伍任雄，史靈玉

（重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015）

0 引言

隨著我國西部公路建設(shè)的飛速發(fā)展，西藏、青海與新疆等部分高海拔地區(qū)廣泛采用了瀝青路面結(jié)構(gòu)，這些地區(qū)由于海拔高、空氣稀薄、紫外線輻射強(qiáng)烈，導(dǎo)致瀝青路面發(fā)生光氧老化，路面變脆變硬，進(jìn)而使路面的低溫性能和疲勞耐久性下降，產(chǎn)生大量裂縫，降低了路面的使用壽命[1-4]。

許多學(xué)者針對此問題展開了大量研究，郭韋韋[5]采用氙燈老化箱對瀝青混合料進(jìn)行加速老化模擬，通過低溫劈裂試驗與低溫彎曲試驗證明紫外光會對瀝青混合料低溫性能產(chǎn)生顯著影響，SBR添加劑可有效防止瀝青混合料發(fā)生光氧老化，改善其低溫性能。王佳妮[6]運(yùn)用動態(tài)流變學(xué)手段和時溫等效原理對紫外光老化前后的瀝青進(jìn)行了力學(xué)行為和瀝青聚集態(tài)變化分析，證明光老化使瀝青膠質(zhì)發(fā)生締合并形成超分子結(jié)構(gòu)逐漸沉積，使原來瀝青中的溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，膠體轉(zhuǎn)化為固體。鄭南翔[7]建立了光老化后瀝青性能衰減規(guī)律及老化速率的預(yù)估方程，通過驗證能精確預(yù)測瀝青針入度、延度和粘度的衰減規(guī)律，并量化了瀝青老化速率與最終老化程度兩種指標(biāo)。

根據(jù)目前研究情況，筆者從西藏林芝地區(qū)實(shí)際情況出發(fā)，根據(jù)炭黑材料屏蔽紫外線的特性，采用紫外光加速老化箱對添加炭黑與無炭黑的瀝青和瀝青混合料進(jìn)行加速老化，并對老化后的瀝青與瀝青混合料進(jìn)行低溫性能研究，以期為西藏等高海拔、紫外線輻射強(qiáng)烈地區(qū)的光老化研究提供參考。

1 原材料及技術(shù)指標(biāo)

筆者采用90#A級瀝青為研究對象，具體指標(biāo)如表1所示。炭黑是一種無定形碳，其顆粒粒徑極小，質(zhì)量輕，通常呈黑色粉末狀（圖1），可以形成隔離層，對太陽光中的高頻率光波進(jìn)行吸收[8]。單位質(zhì)量的炭黑所具有的總表面積非常大，范圍從10～3000m2/g不等，是含碳物質(zhì)在空氣不足的條件下經(jīng)不完全燃燒或受熱分解而得的產(chǎn)物，炭黑指標(biāo)如表2所示?；旌狭霞壟洳捎肁C-20結(jié)構(gòu)，該級配為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，以提高瀝青路面在高寒地區(qū)的低溫抗裂能力[9]，各篩孔通過率見表3。

表1 90#A級瀝青基本指標(biāo)

表2 炭黑技術(shù)指標(biāo)

表3 瀝青混合料級配

圖1 炭黑樣品

2 炭黑摻量的確定

由于西藏地區(qū)特殊的極端低溫環(huán)境，瀝青與炭黑混合后形成非均相體系，不合理的炭黑摻配比例會對瀝青混合料低溫性能產(chǎn)生不利影響[10]。因此，在混合料中摻入炭黑的最佳比例應(yīng)以低溫彎曲破壞應(yīng)變的性能來確定，炭黑初步定為瀝青質(zhì)量的6%、8%、10%、12%、14%五種摻量，混合料中摻入不同比例炭黑的低溫彎曲破壞應(yīng)變及最佳油石比如表4所示。

表4 摻加炭黑后瀝青混合料試驗結(jié)果

由表4可知，由于炭黑對油類物質(zhì)具有很強(qiáng)的吸附性，因此混合料中炭黑比例的增加會導(dǎo)致最佳油石比同步提升。當(dāng)混合料中炭黑比例由6%升至14%時，低溫彎曲破壞應(yīng)變的數(shù)值會出現(xiàn)由小增大，再由大減小的波形曲線，炭黑比例在10%時，低溫彎曲破壞應(yīng)變的數(shù)值出現(xiàn)波峰。分析原因為當(dāng)炭黑比例由6%開始逐步提升時，油石比也會隨之增加，同時瀝青膜的有效厚度也會隨之增加，繼而使瀝青混合料的柔性模量隨之增大，極限破壞應(yīng)變增加；但當(dāng)炭黑比例持續(xù)增加時，混合料中炭黑含量過多，出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，形成團(tuán)粒，使炭黑無法均勻散布在瀝青中，當(dāng)受到外部作用力時，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。而且由于炭黑極強(qiáng)的吸油性，過多的炭黑會降低有效瀝青含量，使瀝青膜有效厚度銳減，集料間缺少足夠的粘結(jié)能力，導(dǎo)致低溫彎曲破壞應(yīng)變降低。通過數(shù)據(jù)分析可知，炭黑的摻入比例宜為瀝青質(zhì)量的10%。

3 試驗方案

3.1 輻射量當(dāng)量計算

西藏林芝地區(qū)輻射量為13.5MJ·m-2·day-1，紫外光能量約占5%[11]。試驗采用的紫外線加速老化試驗箱共有8根UVB紫外線燈管，每支燈管輻射強(qiáng)度為350W·m-2，根據(jù)能量等效原則可知，實(shí)驗室紫外光輻射強(qiáng)度與室內(nèi)照射時間的作用結(jié)果可看作自然紫外光輻射強(qiáng)度與室外照射時間的作用結(jié)果。老化試驗箱每天工作16h，間隔8h模擬晝夜交替，換算結(jié)果見表5。老化試驗箱在照射過程中部分輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，隨著照射時間增加，試驗箱內(nèi)試樣溫度不斷升高，為了更好地反映瀝青路面實(shí)際溫度水平，模擬路面紫外線老化過程，箱內(nèi)采用內(nèi)置的水冷設(shè)施進(jìn)行控溫，使試驗箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在40℃～50℃，在此溫度區(qū)間可忽略溫度對紫外光老化的影響[12]。

表5 室內(nèi)外紫外線輻射時間換算

3.2 瀝青試驗

炭黑粉體的物理特性使其在攪拌時極易發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，為保證混合料的均勻性，必須采用高速剪切的方法，利用高速剪切設(shè)備破壞其凝結(jié)的過程。首先，取2.5kg的基質(zhì)瀝青在高溫（≥135℃）作用下形成流體，放入保溫油浴鍋中，啟動高速剪切設(shè)備；然后放入炭黑粉體，使高速剪切設(shè)備維持在2500r/min狀態(tài)30min，使炭黑粉體與成流體的基質(zhì)瀝青充分混合后，分組倒入承托盤中進(jìn)行紫外線老化模擬。

根據(jù)托盤面積與瀝青密度計算添加瀝青的質(zhì)量，控制瀝青膜厚度在500～700μm。未受紫外線照射的瀝青為對照組，實(shí)驗組瀝青分別用紫外線照射0d、1d、2d、3d、4d和5d，參照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）進(jìn)行針入度、5℃延度和BBR試驗。

3.3 瀝青混合料試驗方案

為進(jìn)一步研究炭黑對經(jīng)紫外線照射后的瀝青混合料溫度敏感性的影響，對摻有炭黑比例為10%與未摻有炭黑且都經(jīng)過紫外線照射的瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗和低溫劈裂試驗探究。將兩種瀝青混合料攤鋪在托盤中，每組分別輻射0d、1d、2d、3d、4d和5d，進(jìn)行紫外線加速老化，照射期間每隔12h烘軟翻拌一次。紫外線老化后按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》制成標(biāo)準(zhǔn)小梁與劈裂試驗試件。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 瀝青試驗結(jié)果分析

4.1.1 針入度指標(biāo)

針入度可以體現(xiàn)在瀝青在不同溫度下的穩(wěn)定性和抗裂性上，是我國道路石油瀝青標(biāo)號劃分的重要指標(biāo)，參照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》，對摻入炭黑與未摻入炭黑的瀝青混合料進(jìn)行25℃針入度試驗，試驗結(jié)果見表6。

表6 不同紫外線照射時間下25℃針入度試驗結(jié)果

由表6可看出，加入炭黑以后，瀝青25℃針入度有所降低，說明添加炭黑的瀝青高溫性能提升，這是由炭黑很強(qiáng)的吸油性所致，即炭黑顆粒對混合料中的油分子產(chǎn)生了吸附作用，形成大分子，使瀝青稠度提高。當(dāng)紫外線照射時間增加，參與試驗的瀝青混合料針入度都逐漸降低，說明紫外線對瀝青混合料產(chǎn)生了不利影響，使其逐漸老化。

與未經(jīng)紫外線照射的瀝青相比，摻入一定比例炭黑的瀝青混合料被照射5d后25℃針入度降低了6.9%，未摻入炭黑的瀝青25℃針入度降低了7.5%，摻入炭黑的瀝青針入度降幅低于未摻入炭黑瀝青，說明炭黑顆粒吸收了一部分紫外線，降低了瀝青老化水平。

4.1.2 5℃延度指標(biāo)

低溫延度可理解為低溫下的拉伸能力，能反映瀝青材料在低溫環(huán)境下的抗裂能力。參照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》，對摻入一定比例炭黑與未摻入炭黑的瀝青混合料進(jìn)行低溫延度試驗，試驗結(jié)果見表7所示。

表7 不同紫外線照射時間下5℃延度試驗結(jié)果

由表7可知，兩種瀝青5℃延度隨著紫外線老化輻射時間的增加而降低，低溫條件下極限拉應(yīng)變減小，說明紫外線對瀝青混合料產(chǎn)生了不利的老化影響，使瀝青混合料的低溫抗裂性能降低。與未受紫外線照射的瀝青混合料相比，摻入一定比例炭黑的瀝青延度降低了33.2%，未摻入炭黑瀝青延度降低了43.5%，證明添加炭黑可以減緩瀝青紫外線老化，延緩瀝青低溫抗裂性能下降的時間。

4.1.3 BBR試驗結(jié)果

BBR試驗可以直觀反映瀝青在低溫環(huán)境下的蠕變勁度模量和應(yīng)力松弛能力，根據(jù)ASSHTO MP5方法，設(shè)定溫度為-12℃，荷載施加時間為60s，試驗結(jié)果見表8。

表8 不同紫外線照射時間下蠕變勁度與m值試驗結(jié)果

由表8可知，兩組瀝青蠕變勁度與紫外線照射時間成正比，m值與紫外線照射時間成反比，說明紫外線使瀝青脆性增加，應(yīng)力松弛水平下降，降低了瀝青低溫抗裂性能。與未經(jīng)紫外線照射的瀝青相比，5d紫外線照射后添加炭黑瀝青的蠕變勁度增加了34.1%，m值下降了7.6%，未添加炭黑瀝青蠕變勁度增加了46.6%，m值下降了11.6%。說明炭黑可有效吸收紫外線，使瀝青在紫外線老化后仍具有較高的柔性和應(yīng)力松弛水平，在高寒低溫環(huán)境下，與普通瀝青相比具有更優(yōu)良的抗裂性能。

4.2 瀝青混合料試驗結(jié)果分析

4.2.1 小梁低溫彎曲試驗

將紫外線老化后的瀝青混合料制成標(biāo)準(zhǔn)小梁試件，在－10℃條件下保持1h后，進(jìn)行跨中單點(diǎn)加載，加載速率為50mm/min。

試驗結(jié)果顯示，抗彎拉強(qiáng)度和低溫彎曲破壞應(yīng)變兩個參數(shù)不能完全反映出瀝青混合料的路用性能，甚至?xí)贸龌槊艿慕Y(jié)論。為了更加清晰反映出瀝青混合料的低溫抗裂性能，筆者根據(jù)彎曲應(yīng)變能密度函數(shù)的計算結(jié)果來表現(xiàn)瀝青混合料的低溫抗裂能力，密度函數(shù)值越大，說明混合料低溫性能越好，其受破壞時所需能量越高[13-15]。公式為：

式中：dW/dV為應(yīng)變能密度（kJ/m3），εij為應(yīng)變分量，σij為應(yīng)力分量，ε0為最大彎拉應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變值。計算時需要將應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系回歸為三次多項式，其可靠度將大于99%。由試驗結(jié)果計算所得應(yīng)變能如表9、圖2所示。

表9 瀝青混合料的彎曲破壞實(shí)驗結(jié)果

圖2 瀝青混合料的彎曲破壞曲線

由表9和圖2可知，兩種瀝青混合料應(yīng)變能密度隨著光照時間增加而減小，在輻射1d（對應(yīng)室外輻射52d）后下降幅度最大，說明紫外光老化主要發(fā)生在瀝青路面鋪筑后的前兩個月。對照組預(yù)實(shí)驗組兩種瀝青混合料5d老化后的應(yīng)變能密度與未老化前相比分別減少了66.8%與57.3%，說明炭黑吸收紫外光降低了瀝青混合料光老化水平，有效減緩了瀝青路面低溫性能的下降，可減少瀝青路面因光老化造成的低溫開裂。

4.2.2 低溫劈裂試驗

將紫外線老化后的瀝青混合料制成標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件在－10℃條件下保溫1h后進(jìn)行加載，加載速率為1mm/min，試驗結(jié)果如表10、圖3所示。

表10 不同紫外線照射時間下劈裂強(qiáng)度試驗結(jié)果

圖3 瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度曲線

由表10和圖3可知，實(shí)驗組和對照組的低溫劈裂強(qiáng)度均隨著紫外線光照時間的增加先增大后減小，實(shí)驗組劈裂強(qiáng)度在輻射4d后達(dá)到最大值，對照組劈裂強(qiáng)度在輻射3d后達(dá)到最大值，實(shí)驗組強(qiáng)度變化幅度小于對照組。實(shí)驗組最大劈裂強(qiáng)度比未老化時劈裂強(qiáng)度增加了7.3%，對照組最大劈裂強(qiáng)度比未老化時劈裂強(qiáng)度增加了8.0%。說明實(shí)驗組由于炭黑的作用，瀝青混合料對紫外光的敏感度低于對照組。

分析原因為：前期紫外線光照使瀝青發(fā)生老化，勁度模量變大，混合料硬度增加導(dǎo)致劈裂強(qiáng)度增大，隨著光照時間增加，瀝青粘度下降，導(dǎo)致瀝青與集料黏附性下降，表現(xiàn)為劈裂強(qiáng)度先上升后下降；炭黑吸收部分紫外線導(dǎo)致瀝青老化速率變慢，老化水平低于無炭黑瀝青混合料，導(dǎo)致實(shí)驗組劈裂強(qiáng)度變化幅度較緩。

5 結(jié)論

（1）炭黑作為一種紫外光屏蔽劑加入瀝青后，經(jīng)過相同時間紫外線輻射，與基質(zhì)瀝青相比，針入度、5℃延度與m值降幅減小，蠕變勁度增幅降低，說明炭黑可吸收太陽光中部分紫外線，使瀝青在紫外線老化后仍具有較高的柔性和應(yīng)力松弛水平，在高寒低溫環(huán)境下，與普通瀝青相比具有更優(yōu)良的抗裂性能。

（2）添加炭黑與無炭黑兩種瀝青混合料在室內(nèi)輻射1d（等效于林芝地區(qū)室外輻射52d）時各低溫指標(biāo)下降最快。相同紫外光輻射條件下，添加炭黑瀝青混合料相比無炭黑瀝青混合料應(yīng)變能密度具有較小的下降幅度，低溫劈裂強(qiáng)度變化幅度較低，達(dá)到最大老化水平的時間更長，說明添加炭黑的瀝青混合料具有較低的紫外光敏感度與較好的抗光老化耐久性。

（3）建議將炭黑用于我國青藏高原等紫外線輻射強(qiáng)烈、夏涼冬寒地區(qū)的瀝青路面工程中，可有效提高瀝青路面的抗光老化性能，減緩紫外光老化導(dǎo)致的瀝青路面低溫性能下降，減少路面因溫度裂縫而引發(fā)的道路結(jié)構(gòu)性損傷，保持路面使用狀態(tài)，提高路面使用周期。