金大中，錢國(guó)平,2，白獻(xiàn)萍, 黃乾晉

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

隨著“一帶一路”互聯(lián)互通開放通道的建設(shè)，中國(guó)公路路網(wǎng)建設(shè)布局與重點(diǎn)將向西部和低緯度等強(qiáng)紫外線輻射地區(qū)轉(zhuǎn)移。瀝青路面是中國(guó)主要路面類型之一，瀝青作為一種有機(jī)高分子材料，在瀝青路面建設(shè)與運(yùn)營(yíng)過程中易發(fā)生老化。太陽(yáng)紫外輻射對(duì)瀝青路面老化作用較為顯著，進(jìn)而劣化其路用性能、縮短使用壽命，在強(qiáng)紫外線輻射地區(qū)這種破壞作用更為顯著。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于瀝青的熱氧老化研究已趨于成熟，而對(duì)于紫外線老化的研究相對(duì)甚少，且尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系。因此，對(duì)瀝青的紫外光老化機(jī)理進(jìn)行深入研究，提出相對(duì)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成可靠完整的老化評(píng)價(jià)體系，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究瀝青的抗紫外光老化措施，對(duì)提高強(qiáng)紫外線輻射地區(qū)公路瀝青路面的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)水平，保障瀝青路面在全壽命周期內(nèi)的路用性能，推動(dòng)“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略順利實(shí)施具有重要意義。

1 瀝青紫外光老化機(jī)理分析

瀝青的四組分(瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、飽和分、芳香分)含量對(duì)其性能有較大影響。在瀝青的紫外光老化過程中，各組分之間可進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。瀝青膠體結(jié)構(gòu)模型以及各組分之間相互轉(zhuǎn)化過程如圖1所示。

Glotova等通過分析瀝青中化合物性質(zhì)、組分含量等方面的變化對(duì)瀝青光氧老化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)瀝青光氧老化速度與輻射類型有關(guān)。紫外線是太陽(yáng)輻射中波長(zhǎng)為100～400 nm的電磁波，其占太陽(yáng)輻射總量雖不大，但其光量子能級(jí)較高，而瀝青中主要化學(xué)鍵的鍵能相對(duì)較小，故紫外光輻射對(duì)瀝青的老化作用極為顯著。各波長(zhǎng)光對(duì)應(yīng)的能量如表1所示，瀝青分子典型化學(xué)鍵能量如表2所示。

圖1 瀝青膠體結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)化過程

表1 各波長(zhǎng)光對(duì)應(yīng)的能量

自然環(huán)境中存在氧氣，在紫外光照條件下可導(dǎo)致瀝青發(fā)生光氧化降解反應(yīng)。瀝青在紫外光照射下呈激發(fā)態(tài)，在氧氣作用下生成氫過氧化物，進(jìn)一步反應(yīng)后瀝青被降解：

表2 瀝青分子典型化學(xué)鍵的能量

從化學(xué)角度分析，瀝青中含有的羰基基團(tuán)可吸收紫外光，導(dǎo)致其發(fā)生Norrish Ⅰ(Ⅱ或Ⅲ)型光老化反應(yīng)。瀝青的老化機(jī)理較為復(fù)雜，各國(guó)學(xué)者對(duì)瀝青老化的機(jī)理做了大量的研究，表明瀝青老化并非哪一種單一反應(yīng)，而是包括氧化、揮發(fā)、聚合、團(tuán)聚等在內(nèi)的多種反應(yīng)的綜合結(jié)果，可以簡(jiǎn)單表示為:芳香分→膠質(zhì)→瀝青質(zhì)，即小分子量向大分子量轉(zhuǎn)變，瀝青結(jié)合料密度由小到大轉(zhuǎn)變；芳香分和膠質(zhì)對(duì)瀝青抗紫外光老化性能有很大影響。

2 瀝青紫外光老化試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

現(xiàn)階段主要采用(旋轉(zhuǎn))薄膜烘箱試驗(yàn)對(duì)瀝青的短期熱氧老化進(jìn)行表征，對(duì)瀝青的長(zhǎng)期老化則是采用壓力老化試驗(yàn)。有研究表明瀝青對(duì)高溫和紫外光的敏感度不同，兩種老化過程并不一致，紫外光老化后的瀝青性能變化更加復(fù)雜，不能用熱老化評(píng)價(jià)方法代替光老化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青的紫外光老化早有研究，表3列舉了瀝青紫外光老化試驗(yàn)方法。

研究發(fā)現(xiàn)，瀝青在紫外光老化后其物理化學(xué)性能均發(fā)生了較大變化。目前對(duì)于瀝青的紫外光老化試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。表4列舉了目前常用瀝青紫外光老化評(píng)價(jià)方法。

目前主要是從微觀角度對(duì)瀝青紫外光老化進(jìn)行分析，有一定的局限性。可通過微觀試驗(yàn)分析瀝青紫外光老化前后分子結(jié)構(gòu)、分子量、組分以及瀝青表面形態(tài)的變化；同時(shí)利用宏觀試驗(yàn)(動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、彎曲流變梁試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)等)分析瀝青紫外老化前后性能變化。通過微觀與宏觀相結(jié)合的方法，定性與定量地分析瀝青老化前后其微觀與宏觀變化之間的關(guān)系，評(píng)價(jià)瀝青紫外光老化程度，探究瀝青紫外光老化過程，對(duì)瀝青紫外光老化進(jìn)行綜合、全面的分析與評(píng)價(jià)。

3 瀝青抗紫外光老化措施

瀝青路面在整個(gè)壽命周期內(nèi)將承受長(zhǎng)期的紫外線輻射作用，從而造成瀝青路面的損壞，目前對(duì)于提高瀝青抗紫外光老化性能，較為行之有效的方法主要是通過添加抗紫外光老化的助劑來(lái)改善其抗老化性能。根據(jù)助劑抗紫外光老化的作用機(jī)理不同，其主要包括紫外線吸收劑、受阻胺類、光屏蔽劑、猝滅劑、抗氧化劑等。

3.1 紫外線吸收劑

紫外線吸收劑的主要作用是吸收輻射在瀝青上的太陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)換為熱能發(fā)散出去，對(duì)瀝青起到保護(hù)作用。不同紫外光吸收劑在最佳摻量下能夠減少瀝青的催化程度，并能有效改善瀝青抗紫外光老化性能。常見的紫外線吸收劑主要有水楊酸酯類、二苯甲酮類、苯并三唑類等有機(jī)化合物。

3.2 受阻胺類

受阻胺類光穩(wěn)定劑(HALS)可通過捕獲自由基、分解氫過氧化物等多種途徑增加聚合物的穩(wěn)定性，其中受阻胺生成的氮氧自由基對(duì)斷裂鏈自由基的捕獲反應(yīng)被認(rèn)為是受阻胺的主要作用。受阻胺類光穩(wěn)定劑根據(jù)其母體分子結(jié)構(gòu)可分為：哌啶系衍生物、哌嗪系衍生物、咪唑烷酮系衍生物。

3.3 光屏蔽劑

光屏蔽劑類光穩(wěn)定劑主要包括氧化鋅、二氧化鈦、二氧化鈰、炭黑等，由于它們具有較好的分散性和遮蓋能力，能夠?qū)⑽盏墓饽苻D(zhuǎn)化成熱能發(fā)散出去，或者將有害的光波反射出去，進(jìn)而對(duì)聚合物起到保護(hù)作用，改善聚合物的抗紫外光老化性能。

3.4 猝滅劑

猝滅劑能夠與吸收能量后處于激發(fā)態(tài)的聚合物分子作用，將激發(fā)態(tài)能量以無(wú)害的方式傳遞出去，使聚合物分子恢復(fù)到穩(wěn)定基態(tài)，以避免其引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)聚合物起到保護(hù)作用，防止其發(fā)生紫外老化，造成性能降低。猝滅劑一般通過兩種方式吸收激發(fā)態(tài)能量：0F?rster長(zhǎng)程能量轉(zhuǎn)移，猝滅劑與激發(fā)態(tài)分子間距離大于5 nm時(shí)就可吸收其能量；接觸或碰撞或交換能量轉(zhuǎn)移，在這種方式下猝滅劑與激發(fā)態(tài)分子間距離小于1.5 nm時(shí)猝滅劑方可吸收分子的能量。猝滅劑多為鎳有機(jī)絡(luò)合物，此類光穩(wěn)定劑對(duì)聚烯烴類材料具有良好的穩(wěn)定效果。

3.5 抗氧化劑

抗氧化劑的主要作用是阻斷和延緩氧化過程，避免材料在熱、光、氧等條件下發(fā)生氧化反應(yīng)，引起其性能的劣化。在瀝青材料中添加適量的抗老化劑，目的在于消除老化反應(yīng)過程中生成的過氧化自由基，同時(shí)還原烷氧基或羥基自由基等，進(jìn)而使氧化的反應(yīng)終止，對(duì)材料起到保護(hù)作用。常見抗氧化劑主要有含活性氫的芳胺衍生物和受阻酚衍生物、分子中帶硫醚基團(tuán)的脂類化合物和亞磷酸脂類等化合物。

不同種類光穩(wěn)定劑對(duì)瀝青以及瀝青路面性能的影響不同，在使用過程中需根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，然后再進(jìn)行選用。表5對(duì)比分析了幾種常見的瀝青抗紫外光老化措施。

表5 幾種瀝青抗紫外光老化措施

4 展望

(1)通過室內(nèi)模擬瀝青紫外光老化試驗(yàn)，研究在不同紫外光照工況條件下瀝青的性能變化特征；分別測(cè)試在室內(nèi)老化與自然環(huán)境條件下老化后瀝青性能的變化，并對(duì)比分析其異同。

(2)模擬瀝青在實(shí)際工程中的紫外老化環(huán)境，分析影響瀝青紫外光老化的因素以及各因素對(duì)瀝青老化程度影響的大小(權(quán)重)，擬利用各影響因素及其權(quán)重對(duì)瀝青紫外光老化程度進(jìn)行定量分析。

(3)通過分析瀝青路面在使用過程中的環(huán)境(光強(qiáng)、溫度、水等)特征，對(duì)瀝青路面在一定時(shí)期內(nèi)的老化程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而預(yù)測(cè)其使用壽命，為瀝青路面最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)的確定提供依據(jù)并提出合理的養(yǎng)護(hù)方案。

5 結(jié)論

(1)瀝青紫外光老化機(jī)理較為復(fù)雜，是多種物理化學(xué)反應(yīng)綜合作用的結(jié)果，是由小分子量向大分子量轉(zhuǎn)變，由溶膠結(jié)構(gòu)向凝膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，再由凝膠結(jié)構(gòu)向固體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程。

(2)目前對(duì)瀝青紫外光老化研究的試驗(yàn)方法主要是室內(nèi)模擬紫外光老化和自然環(huán)境老化試驗(yàn)，對(duì)瀝青紫外光老化的評(píng)價(jià)主要通過微觀試驗(yàn)分析其性能變化，對(duì)瀝青紫外光老化試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)均未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，亟需建立一套標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)、評(píng)價(jià)體系。

(3)光屏蔽劑、紫外線吸收劑、受阻胺類等光穩(wěn)定劑常用于改善瀝青抗紫外光老化性能，不同種類抗紫外光老化劑對(duì)瀝青性能影響不同，在實(shí)際應(yīng)用過程中需根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。