葉昌勇 許達(dá)俊

（寧波市高等級公路建設(shè)指揮部1） 寧波 315000）（海南高速公路股份有限公司2） ?？?570203）

0 引 言

瀝青路面在熱、氧、光和水等環(huán)境因素作用下會發(fā)生一系列揮發(fā)、氧化、聚合，導(dǎo)致其路用性能劣化.在青海、西藏、新疆、甘肅等西部地區(qū)太陽總輻射能量基本上都高于東部平原地區(qū)，如同期最高的唐古拉山區(qū)的紫外線輻射強(qiáng)度是上海的4倍［1］.在西部地區(qū)瀝青路面由于紫外線老化引起的路面低溫開裂和高溫車轍現(xiàn)象非常嚴(yán)重［2］.因此，研究瀝青混合料紫外線老化的特征，對高紫外線輻射地區(qū)瀝青路面的修建與養(yǎng)護(hù)具有重要的理論價(jià)值.

目前，國內(nèi)外對瀝青的熱和光老化研究較多，而對瀝青混合料的紫外老化性能研究較少.譚憶秋等［3］研究了紫外光老化瀝青機(jī)理，研究了瀝青結(jié)合料的熱老化和紫外老化作用，認(rèn)為在西部地區(qū)研究瀝青混合料紫外老化比熱老化嚴(yán)重.劉黎萍等［4］、Durrieu等［5］研究表明SBS改性瀝青的耐紫外線老化能力好于SBR 改性瀝青.錢春香等［6］研究了SBS和SEBS改性瀝青及混合料抗老化性能，認(rèn)為SEBS的耐紫外老化性能比SBS改性瀝青混合料高1倍以上，適合于南方和高原紫外線強(qiáng)烈地區(qū)使用.吳歡等［7］認(rèn)為：瀝青混合料的抗紫外線老化后對劈裂強(qiáng)度影響明顯，且SBR 改性瀝青混合料的耐光老化性能好于基質(zhì)瀝青混合料.Liao等［8］研究了參雜不同抗紫外線老化劑的SBR 改性瀝青在青藏高原地區(qū)的抗老化性能，并認(rèn)為瀝青紫外線老化主要發(fā)生在老化前期，老化時(shí)間越長老化越嚴(yán)重.何文華等［9］以馬歇爾穩(wěn)定度為指標(biāo)研究了紫外老化后瀝青混合料的性能，認(rèn)為摻加纖維可以有效提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性及抗紫外光老化性能.陳華鑫等［10］研究表明，老化后瀝青混合料的低溫性能均有下降，且改性瀝青混合料的低溫性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料.

鑒于此，本文采用氙燈紫外線模擬西部強(qiáng)陽光輻射，對熱拌SBS瀝青混合料、SBR 瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行老化試驗(yàn)，主要使用劈裂強(qiáng)度評價(jià)老化后瀝青混合料的力學(xué)性能，用動穩(wěn)定度指標(biāo)來描述幾種瀝青混合料老化后的高溫性能.

1 紫外線輻射量當(dāng)量計(jì)算

西部地區(qū)太陽總輻射能量基本上都高于東部平原地區(qū).西藏拉薩紫外光照射強(qiáng)度6～9月份的平均紫外光照強(qiáng)度295.375 MW／m2，年日照時(shí)間約為3006h，計(jì)算得年總紫外線量為246.638 MJ／m2.據(jù)文獻(xiàn)［1］可知，青海省果洛州大武鎮(zhèn)的年總紫外線輻射量為350 MJ／m2，上海年紫外線輻射量為149.6 MJ／m2.

采用江蘇艾默生試驗(yàn)儀器科技有限公司SN-500型氙燈箱為紫外線光源，燈管功率1.8kW，燈管距混合料距離80cm.混合料松散攤鋪，攤鋪面積0.8m2，光譜在（350～450nm）之間.在瀝青混合料表面放置TN-2340型（臺灣泰納牌）紫外線強(qiáng)度計(jì)，測得實(shí)際紫外線強(qiáng)度為580 W／m2.

老化箱瀝青混合料表面光強(qiáng)×老化時(shí)間（單位：s）=室外紫外線年總輻射量.通過計(jì)算：580W／m2×6.98d×24h×3600s=3.5×107J／m2，即室內(nèi)6.98d老化大約相當(dāng)于青海省果洛州大武鎮(zhèn)一年的總紫外線輻射量；室內(nèi)5d相當(dāng)于西藏地區(qū)一年的總紫外線輻射量.

2 道路瀝青材料光氧化原理

瀝青材料主要是由C，H，O，N 等元素組成的大分子有機(jī)物，它所具有的各種特性都是由這種大分子結(jié)構(gòu)所賦予的.C，H，O，N 等元素要形成穩(wěn)定的大分子結(jié)構(gòu)，它們之間就需要一定的結(jié)合能，即鍵能，其值越高則結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定.光實(shí)際上是由帶能量的光子組成，波長不同其能量也不一樣.而紫外線UV-A 波長為320～400nm，UV-B 波長為290～320nm.瀝青材料中主要是C—H，C—C和C—C 鍵，雖然C=C 鍵能總值615.3 kJ／mol，但是它斷裂第1 個(gè)鍵的能量僅為270 kJ／mol，相當(dāng)于420nm 波段光的能量，因此瀝青材料很容易受到紫外線光氧化作用.

在氙燈老化箱中，每3h翻拌一次混合料.這樣，混合料在一定時(shí)間后，集料表面層瀝青膜老化完全.隨著老化的繼續(xù)，仍會有部分紫外線穿透上面層瀝青膜，瀝青膜下面層的瀝青緩慢老化，紫外老化程度越來越慢.

3 試驗(yàn)方案

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對原材料進(jìn)行檢驗(yàn)后均符合規(guī)范要求，SBS，SBR 改性瀝青指標(biāo)如表1，改性劑摻量均為4.5%，最佳比油石比分別為5.1%，3 種混合料均采用表2所列的AC-16C 型級配.將3類瀝青混合料均勻攤鋪在3個(gè)搪瓷盤中，攤鋪密度21kg／m3，調(diào)節(jié)氙燈老化箱溫度到85 ℃恒溫，對3種瀝青混合料進(jìn)行48h老化試驗(yàn)，每3h將試件翻拌一次，每隔6h取出定量3類混合料.根據(jù)我國《瀝青和瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，改性瀝青混合料適當(dāng)加熱后分別成型馬歇爾試件和車轍板，基質(zhì)瀝青混合料直接成型，做常溫（25 ℃）劈裂試驗(yàn)以及60 ℃車轍試驗(yàn).

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)

1）將試件放在25 ℃水浴1.5 h，以50 mm／min的條件測試?yán)匣潭炔煌鸟R歇爾試件的劈裂強(qiáng)度.計(jì)算公式為

式中：RT為最大拉應(yīng)力即劈裂強(qiáng)度，MPa；PT為試驗(yàn)荷載的最大值，N；h為試件高度，mm.

2）動穩(wěn)定度DS指瀝青混合料產(chǎn)生單位變形時(shí)的輪載作用次數(shù)，次／mm.動穩(wěn)定度越大，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性越好.我國現(xiàn)行規(guī)范的計(jì)算方法如下.

式中：d1為對應(yīng)于時(shí)間t1的變形量，mm；d2為對應(yīng)于時(shí)間t2的變形量，mm；C1為試驗(yàn)機(jī)類型修正系數(shù)，取1.0；C2為試件系數(shù)，取1.0；N為試驗(yàn)輪往返碾壓速度，取42次／min.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)經(jīng)求平均值后，結(jié)果見表3～4.

表3 瀝青混合料劈裂強(qiáng)度 MPa

表4 瀝青混合料老化后強(qiáng)度比

3.2.2 車轍試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后見表5～6.

表5 不同瀝青混合料老化前后動穩(wěn)定度 次／min

表6 不同瀝青混合料老化后動穩(wěn)定度增長率 %

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

將以上結(jié)果繪制成折線圖如圖1.為了更直觀比較老化前后強(qiáng)度變化，用混合料老化后的強(qiáng)度比老化前的強(qiáng)度制成直方圖見圖2.

圖1 瀝青混合料劈裂-老化時(shí)間關(guān)系

圖2 瀝青混合料老化時(shí)間-劈裂強(qiáng)度比關(guān)系

由圖1～2可看出：AH-16瀝青混合料，在老化前14h強(qiáng)度快速增加到最大值，隨著老化時(shí)間增加，強(qiáng)度緩慢降低.SBR-16瀝青混合料，在老化至26h強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨老化時(shí)間增加，混合料強(qiáng)度緩慢降低SBS-16混合料，在老化達(dá)33強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨之老化時(shí)間的增加，強(qiáng)度緩慢降低；瀝青混合料在紫外線光照下老化后強(qiáng)度增長率：基質(zhì)瀝青＞SBR 改性瀝青＞SBS改性瀝青；劈裂強(qiáng)度達(dá)到最大后開始有所降低，說明瀝青混合料受老化影響抵抗變形的能力減弱，基質(zhì)瀝青減弱較快.綜上所述，改性瀝青混合料在光照老化作用下強(qiáng)度變化較基質(zhì)瀝青混合料的變化小，老化速度慢，說明了改性瀝青混合料的抗紫外線老化性更好，而SBS改性瀝青混合料好于SBR 改性瀝青混合料.

將混合料老化后劈裂強(qiáng)度達(dá)到最大值得點(diǎn)叫做混合料的老化點(diǎn).基質(zhì)瀝青混合料，SBR 改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的老化點(diǎn)分別是14，26，33h.基質(zhì)瀝青混合料達(dá)到老化點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于西藏地區(qū)老化30d，青海地區(qū)43d；SBR改性瀝青混合料達(dá)到老化點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于西藏地區(qū)老化56.5d，青海地區(qū)79d；SBS改性瀝青混合料達(dá)到老化點(diǎn)相當(dāng)于西藏地區(qū)72d，青海地區(qū)100d.

4.2 車轍動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為混合料動穩(wěn)定度-老化時(shí)間關(guān)系，圖4為動穩(wěn)定度增長率-老化時(shí)間關(guān)系.

圖3 混合料動穩(wěn)定度-老化時(shí)間關(guān)系

圖4 動穩(wěn)定度增長率-老化時(shí)間關(guān)系

由圖3～4 可見，AH-16C 瀝青混合、SBR-16C瀝青混合料、SBS-16C 級配混合料試件的動穩(wěn)定度在隨老化時(shí)間的增加均有增加，并且出現(xiàn)最大增幅的時(shí)間快慢：基質(zhì)瀝青＞SBR 改性瀝青＞SBS改性瀝青，說明基質(zhì)瀝青混合料較容易老化，改性瀝青耐老化效果好.由圖4可知，AC-16C混合料動穩(wěn)定度增長率：基質(zhì)瀝青＞SBR 改性瀝青＞SBS改性瀝青，說明SBS改性瀝青混合料性質(zhì)穩(wěn)定，長期耐老化性能好.

5 結(jié) 論

1）紫外線老化對瀝青混合料的力學(xué)性能影響顯著.紫外老化后瀝青混合劈裂強(qiáng)度總體增大，到達(dá)老化點(diǎn)后的劈裂強(qiáng)度有所降低.AC-16C 混合料出現(xiàn)老化點(diǎn)的順序：基質(zhì)瀝青＞SBR＞SBS；瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的增長率：基質(zhì)瀝青＞SBR＞SBS；瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的降低率：基質(zhì)瀝青＞SBR ＞SBS.

2）紫外線老化作用下，3種瀝青混合料的高溫抗變形能力都有提升抗車轍能力增大.車轍穩(wěn)定度出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間基本與老化點(diǎn)時(shí)間一致；車轍穩(wěn)定度的增長幅度：基質(zhì)瀝青＞SBR＞SBS.

3）通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了室外紫外線老化作用，換算出了相當(dāng)于青海和西藏地區(qū)紫外老化時(shí)間的室內(nèi)當(dāng)量老化時(shí)間，對以后的研究提供了理論支持.

4）提出了老化點(diǎn)的概念，即瀝青混合在紫外老化作用后的劈裂強(qiáng)度到達(dá)最大值的時(shí)間，對研究瀝青混合料老化規(guī)律有著重要意義.

5）基質(zhì)瀝青混合料抗紫外線效果差，性質(zhì)不穩(wěn)定，而改性瀝青混合料的耐紫外線老化能力好，性質(zhì)穩(wěn)定，SBS 瀝青混合料的耐老化效果優(yōu)于SBR，適合在高紫外線地區(qū)推廣應(yīng)用.

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