常溫紫外老化對瀝青物理性能影響研究

黃 凌，劉紅瑛，聶宗權，周建雄，樂 宸，劉泯江

(1 云南寧永高速公路有限公司，云南 麗江 674100；2 長安大學公路學院，陜西 西安 710064；3 云南云交建工程試驗檢測有限公司，云南 昆明 650000)

瀝青路面在服役期內受到光、氧、熱和水等因素作用下，路用性能會嚴重下降。近年來，研究人員發現，在一些氧氣濃度和年平均溫度并不高、車流量（車輛荷載）不大的高海拔地區，在紫外線照射強度較大的地區瀝青面層會在較短的時間內出現“泛白”，其瀝青路面表面會產生“碳化”現象。面層瀝青與集料的裹附性能迅速下降，導致瀝青路面在服役時間不長的情況下較快地出現開裂、松散等病害。國內外的研究初步揭示，這類地區的瀝青路面的老化并非傳統認識上的熱氧因素主導的老化，而是光因素主導的老化[1-2]。

瀝青紫外老化早在1974年就有人研究，發現在光氧老化之后瀝青中的化學官能團發生變化，組分也隨之改變。Dhalaan等[3]研究表明紫外老化之后瀝青中輕質組分發生揮發，導致瀝青中的瀝青質組分占比上升。亓玉臺等[4]提出瀝青在紫外老化之后組分變化規律：芳香分→膠質→瀝青質。Montepara等[5]采用不同輻照強度的紫外光對瀝青進行紫外老化模擬試驗，研究表明導致瀝青發生紫外老化的主要原因是紫外光促使瀝青中飽和分和芳香分等輕質組分發生揮發、氧化，小分子的聚合等作用。

Yamaguchi等[6]通過不同厚度的瀝青薄膜進行室內瀝青紫外老化試驗，結果表明瀝青膜厚和老化作用具有很明顯的線性關系，紫外光對瀝青的影響隨薄膜厚度的減少而變大，其他國內外學者為了能夠完成瀝青紫外老化之后的一些性能試驗，避免大量重復老化試驗，多數選擇了1000～2000 μm的瀝青膜厚[7-15]。

為了室內更好地模擬實際環境以及紫外光對瀝青的影響，國內外不少學者在模擬紫外老化時考慮了溫度以及紫外光源對試驗的影響。如Zhang等[13]在80℃下研究了瀝青室內模擬與室外實際紫外老化的差異，Fernandez等[14]采用60℃研究紫外光對SBS改性瀝青中改性劑的降解作用,譚憶秋等[16]在研究紫外線吸收劑對瀝青抗紫外老化改性效果時采用了73℃作為試驗溫度。目前關于瀝青抗紫外老化國內外已進行了一定的研究，但是大多數研究人員選擇60℃作為試驗溫度，在海拔較高、氣溫較低的地區光氧老化起主導作用，60℃不適合低溫地區的紫外光老化研究。

因此，在室內模擬高海拔地區瀝青路面紫外老化需考慮日光輻射時間、環境溫度、紫外線輻射強度等因素，基于滇西北地區環境參數建立瀝青及混合料的紫外光老化模擬試驗的參數體系，研究基質瀝青和SBS改性瀝青的三大指標、黏度性能在不同紫外老化時間下的變化規律，對比兩種瀝青紫外老化后宏觀性能的優劣，對于在高紫外線地區合理選用瀝青結合料具有重要的工程價值。

1 滇西北高海拔地區紫外輻射強度調查

我國是一個紫外線輻射分布不均的國家，陽光照射的持續時間和太陽輻射總量將決定紫外線輻射量。此外，紫外線輻射量還與當陽光通過大氣時臭氧在大氣中吸收紫外線輻射有關。因此，紫外線在我國境內的分布是非常復雜的。西部地區的日照時間要比東部地區的日照時間長，太陽輻射水平由東向西逐漸增加，青藏高原的太陽輻射達到最大。北部地區一般大于南部地區，這與太陽能隨緯度變化的規則相反，其原因是由于南方有更多的云層和雨天會影響太陽輻射。另外日照時間和太陽輻射隨海拔的增加而增加，滇西北地區、西藏地區和部分新疆地區等海拔比較高的地區日照時間和太陽輻射要遠高于東部地區。

滇西北地區平均海拔在2500～3500 m，平均氣溫在5～25 ℃。目前該地區公路交通量相對較小，瀝青路面的老化以紫外光老化為主。根據中國氣象局網站發布的資料結合WheatA農業氣象大數據系統，選擇滇西北部分城市近5年太陽總輻射量以及紫外線輻射數據，數據見表1。

表1 滇西北部分地區太陽輻射與紫外輻射量(單位：MJ/m2 )Table 1 Solar radiation and UV radiation in some parts of northwest Yunnan(Unit: MJ/m2 )

從表1可以看出，滇西北部分城市太陽輻射總量要遠大于東部城市，紫外輻射占太陽輻射分別為5.81%、5.67%、5.89%、5.66%。高海拔地區的紫外輻射遠比中東部地區高，因此必須考慮紫外光對道路瀝青所產生的影響。

2 紫外氣候老化箱及其試驗參數確定

2.1 紫外氣候老化箱

紫外氣候試驗箱主要包括儀器控制系統、溫度和濕度控制系統、光源控制系統、安全防護系統。控制系統采用智能型溫控儀表,不僅能提高系統及元件的使用壽命，還具有斷電記憶功能。安全防護系統主要包括防護門鎖、箱內溫度超溫保護和低水位保護。在溫度控制上為了模擬夏季和冬季不同溫度，設計了加熱系統和降溫系統，加熱系統靠紫外氣候箱自身加溫電熱管實現，低溫采用外接環境箱來實現，溫度可控制在-30～70 ℃。

選用PHILIPS TL 60W/10R UVA紫外線熒光燈，該燈能較為實際地模擬室外瀝青所受到的紫外光輻射。為了增加箱體內紫外光強度，設計時選用10根紫外熒光燈等間距布置在箱體內部，選擇距離燈管8cm的位置作為瀝青模擬紫外老化的位置。燈管輻照額定功率為50W/m2，光照強度由控制系統調節控制。

2.2 紫外輻射模擬試驗參數的確定

2.2.1 試驗溫度的確定

滇西北地區海拔高，氣溫相對較低，晝夜溫差比較明顯，年平均氣溫在5～25 ℃之間。通過國家氣象科學數據中心平臺，對云南麗江寧蒗地區環境資料進行調查。該地區近10年平均氣溫為12.5℃，年平均降水量1521.6mm。圖1為2020年寧蒗逐月氣溫變化以及降雨變化。

圖1 2020年寧蒗逐月氣溫以及降雨變化Fig.1 Monthly temperature and rainfall changes in ninglang in 2020

從圖1可以看出,寧蒗夏季6月份平均溫度達到最高，但也只有22.23℃，遠低于大部分低海拔城市夏季溫度。考慮到海拔較高地區晝夜溫差較大，因此在模擬滇西北地區紫外老化試驗時，結合夏季紫外輻射大的特點，選擇平均溫度25℃作為試驗溫度。

2.2.2 室內外紫外老化輻射換算關系建立

按照室內模擬和室外紫外光照射總量相同的原則確定室內紫外線照射時間和戶外日光照射時間的轉換關系，計算等效加速率。等效加速率計算如公式（1）所示。

式(1)中：QR為室內紫外線輻射總量，W/m2；QZ為相同時間內太陽紫外線輻射總量，W/m2；Au為等效加速倍率。

結合數據調查該地區近十年平均全年日照時間為2110.33h，考慮紫外燈的折減系數為1.4，換算關系見表2。

表2 紫外輻射時間換算Table 2 UV radiation time conversion

選擇1mm作為試驗膜厚進行紫外老化。采用內壁光滑的不銹鋼圓形盛樣皿，其內徑尺寸為140±1 mm，深度為10 ±1 mm。

3 瀝青老化性能分析

3.1 瀝青基本技術指標

選擇東海牌70#基質瀝青和SBS（I-D）改性瀝青進行試驗研究，兩種瀝青基本技術指標根據規范（JTG E20-2011）測試，結果見表3和表4。

表3 東海牌70#基質瀝青技術指標Table 3 Technical indexes of Donghai 70# matrix asphalt

表4 SBS(I-D)改性瀝青技術指標Table 4 Technical indexes of SBS(I-D)modified asphalt

3.2 紫外老化對瀝青物理性能的影響

采用瀝青的三大指標和瀝青黏度來表征其物理性能。通過不同紫外老化時間后瀝青的針入度、軟化點、延度、黏度變化作為評價指標，分析基質瀝青和SBS改性瀝青在紫外光老化后物理性能的變化。

3.2.1 紫外老化對瀝青基本技術指標的影響

將兩種瀝青進行旋轉薄膜烘箱短期老化試驗（163℃，85min）和紫外老化試驗之后，按照規范（JTG E20-2011）對老化后的瀝青殘留物進行三大指標性能測試。試驗結果如圖2和圖3所示。

圖2 SBS改性瀝青和基質瀝青老化前后針入度和延度指標變化Fig.2 Changes of penetration and ductility of SBS modified asphalt and matrix asphalt before and after agin

圖3 SBS改性瀝青和基質瀝青老化前后軟化點指標變化Fig. 3 Changes of softening point of SBS modified asphalt and matrixg asphalt before and after aging

從圖2中可以看出，兩種瀝青的針入度隨著老化時間延長呈減小趨勢，但紫外老化后的針入度衰減變化要小于短期老化。基質瀝青衰減速率要大于SBS改性瀝青，從針入度指標分析，SBS改性瀝青比基質瀝青抗老化性能更好。

基質瀝青和SBS改性瀝青在紫外老化后的軟化點變化趨勢（圖3）有明顯不同，基質瀝青在RTFOT+UV老化過程中軟化點逐漸增加，而SBS改性瀝青在RTFOT+UV老化過程中并非是單一變化趨勢，其在短期老化后軟化點增加，在之后的紫外老化前期軟化點有所下降，軟化點隨老化時間增加而緩慢增加。可能是其在經歷紫外老化后發生了瀝青的老化和SBS改性劑的降解，雖然SBS改性劑的降解會破壞瀝青的網狀交聯結構，同時還會造成聚合物分子量的降低，但是會提高瀝青中膠體成分的抗變形能力[17]。整個紫外光老化過程中SBS聚合物的降解速度會高于基質瀝青“硬化”速度，當SBS聚合物降解和氧化過程達到一定程度時，瀝青軟化點會保持小幅穩定增長。

兩種瀝青延度會隨著紫外老化時間的增加而逐漸降低，且都是先快后慢的趨勢。其中基質瀝青在短期老化后延度下降幅度非常大，而SBS改性瀝青在短期老化后延度下降幅度小于基質瀝青。SBS改性瀝青紫外老化后的延度變化也要比基質瀝青小，表明SBS改性瀝青無論是在短期熱氧老化還是紫外老化后的低溫性能都要比基質瀝青好。

兩種瀝青在紫外老化后針入度和延度下降幅度非常大，考慮室內模擬紫外老化試驗的時間過長，在實際施工中不能夠較快分析基質瀝青和SBS改性瀝青性能隨紫外老化時間性能的衰減程度，采用針入度衰減指數和延度衰減指數來評價針入度和延度在不同紫外老化時間下的變化規律，如公式（2）、（3）所示。

利用Minitab中的非線性擬合中的Michaelis-Menten函數對室內不同老化時間后的針入度和延度數據進行擬合，預測不同老化時間后的瀝青性能衰減程度。以SBS改性瀝青為例，分別對SBS改性瀝青針入度衰減指數和延度衰減指數進行擬合，如圖4和圖5所示。通過擬合得到的關于針入度衰減指數和延度衰減指數與時間的擬合函數，可以計算不同老化時間后針入度和延度的變化。這樣可以減少模擬長期紫外老化所需要的時間，從而通過老化較短時間來推測長期紫外老化后瀝青的基本物理性能，希望能為實際工程中預測紫外老后瀝青性能衰減程度提供一定的參考。

圖4 針入度隨紫外老化時間變化Fig. 4 Change of penetration with UV aging time

圖5 延度隨紫外老化時間變化Fig. 5 Change of durability with UV aging time

3.2.2 紫外老化對瀝青黏度的影響

瀝青黏度是表征瀝青流變性質的重要指標，能夠表征瀝青材料在外力作用下抵抗流動變形的能力。瀝青在熱氧老化和紫外老化過程中，其內部會發生化學鍵的斷裂重組、聚合反應，并且瀝青的組分也會發生變化，在宏觀方面表現出瀝青黏度的變化。因此瀝青黏度變化隨紫外老化程度加深的情況也能在一定程度上反應瀝青抗紫外老化性能。本文采用布氏旋轉黏度儀對不同老化方式以及不同老化時間后的兩種瀝青進行測試，試驗時選擇27號轉子，轉速選擇20r/min，溫度選擇135℃。通過對黏度進行了回歸分析研究其變化規律，如圖6所示。

圖6 基質瀝青(左)和SBS改性瀝青(右)黏度隨紫外老化時間變化Fig.6 Viscosity change of matrix asphalt (left) and SBS modified asphalt (right) with UV aging time

從圖6中可以看出，在經過室內模擬紫外老化12M后，基質瀝青的黏度從未老化的475mPa·s增長到1027mPa·s，黏度增長了116%；SBS改性瀝青從未老化的2450mPas增長到3627mPa·s，黏度增長了38%。兩種瀝青的黏度在老化后呈現出相同的變化規律。在短期老化后黏度都發生較大變化，紫外老化后黏度變化相對較小。隨著紫外光照時間不斷增加，黏度變化逐漸變小，基本保持穩定。

從兩種瀝青黏度增長百分比來看，SBS改性瀝青要遠小于基質瀝青，一般認為增長率越低，瀝青在紫外老化過程中組分和化學鍵發生的變化越小，表現為抗紫外老化性能越強，但是考慮到短期老化對兩種瀝青黏度變化產生較大影響，且基質瀝青未老化時的黏度基數過小，僅僅通過黏度增長百分比來評價瀝青抗紫外老化性能不太準確。因此將兩種瀝青12M時的黏度設置為老化進度100%，將短期老化設置為老化進度0%，通過瀝青不同時間下的老化黏度變化速率作為評價瀝青抗紫外老化效果的指標，并對兩種瀝青的黏度變化速率進行非線性擬合，分析其黏度變化速率的差異，如圖7所示。

圖7 基質瀝青(左)和SBS改性瀝青(右)黏度變化速率隨紫外老化時間變化Fig.7 Viscosity change rate of matrix asphalt (left) and SBS modified asphalt (right) with UV aging time

從圖7中可以看出，在短期老化之后兩種瀝青的黏度變化速率有所區別。基質瀝青前期增長速率快，后期增長速率較緩慢，在室內等效老化2個月時黏度增長速率接近50%，4個月時老化速率達到76%；SBS改性瀝青在室內等效老化2個月時增長率遠低于基質瀝青，僅僅只有5%，這和軟化點數據類似，經短期老化瀝青的軟化點和黏度數據變化都很小。在2～8 M內SBS改性瀝青較平穩增長，到了8個月時老化速率達到75%。在相同紫外老化時間下，基質瀝青老化速率要高于SBS改性瀝青，表明SBS改性瀝青具有更好的抗紫外老化效果。歸納其原因為瀝青和改性劑會同時影響紫外老化后SBS改性瀝青的黏度變化，SBS改性劑結構在被破壞時會導致瀝青剪切變形阻力變小，從而SBS改性瀝青在紫外老化前期黏度增長率相對要低。

4 結論

（1）滇西北地區年均氣溫相比于其他高海拔地區要低，確定以25℃作為室內模擬紫外老化的試驗溫度，選擇紫外熒光燈作為試驗模擬紫外光光源。

（2）根據室內模擬與室外紫外光輻射總量相等原則計算加速率，確定了室內、外紫外老化時間對應關系。

（3）兩種瀝青針入度和延度均隨紫外老化時間的增加而逐漸降低，基質瀝青和SBS改性瀝青軟化點變化有差異，SBS改性瀝青軟化點在旋轉薄膜短期老化后增大而在紫外老化過程中逐漸減小，基質瀝青軟化點則一直減小。

（4）通過黏度變化率來表征兩種瀝青隨紫外老化時間增加后的黏度變化，發現基質瀝青黏度變化速率要遠高于SBS改性瀝青。基質瀝青在模擬老化4M時黏度變化速率和SBS改性瀝青模擬紫外老化8M時相近，紫外老化對基質瀝青黏度的影響要遠大于SBS改性瀝青。