倉(cāng) 智，李 保

（山西交通控股集團(tuán)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(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013年—2030年）》的發(fā)布，到2030年國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到580萬(wàn)km，其中有1.8萬(wàn)km的遠(yuǎn)期展望線將分布在我國(guó)的西部地區(qū)[1]。然而，西部地區(qū)現(xiàn)有道路在使用階段常出現(xiàn)裂縫、坑槽、車(chē)轍等病害，在高原高海拔地區(qū)的惡劣條件下這些現(xiàn)象顯得尤為突出。西部地區(qū)晝夜溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、紫外線輻射強(qiáng)度高等環(huán)境特點(diǎn)會(huì)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(chē)舒適性，并增加了路面維修和養(yǎng)護(hù)成本，與路面的長(zhǎng)壽命、耐久性的設(shè)計(jì)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(duì)于西部地區(qū)瀝青路面長(zhǎng)壽命化發(fā)展具有重要意義。

從宏觀角度來(lái)看，紫外線輻射引起瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，瀝青面層在短時(shí)間內(nèi)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?nèi)酰沟妹鎸右讋兟?；同時(shí)老化后的瀝青黏度下降，與集料的黏附性變差，甚至?xí)募媳砻婷撀?，在?chē)輛和自然環(huán)境等綜合作用下使路面產(chǎn)生裂縫、龜裂、坑槽等病害，嚴(yán)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(fā)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(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了諸多研究，現(xiàn)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(zhì)對(duì)瀝青進(jìn)行改性，得到的改性瀝青在抗紫外老化試驗(yàn)和實(shí)際使用過(guò)程的效果優(yōu)于基質(zhì)瀝青，對(duì)提高道路瀝青路用性能和延長(zhǎng)道路使用壽命有重要意義[6-7]。對(duì)大多數(shù)聚合物材料如塑料、纖維、橡膠等抗紫外老化研究中，光穩(wěn)定劑均表現(xiàn)出了良好的效果。光穩(wěn)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(yuǎn)大于其他的改性劑[8]。

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

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 基質(zhì)瀝青

本文選用的瀝青為AH-70號(hào)基質(zhì)瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）[9]對(duì)瀝青進(jìn)行性能測(cè)試，其基本物理性能如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

1.2 光穩(wěn)定劑

HALS光穩(wěn)定劑化學(xué)名稱(chēng)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(lèi)光穩(wěn)定劑（如圖1），其作用機(jī)理是通過(guò)改性劑的受阻胺類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青紫外老化光降解過(guò)程中形成的自由基進(jìn)行捕捉，從而起到抗紫外老化的作用。HALS光穩(wěn)定劑摻量為瀝青質(zhì)量的0.2%、0.4%、0.6%及0.8%。

圖1 HALS光穩(wěn)定劑化學(xué)結(jié)構(gòu)

1.3 光穩(wěn)定劑改性瀝青制備方法

采用實(shí)驗(yàn)室自備的高速剪切機(jī)將基質(zhì)瀝青與光穩(wěn)定劑進(jìn)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(tài)，分別盛裝在不銹鋼容器中，在加熱過(guò)程中人工攪拌5 min以使瀝青脫水，隨后將光穩(wěn)定劑加入到70號(hào)瀝青中，再使用高速剪切機(jī)在4 000 rpm連續(xù)剪切15 min，待瀝青溶脹后完成光穩(wěn)定劑改性瀝青制備。

1.4 紫外老化試驗(yàn)方法

西部紫外光的輻射強(qiáng)度最為強(qiáng)烈，其太陽(yáng)光年輻射強(qiáng)度為7 000 MJ/m2·a，紫外線輻射強(qiáng)度占5%～6%，因此按照最不利條件計(jì)算得出7000×6%=420 MJ/m2·a，與室內(nèi)的紫外老化燈源輻射強(qiáng)度375 W/m2形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，則換算成室內(nèi)模擬時(shí)間=自然紫外輻射總量/室內(nèi)模擬紫外強(qiáng)度=420×106/375=1.1×106 s=305 h，按照一個(gè)季度的劃分，其室內(nèi)外時(shí)間轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 室內(nèi)外老化時(shí)間轉(zhuǎn)換關(guān)系

2 路用性能研究

由圖2a分析可知，在紫外老化周期內(nèi)，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，光穩(wěn)定劑改性瀝青軟化點(diǎn)值是隨著老化時(shí)間的增加而增加，228 h之后增速開(kāi)始下降，說(shuō)明長(zhǎng)時(shí)間的紫外老化對(duì)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(duì)緩和，且增幅從0.6℃、0.5℃到0.3℃逐步下降，說(shuō)明紫外老化對(duì)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(yàn)結(jié)果圖2b表明，76.25 h與152.5 h及之后的老化處理結(jié)果差異明顯，在76.25 h的相對(duì)短時(shí)間光照下，瀝青的針入度較高，并在規(guī)程的范圍之中，但光穩(wěn)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(duì)瀝青的流動(dòng)性影響較大，而老化時(shí)間的進(jìn)一步加長(zhǎng)則逐漸減小了這一趨勢(shì)，老化152.5 h后的瀝青針入度大幅降低，說(shuō)明經(jīng)過(guò)相對(duì)長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的老化處理下針入度小幅度地降低說(shuō)明對(duì)瀝青的影響程度趨于緩和。由延度試驗(yàn)結(jié)果圖2c可以看出，在HALS瀝青延度隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降，這表明紫外老化的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)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(wěn)定變化，說(shuō)明0.8% HALS瀝青的延度下降趨勢(shì)較為緩和，在紫外老化的影響下，0.8%的HALS摻量對(duì)瀝青的低溫改善程度仍以一個(gè)相對(duì)平緩的趨勢(shì)進(jìn)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(wěn)定劑改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)表征

3.1 SEM分析

如圖3所示，光照的輻射作用導(dǎo)致HALS改性瀝青的表面開(kāi)裂。在輻射76.25 h之后，HALS改性瀝青的表面分塊現(xiàn)象較為突出，且塊狀排列的雜亂程度較低，再通過(guò)放大至2 000倍時(shí)出現(xiàn)的單個(gè)塊狀表面較為光滑；輻射152.5 h之后，HALS改性瀝青表面出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)的原有規(guī)則塊狀向不規(guī)則形狀轉(zhuǎn)移，且數(shù)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(kāi)裂現(xiàn)象進(jìn)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(jié)果

圖4 AFM分析結(jié)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(jié)構(gòu)的變化方式表現(xiàn)如下：瀝青內(nèi)部存在物質(zhì)較為分散且不規(guī)則，該物質(zhì)是由許多長(zhǎng)度為1 μm左右的棒狀結(jié)構(gòu)組成，同時(shí)該棒狀結(jié)構(gòu)以中間高兩端低布置，由于表面布滿了棒狀結(jié)構(gòu)，說(shuō)明粗糙度是增加的；此外在結(jié)構(gòu)周?chē)€存在有分散域，高亮的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，觀察得知同屬于棒狀結(jié)構(gòu)，在數(shù)量上要低于前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，而結(jié)構(gòu)的寬度與76.25 h的相比更寬，但是長(zhǎng)度相比較短，普遍在1 μm以?xún)?nèi)，高度也更高，結(jié)構(gòu)形狀主要是較為規(guī)則的矩形。經(jīng)過(guò)228 h的老化后，原來(lái)出現(xiàn)的棒狀結(jié)構(gòu)消失，代替的是尺寸更小更加圓滑的微亮結(jié)構(gòu)（平均長(zhǎng)度約在300 nm）。總體而言，與前兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)相比，瀝青表面的粗糙長(zhǎng)度似乎有所減緩。在305 h老化后，從區(qū)域內(nèi)觀察顯示出與76.25 h相似的結(jié)構(gòu)，即此前存在的棒狀結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度最高達(dá)到了3～4 μm，最短也有1.5 μm左右，除了長(zhǎng)度變化外，中間高兩端低的特點(diǎn)仍顯著，這些光亮的棒狀結(jié)構(gòu)從表面大量突出，導(dǎo)致了一定程度的粗糙度，但是其分布較為隨機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

a）長(zhǎng)時(shí)間的紫外老化對(duì)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(dǎo)致HALS改性瀝青的表面開(kāi)裂，輻射305 h之后，表面觀察可知表面開(kāi)裂現(xiàn)象進(jìn)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(qū)域內(nèi)觀察顯示出與76.25 h相似的結(jié)構(gòu)，即此前存在的棒狀結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度最高達(dá)到了3～4 μm，最短也有1.5 μm左右，除了長(zhǎng)度變化外，中間高兩端低的特點(diǎn)仍顯著。