[6-7]。對大多數聚合物材料如塑料、纖維、橡膠等抗紫外老化研究中，光穩定劑均表現出了良好的效果。光穩定劑作為目前使用最普遍的抗老化劑，只需要極少量，其抗紫外老化效果就遠大于其他的改性劑[8]。

基于此，本文優選受阻胺光穩定劑（HALS）作為瀝青抗紫外老化改性材料，制備光穩定劑改性瀝青，通過針入度、軟化點及延度等試驗研究光穩定劑改性瀝青在紫外老化周期內的變化規律，基于SEM和AFM分析系統研究紫外輻射對于光穩定劑改性瀝青微觀形貌的作用效應，研究成果將為HALS光穩定劑在瀝青路面紫外老化控制方面的應用奠定基礎。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 基質瀝青

本文選用的瀝青為AH-70號基質瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[9]對瀝青進行性能測試，其基本物理性能如表1所示。

表1 基質瀝青性能指標

1.2 光穩定劑

HALS光穩定劑化學名稱叫雙（2，2，6，6-四甲基哌啶基）癸二酸酯，屬于低分子量受阻胺類光穩定劑（如圖1），其作用機理是通過改性劑的受阻胺類結構對瀝青紫外老化光降解過程中形成的自由基進行捕捉，從而起到抗紫外老化的作用。HALS光穩定劑摻量為瀝青質量的0.2%、0.4%、0.6%及0.8%。

圖1 HALS光穩定劑化學結構

1.3 光穩定劑改性瀝青制備方法

采用實驗室自備的高速剪切機將基質瀝青與光穩定劑進行混合制備。首先將桶裝瀝青在130℃的烘箱中加熱2 h至熔融狀態，分別盛裝在不銹鋼容器中，在加熱過程中人工攪拌5 min以使瀝青脫水，隨后將光穩定劑加入到70號瀝青中，再使用高速剪切機在4 000 rpm連續剪切15 min，待瀝青溶脹后完成光穩定劑改性瀝青制備。

1.4 紫外老化試驗方法

西部紫外光的輻射強度最為強烈，其太陽光年輻射強度為7 000 MJ/m2·a，紫外線輻射強度占5%～6%，因此按照最不利條件計算得出7000×6%=420 MJ/m2·a，與室內的紫外老化燈源輻射強度375 W/m2形成對應關系，則換算成室內模擬時間=自然紫外輻射總量/室內模擬紫外強度=420×106/375=1.1×106 s=305 h，按照一個季度的劃分，其室內外時間轉換對應關系如表2所示。

表2 室內外老化時間轉換關系

2 路用性能研究

由圖2a分析可知，在紫外老化周期內，隨著老化時間的延長，光穩定劑改性瀝青軟化點值是隨著老化時間的增加而增加，228 h之后增速開始下降，說明長時間的紫外老化對低摻量HALS瀝青的高溫性能影響較大，而最大摻量為0.8%的HALS瀝青從76.25 h到305 h的紫外老化影響下變化幅度始終相對緩和，且增幅從0.6℃、0.5℃到0.3℃逐步下降，說明紫外老化對高摻量的HALS瀝青影響程度要低于0.2%的HALS瀝青。針入度試驗結果圖2b表明，76.25 h與152.5 h及之后的老化處理結果差異明顯，在76.25 h的相對短時間光照下，瀝青的針入度較高，并在規程的范圍之中，但光穩定劑摻量較少的0.2% HALS瀝青與其他摻量相比差距較大，表明加入高摻量的改性劑之后對瀝青的流動性影響較大，而老化時間的進一步加長則逐漸減小了這一趨勢，老化152.5 h后的瀝青針入度大幅降低，說明經過相對長時間的紫外光照射后瀝青黏稠度有所加大，在相同條件下針入度下降明顯，在長時間的老化處理下針入度小幅度地降低說明對瀝青的影響程度趨于緩和。由延度試驗結果圖2c可以看出，在HALS瀝青延度隨老化時間的延長而逐漸下降，這表明紫外老化的產生會導致瀝青低溫性能的下降，而從76.25 h到152.5 h的0.2 cm到之后的0.3 cm穩定變化，說明0.8% HALS瀝青的延度下降趨勢較為緩和，在紫外老化的影響下，0.8%的HALS摻量對瀝青的低溫改善程度仍以一個相對平緩的趨勢進行，而0.2% HALS瀝青的延度從前152.5 h的緩和到之后的明顯下降。

圖2 HALS改性瀝青紫外老化路用性能

3 光穩定劑改性瀝青微觀結構表征

3.1 SEM分析

如圖3所示，光照的輻射作用導致HALS改性瀝青的表面開裂。在輻射76.25 h之后，HALS改性瀝青的表面分塊現象較為突出，且塊狀排列的雜亂程度較低，再通過放大至2 000倍時出現的單個塊狀表面較為光滑；輻射152.5 h之后，HALS改性瀝青表面出現的塊狀紋理程度有所下降，塊狀分布較為緊密，而再放大后發現表面的粗糙程度升高，多有小顆粒的存在；輻射228 h之后，表面出現的原有規則塊狀向不規則形狀轉移，且數量有所增加，裂紋程度降低；輻射305 h之后，表面觀察可知表面開裂現象進一步降低，表面紋路由左向右拓展，表面整體的粗糙程度有所緩和。

圖3 SEM分析結果

圖4 AFM分析結果

3.2 AFM表征

在紫外老化裝置老化76.25 h后，HALS瀝青微觀結構的變化方式表現如下：瀝青內部存在物質較為分散且不規則，該物質是由許多長度為1 μm左右的棒狀結構組成，同時該棒狀結構以中間高兩端低布置，由于表面布滿了棒狀結構，說明粗糙度是增加的；此外在結構周圍還存在有分散域，高亮的結構表示其高度高于基體。在紫外光照射152.5 h后，瀝青的表面上分布著高亮的特殊結構，觀察得知同屬于棒狀結構，在數量上要低于前一個時間點，而結構的寬度與76.25 h的相比更寬，但是長度相比較短，普遍在1 μm以內，高度也更高，結構形狀主要是較為規則的矩形。經過228 h的老化后，原來出現的棒狀結構消失，代替的是尺寸更小更加圓滑的微亮結構（平均長度約在300 nm）?？傮w而言，與前兩個時間點相比，瀝青表面的粗糙長度似乎有所減緩。在305 h老化后，從區域內觀察顯示出與76.25 h相似的結構，即此前存在的棒狀結構，其長度最高達到了3～4 μm，最短也有1.5 μm左右，除了長度變化外，中間高兩端低的特點仍顯著，這些光亮的棒狀結構從表面大量突出，導致了一定程度的粗糙度，但是其分布較為隨機。

4 結語

a）長時間的紫外老化對低摻量HALS瀝青的高溫性能影響較大。

b）在光照的輻射作用下導致HALS改性瀝青的表面開裂，輻射305 h之后，表面觀察可知表面開裂現象進一步降低，表面紋路由左向右拓展，表面整體的粗糙程度有所緩和。

c）在305 h老化后，從區域內觀察顯示出與76.25 h相似的結構，即此前存在的棒狀結構，其長度最高達到了3～4 μm，最短也有1.5 μm左右，除了長度變化外，中間高兩端低的特點仍顯著。