黃 凌，劉紅瑛，聶宗權(quán)，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(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3 云南云交建工程試驗(yàn)檢測有限公司，云南 昆明 650000)

瀝青路面在服役期內(nèi)受到光、氧、熱和水等因素作用下，路用性能會(huì)嚴(yán)重下降。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，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(qū)，在紫外線照射強(qiáng)度較大的地區(qū)瀝青面層會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)“泛白”，其瀝青路面表面會(huì)產(chǎn)生“碳化”現(xiàn)象。面層瀝青與集料的裹附性能迅速下降，導(dǎo)致瀝青路面在服役時(shí)間不長的情況下較快地出現(xiàn)開裂、松散等病害。國內(nèi)外的研究初步揭示，這類地區(qū)的瀝青路面的老化并非傳統(tǒng)認(rèn)識上的熱氧因素主導(dǎo)的老化，而是光因素主導(dǎo)的老化[1-2]。

瀝青紫外老化早在1974年就有人研究，發(fā)現(xiàn)在光氧老化之后瀝青中的化學(xué)官能團(tuán)發(fā)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(zhì)組分發(fā)生揮發(fā)，導(dǎo)致瀝青中的瀝青質(zhì)組分占比上升。亓玉臺(tái)等[4]提出瀝青在紫外老化之后組分變化規(guī)律：芳香分→膠質(zhì)→瀝青質(zhì)。Montepara等[5]采用不同輻照強(qiáng)度的紫外光對瀝青進(jìn)行紫外老化模擬試驗(yàn)，研究表明導(dǎo)致瀝青發(fā)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(zhì)組分發(fā)生揮發(fā)、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(jìn)行室內(nèi)瀝青紫外老化試驗(yàn)，結(jié)果表明瀝青膜厚和老化作用具有很明顯的線性關(guān)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(nèi)外學(xué)者為了能夠完成瀝青紫外老化之后的一些性能試驗(yàn)，避免大量重復(fù)老化試驗(yàn)，多數(shù)選擇了1000～2000 μm的瀝青膜厚[7-15]。

為了室內(nèi)更好地模擬實(shí)際環(huán)境以及紫外光對瀝青的影響，國內(nèi)外不少學(xué)者在模擬紫外老化時(shí)考慮了溫度以及紫外光源對試驗(yàn)的影響。如Zhang等[13]在80℃下研究了瀝青室內(nèi)模擬與室外實(shí)際紫外老化的差異，F(xiàn)ernandez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(shí)采用了73℃作為試驗(yàn)溫度。目前關(guān)于瀝青抗紫外老化國內(nèi)外已進(jìn)行了一定的研究，但是大多數(shù)研究人員選擇60℃作為試驗(yàn)溫度，在海拔較高、氣溫較低的地區(qū)光氧老化起主導(dǎo)作用，60℃不適合低溫地區(qū)的紫外光老化研究。

因此，在室內(nèi)模擬高海拔地區(qū)瀝青路面紫外老化需考慮日光輻射時(shí)間、環(huán)境溫度、紫外線輻射強(qiáng)度等因素，基于滇西北地區(qū)環(huán)境參數(shù)建立瀝青及混合料的紫外光老化模擬試驗(yàn)的參數(shù)體系，研究基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的三大指標(biāo)、黏度性能在不同紫外老化時(shí)間下的變化規(guī)律，對比兩種瀝青紫外老化后宏觀性能的優(yōu)劣，對于在高紫外線地區(qū)合理選用瀝青結(jié)合料具有重要的工程價(jià)值。

1 滇西北高海拔地區(qū)紫外輻射強(qiáng)度調(diào)查

我國是一個(gè)紫外線輻射分布不均的國家，陽光照射的持續(xù)時(shí)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(dāng)陽光通過大氣時(shí)臭氧在大氣中吸收紫外線輻射有關(guān)。因此，紫外線在我國境內(nèi)的分布是非常復(fù)雜的。西部地區(qū)的日照時(shí)間要比東部地區(qū)的日照時(shí)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(dá)到最大。北部地區(qū)一般大于南部地區(qū)，這與太陽能隨緯度變化的規(guī)則相反，其原因是由于南方有更多的云層和雨天會(huì)影響太陽輻射。另外日照時(shí)間和太陽輻射隨海拔的增加而增加，滇西北地區(qū)、西藏地區(qū)和部分新疆地區(qū)等海拔比較高的地區(qū)日照時(shí)間和太陽輻射要遠(yuǎn)高于東部地區(qū)。

滇西北地區(qū)平均海拔在2500～3500 m，平均氣溫在5～25 ℃。目前該地區(qū)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(jù)中國氣象局網(wǎng)站發(fā)布的資料結(jié)合WheatA農(nóng)業(yè)氣象大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，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(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)見表1。

表1 滇西北部分地區(qū)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(yuǎn)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(qū)的紫外輻射遠(yuǎn)比中東部地區(qū)高，因此必須考慮紫外光對道路瀝青所產(chǎn)生的影響。

2 紫外氣候老化箱及其試驗(yàn)參數(shù)確定

2.1 紫外氣候老化箱

紫外氣候試驗(yàn)箱主要包括儀器控制系統(tǒng)、溫度和濕度控制系統(tǒng)、光源控制系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用智能型溫控儀表,不僅能提高系統(tǒng)及元件的使用壽命，還具有斷電記憶功能。安全防護(hù)系統(tǒng)主要包括防護(hù)門鎖、箱內(nèi)溫度超溫保護(hù)和低水位保護(hù)。在溫度控制上為了模擬夏季和冬季不同溫度，設(shè)計(jì)了加熱系統(tǒng)和降溫系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)靠紫外氣候箱自身加溫電熱管實(shí)現(xiàn)，低溫采用外接環(huán)境箱來實(shí)現(xiàn)，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(shí)際地模擬室外瀝青所受到的紫外光輻射。為了增加箱體內(nèi)紫外光強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)選用10根紫外熒光燈等間距布置在箱體內(nèi)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(qiáng)度由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制。

2.2 紫外輻射模擬試驗(yàn)參數(shù)的確定

2.2.1 試驗(yàn)溫度的確定

滇西北地區(qū)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(xué)數(shù)據(jù)中心平臺(tái)，對云南麗江寧蒗地區(qū)環(huán)境資料進(jìn)行調(diào)查。該地區(qū)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(dá)到最高，但也只有22.23℃，遠(yuǎn)低于大部分低海拔城市夏季溫度?？紤]到海拔較高地區(qū)晝夜溫差較大，因此在模擬滇西北地區(qū)紫外老化試驗(yàn)時(shí)，結(jié)合夏季紫外輻射大的特點(diǎn)，選擇平均溫度25℃作為試驗(yàn)溫度。

2.2.2 室內(nèi)外紫外老化輻射換算關(guān)系建立

按照室內(nèi)模擬和室外紫外光照射總量相同的原則確定室內(nèi)紫外線照射時(shí)間和戶外日光照射時(shí)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算等效加速率。等效加速率計(jì)算如公式（1）所示。

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

結(jié)合數(shù)據(jù)調(diào)查該地區(qū)近十年平均全年日照時(shí)間為2110.33h，考慮紫外燈的折減系數(shù)為1.4，換算關(guān)系見表2。

表2 紫外輻射時(shí)間換算Table 2 UV radiation time conversion

選擇1mm作為試驗(yàn)?zāi)ず襁M(jìn)行紫外老化。采用內(nèi)壁光滑的不銹鋼圓形盛樣皿，其內(nèi)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(shù)指標(biāo)

選擇東海牌70#基質(zhì)瀝青和SBS（I-D）改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)研究，兩種瀝青基本技術(shù)指標(biāo)根據(jù)規(guī)范（JTG E20-2011）測試，結(jié)果見表3和表4。

表3 東海牌70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of Donghai 70# matrix asphalt

表4 SBS(I-D)改性瀝青技術(shù)指標(biāo)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(biāo)和瀝青黏度來表征其物理性能。通過不同紫外老化時(shí)間后瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度、黏度變化作為評價(jià)指標(biāo)，分析基質(zhì)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(shù)指標(biāo)的影響

將兩種瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱短期老化試驗(yàn)（163℃，85min）和紫外老化試驗(yàn)之后，按照規(guī)范（JTG E20-2011）對老化后的瀝青殘留物進(jìn)行三大指標(biāo)性能測試。試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青老化前后針入度和延度指標(biāo)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(zhì)瀝青老化前后軟化點(diǎn)指標(biāo)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(shí)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(zhì)瀝青衰減速率要大于SBS改性瀝青，從針入度指標(biāo)分析，SBS改性瀝青比基質(zhì)瀝青抗老化性能更好。

基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青在紫外老化后的軟化點(diǎn)變化趨勢（圖3）有明顯不同，基質(zhì)瀝青在RTFOT+UV老化過程中軟化點(diǎn)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(diǎn)增加，在之后的紫外老化前期軟化點(diǎn)有所下降，軟化點(diǎn)隨老化時(shí)間增加而緩慢增加?？赡苁瞧湓诮?jīng)歷紫外老化后發(fā)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(huì)破壞瀝青的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還會(huì)造成聚合物分子量的降低，但是會(huì)提高瀝青中膠體成分的抗變形能力[17]。整個(gè)紫外光老化過程中SBS聚合物的降解速度會(huì)高于基質(zhì)瀝青“硬化”速度，當(dāng)SBS聚合物降解和氧化過程達(dá)到一定程度時(shí)，瀝青軟化點(diǎn)會(huì)保持小幅穩(wěn)定增長。

兩種瀝青延度會(huì)隨著紫外老化時(shí)間的增加而逐漸降低，且都是先快后慢的趨勢。其中基質(zhì)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(zhì)瀝青。SBS改性瀝青紫外老化后的延度變化也要比基質(zhì)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(zhì)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(nèi)模擬紫外老化試驗(yàn)的時(shí)間過長，在實(shí)際施工中不能夠較快分析基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青性能隨紫外老化時(shí)間性能的衰減程度，采用針入度衰減指數(shù)和延度衰減指數(shù)來評價(jià)針入度和延度在不同紫外老化時(shí)間下的變化規(guī)律，如公式（2）、（3）所示。

利用Minitab中的非線性擬合中的Michaelis-Menten函數(shù)對室內(nèi)不同老化時(shí)間后的針入度和延度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，預(yù)測不同老化時(shí)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(shù)和延度衰減指數(shù)進(jìn)行擬合，如圖4和圖5所示。通過擬合得到的關(guān)于針入度衰減指數(shù)和延度衰減指數(shù)與時(shí)間的擬合函數(shù)，可以計(jì)算不同老化時(shí)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(shí)間，從而通過老化較短時(shí)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(shí)際工程中預(yù)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(shí)間變化Fig. 4 Change of penetration with UV aging time

圖5 延度隨紫外老化時(shí)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(zhì)的重要指標(biāo)，能夠表征瀝青材料在外力作用下抵抗流動(dòng)變形的能力。瀝青在熱氧老化和紫外老化過程中，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂重組、聚合反應(yīng)，并且瀝青的組分也會(huì)發(fā)生變化，在宏觀方面表現(xiàn)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(yīng)瀝青抗紫外老化性能。本文采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀對不同老化方式以及不同老化時(shí)間后的兩種瀝青進(jìn)行測試，試驗(yàn)時(shí)選擇27號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速選擇20r/min，溫度選擇135℃。通過對黏度進(jìn)行了回歸分析研究其變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 基質(zhì)瀝青(左)和SBS改性瀝青(右)黏度隨紫外老化時(shí)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(jīng)過室內(nèi)模擬紫外老化12M后，基質(zhì)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(xiàn)出相同的變化規(guī)律。在短期老化后黏度都發(fā)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(shí)間不斷增加，黏度變化逐漸變小，基本保持穩(wěn)定。

從兩種瀝青黏度增長百分比來看，SBS改性瀝青要遠(yuǎn)小于基質(zhì)瀝青，一般認(rèn)為增長率越低，瀝青在紫外老化過程中組分和化學(xué)鍵發(fā)生的變化越小，表現(xiàn)為抗紫外老化性能越強(qiáng)，但是考慮到短期老化對兩種瀝青黏度變化產(chǎn)生較大影響，且基質(zhì)瀝青未老化時(shí)的黏度基數(shù)過小，僅僅通過黏度增長百分比來評價(jià)瀝青抗紫外老化性能不太準(zhǔn)確。因此將兩種瀝青12M時(shí)的黏度設(shè)置為老化進(jìn)度100%，將短期老化設(shè)置為老化進(jìn)度0%，通過瀝青不同時(shí)間下的老化黏度變化速率作為評價(jià)瀝青抗紫外老化效果的指標(biāo)，并對兩種瀝青的黏度變化速率進(jìn)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(zhì)瀝青(左)和SBS改性瀝青(右)黏度變化速率隨紫外老化時(shí)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(qū)別?；|(zhì)瀝青前期增長速率快，后期增長速率較緩慢，在室內(nèi)等效老化2個(gè)月時(shí)黏度增長速率接近50%，4個(gè)月時(shí)老化速率達(dá)到76%；SBS改性瀝青在室內(nèi)等效老化2個(gè)月時(shí)增長率遠(yuǎn)低于基質(zhì)瀝青，僅僅只有5%，這和軟化點(diǎn)數(shù)據(jù)類似，經(jīng)短期老化瀝青的軟化點(diǎn)和黏度數(shù)據(jù)變化都很小。在2～8 M內(nèi)SBS改性瀝青較平穩(wěn)增長，到了8個(gè)月時(shí)老化速率達(dá)到75%。在相同紫外老化時(shí)間下，基質(zhì)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?yàn)闉r青和改性劑會(huì)同時(shí)影響紫外老化后SBS改性瀝青的黏度變化，SBS改性劑結(jié)構(gòu)在被破壞時(shí)會(huì)導(dǎo)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(jié)論

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

（2）根據(jù)室內(nèi)模擬與室外紫外光輻射總量相等原則計(jì)算加速率，確定了室內(nèi)、外紫外老化時(shí)間對應(yīng)關(guān)系。

（3）兩種瀝青針入度和延度均隨紫外老化時(shí)間的增加而逐漸降低，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青軟化點(diǎn)變化有差異，SBS改性瀝青軟化點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)薄膜短期老化后增大而在紫外老化過程中逐漸減小，基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)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(shí)間增加后的黏度變化，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青黏度變化速率要遠(yuǎn)高于SBS改性瀝青?；|(zhì)瀝青在模擬老化4M時(shí)黏度變化速率和SBS改性瀝青模擬紫外老化8M時(shí)相近，紫外老化對基質(zhì)瀝青黏度的影響要遠(yuǎn)大于SBS改性瀝青。