唐靖武 田榮燕 陳紅 吳金岳

摘 要：公路是我國現(xiàn)代化建設的重要基礎設施之一，是經(jīng)濟發(fā)展的動脈?！笆濉睍r期，瀝青材料廣泛運用于公路建設，但瀝青材料的老化問題不容小覷，尤其是青藏高原地區(qū)的老化問題。因此，文章以西藏拉薩的氣候條件為基礎，通過三大指標的變化情況研究青藏高原地區(qū)瀝青路面的光老化速率以及光屏蔽劑納米TiO2改性瀝青路面的抗光老化性能，消除模擬環(huán)境帶來的諸多誤差，旨在為青藏高原地區(qū)公路建設的瀝青材料中納米TiO2摻量提供重要參考依據(jù)。結果表明，納米TiO2改性瀝青具有抗紫外線光老化的性能，且在青藏高原地區(qū)瀝青路面中的最佳摻量約為1.4%。

關鍵詞：納米TiO2摻量；三大指標；改性瀝青；抗光老化；青藏高原；拉薩

中圖分類號：U414 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0050-04

Abstract： Highway is one of the important infrastructures in China's modernization and an artery for economic development. During the "Twelfth Five-Year Plan" period， asphalt materials are widely used in highway construction， but the aging of asphalt materials cannot be underestimated， especially the aging of the Qinghai-Tibet Plateau area. Therefore， based on the climatic conditions in Lhasa， Tibet， the photoaging rate of asphalt pavement in the Qinghai-Tibet plateau area and the anti-aging properties of the nano-TiO2 modified asphalt pavement are studied through the changes of the three major indicators， eliminate many errors caused by simulation environment. The purpose of this paper is to provide an important reference for the content of nano-TiO2 in the asphalt material for the highway construction in Qinghai-Tibet plateau. The results show that the nano-TiO2 modified asphalt has anti-ultraviolet photoaging performance， and the best content in the asphalt pavement in the Qinghai-Tibet Plateau is about 1.4%.

Keywords： nano-TiO2 content； three major indexes； modified asphalt； anti-photoaging； Qinghai-Tibet Plateau； Lhasa

引言

公路是現(xiàn)代化建設的重要基礎設施，隨著我國經(jīng)濟技術的飛速發(fā)展，公路建設越來越受到重視，地處西南邊陲的西藏也在大量建設公路路?！笆濉逼陂g，我區(qū)公路總里程達到7.8萬公里，“十三五”期間還將大量建設立體交通網(wǎng)絡，瀝青材料得到了廣泛的應用。由于我區(qū)氣候環(huán)境條件異常惡劣，大大縮短了瀝青路面的使用年限，瀝青的老化已經(jīng)嚴重限制了經(jīng)濟的發(fā)展，公路的發(fā)展模式也就由建設逐漸轉變成了養(yǎng)護，樹立了“公路養(yǎng)護與建設并重”的理念。

西藏拉薩市地處高原，海拔約為3658米，而平原海拔僅為幾十米到幾百米左右。眾所周知，高原上的氣候條件、自然環(huán)境、地理環(huán)境等都極其惡劣，尤其強紫外線是引起瀝青路面老化的罪魁禍首。因此，本文基于西藏拉薩的氣候條件，主要研究瀝青路面在青藏高原地區(qū)的抗光老化性能，實現(xiàn)瀝青路面的養(yǎng)護目標，保障我區(qū)人們的出行安全。

國外對瀝青老化的研究已領先國內100年左右，技術相對成熟，但大部分都是研究瀝青光氧老化的機理，并沒有大量研究光屏蔽劑對瀝青材料光老化的改善作用。國內前人們大量研究的都是平原上光屏蔽劑改性瀝青的數(shù)據(jù)，僅有少部分是強紫外線地區(qū)的數(shù)據(jù)，青藏高原地區(qū)的數(shù)據(jù)更是寥寥無幾?；诖?，本文將在前人的基礎上研究光屏蔽劑納米二氧化鈦（TiO2）改性瀝青[1]材料在青藏高原公路建設上的應用與發(fā)展，延長瀝青路面的壽命，減少瀝青材料和納米TiO2的浪費。

抗光老化性能最佳的納米TiO2改性瀝青能為青藏高原地區(qū)公路建設的瀝青材料中納米TiO2摻量提供重要參考依據(jù)；適量納米TiO2對普通瀝青和SBR改性瀝青光老化的改善程度能為青藏高原地區(qū)公路建設選擇瀝青材料提供重要的參考依據(jù)。

1 西藏地區(qū)紫外線輻射概況

瀝青老化主要有光氧老化和熱氧老化兩種形式，而強紫外線輻射是瀝青路面長期老化的主要因素，尤其是在我國的西部地區(qū)，如青藏高原一帶，晝夜溫差大，空氣稀薄，陽光透過大氣層的能量損失較少，紫外線不僅輻射強烈，全年輻射時間還較長。通常是我國中東部地區(qū)的3-4倍，年輻射量非常大。因此，高原環(huán)境下瀝青的老化主要是光老化，可忽略因溫度而引起的熱氧老化，便于利用高原自然環(huán)境對瀝青進行試驗探究，消除模擬環(huán)境帶來的諸多誤差，使結論更具可信度。

2 試驗方案

2.1 試驗方法

將各比例的納米TiO2改性瀝青制作成試模，每種比例的瀝青試模若干，將其置于房頂，利用自然環(huán)境老化3個月、6個月、9個月、12個月，分別對其三大指標進行試驗分析，最后對數(shù)據(jù)進行分析整合，找出各比例納米TiO2對瀝青三大指標的影響情況，并得出相應結論。

2.2 SBR改性瀝青老化試驗

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）對瀝青三大指標（即針入度、延度、軟化點）進行試驗分析，以下關于瀝青三大指標的試驗分析均采用此規(guī)程。首先將SBR改性瀝青初始的三大指標分析出來，用作瀝青老化指標的參照數(shù)據(jù)；再將該瀝青制成形狀、大小等都相同三個試塊，將其置于房頂，利用拉薩自然的紫外線進行輻射；最后每隔3個月，即從輻射開始算起的第3、第6、第9、第12個月分別對該瀝青的三大指標進行試驗分析，取三組的平均值作為最終的試驗結果[2]，試驗結果如表1所示。

由表1可知，瀝青的老化程度越大，其針入度和延度越小、軟化點越高，最后趨于穩(wěn)定。因此，可用瀝青的三大指標大致評判瀝青的老化程度，也可根據(jù)加入納米TiO2后瀝青三大指標的變化情況評判其抗光老化性能。

2.3 原料選擇及技術性質[1]

基于青藏高原的氣候條件，選用SBR（II-A）道路聚合物改性瀝青，經(jīng)過試驗檢測，其各項技術標準均符合規(guī)范的相應要求。選用納米TiO2的主要技術性質如表2所示。

2.4 納米TiO2摻量區(qū)間選擇

在張春青等人的研究基礎上可知，納米TiO2摻量在[0，3%] （質量比，下同）區(qū)間上時，對瀝青抗光老化性能的改善效果趨勢大致為先增加，后降低，再增加[3]，考慮到經(jīng)濟性原則，本文將在先增加后降低的區(qū)間內進行更細化得研究，即在區(qū)間[0，2%]內。

2.5 納米TiO2屏蔽原理

納米TiO2具有良好的抗紫外線性能，主要是因為它屏蔽紫外線的作用。納米TiO2中Ti元素電子結構存在價電子和空軌道，電子容易吸收能量而發(fā)生躍遷。當受到紫外線輻射時，大部分能量被吸收[4]，價帶的電子被激發(fā)傳至導帶，進而耗散了大量能量，達到了吸收紫外線的目的[1]。此外，金紅石型納米TiO2的折射率較高，當受到光的輻射時，能將光散射到各個方向，損失光的大部分能量，最后僅有一小部分能量才會被吸收，大大減緩了瀝青質的化學反應速率，進而抑制了瀝青材料的老化；它的粒徑越小，散射能力越大，對光的屏蔽作用也就越大。因此瀝青材料中添加光屏蔽劑（如納米TiO2等）將會大大提高瀝青路面抗紫外線光老化的性能[1]。

2.6 制備納米TiO2改性瀝青

將SBR（II-A）改性瀝青放入烤箱，將其加熱至160℃；將融化的瀝青取出并進行稱重，倒入攪拌器中；按試驗要求稱取各種比例的金紅石型納米TiO2，放入燒杯中；開啟攪拌機，并用小勺將光屏蔽劑緩緩加入瀝青中，等瀝青中的氣泡基本排出后再加入下一勺，重復此過程，直至完全加入為止，在攪拌過程中要檢測瀝青的溫度，務必維持在160℃左右；在該溫度下繼續(xù)攪拌大約20min；攪拌結束后，應該緩慢關閉機器，避免瀝青中的氣泡不能完全排除[1]；將瀝青放入烘箱中再加熱半個小時，取出瀝青，改性瀝青制作完成。

2.7 制備試模

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）的規(guī)定，制備瀝青三大指標試模，進行紫外線光老化試驗，可減少反復加熱瀝青導致其熱氧老化對紫外線光老化結果的影響。制模過程中，應盡量少的攪拌，防止過多空氣進入試樣影響結果。

3 試驗結果與分析

3.1 針入度

譚憶秋等人通過大量的試驗證明，瀝青質的含量可以用作衡量瀝青老化程度的標準。而針入度試驗則是國際上普遍采用測定黏稠瀝青稠度的一種方法，因此可采用針入度試驗來分析不同摻量納米TiO2改性瀝青的抗紫外線老化能力，試驗結果如表3和圖1所示[1，7-9]。

試驗數(shù)據(jù)分析整理過程所用的折線圖（下同）只表示不同摻量納米TiO2改性瀝青各指標的大致走向，并非實際斜率的走向圖，各摻量區(qū)間內斜率變化與否還需要做大量試驗才能得出結論。

由表3可知，隨著紫外線輻射時間的增長，普通SBR改性瀝青的針入度大幅度減小，不同摻量納米TiO2改性瀝青的針入度亦隨著紫外線輻射時間的增長而減小。

由圖1中各折線及其走向對比分析可知，添加納米TiO2的SBR改性瀝青分別經(jīng)過3、6、9、12個月紫外線輻射后，其針入度均有不同程度的損失，損失程度除個別外都小于未摻納米TiO2的瀝青[1]。當納米TiO2摻量在[1.4%，1.6%]區(qū)間內時，無論經(jīng)紫外線輻射多少個月，瀝青的針入度損失程度都是最低的，輻射時間對其效果的影響不大。在區(qū)間[1.4%，1.6%]中，此數(shù)據(jù)分析圖上瀝青的針入度是逐漸減小的，但在此區(qū)間內，瀝青針入度有可能先增大再減小，由于儀器精度的限制，針入度損失程度的最小值具體是多少，本文不再深入研究（下同）。由針入度變化情況可知納米TiO2改性瀝青具有抗紫外線光老化的能力，青藏高原地區(qū)瀝青路面的納米TiO2最佳摻量約為1.4%。

3.2 延度

延度是瀝青低溫性能的重要指標。瀝青的延度和軟化點，尤其是瀝青在老化后的延度和軟化點與瀝青路面的抗裂性能有著非常密切的關系[1]，因此通過延度試驗來評判納米TiO2改性瀝青的抗光老化性能是可行的，且是行之有效的。試驗結果如表4和圖2所示。

由表4和圖2對比分析可知，當瀝青未經(jīng)過紫外線輻射時，隨著納米TiO2摻量的增加，延度有所損失，且摻量小于1%時，損失程度較大。添加納米TiO2的SBR改性瀝青經(jīng)過不同時間的紫外線輻射后，其延度均有不同程度的損失，損失程度均小于未摻納米TiO2的瀝青，且輻射時間越長，效果越明顯。同樣，當納米TiO2摻量在[1.4%，1.6%]區(qū)間內時，無論經(jīng)紫外線輻射多少個月，瀝青的延度損失程度都是最低的。由延度也可得知，納米TiO2改性瀝青具有抗紫外線光老化的能力，并再次證明青藏高原地區(qū)瀝青路面的納米TiO2最佳摻量約為1.4%。

3.3 軟化點

瀝青軟化點既是反映瀝青材料熱穩(wěn)定性的一個指標，也是瀝青條件粘度的一種量度[1]。在老化過程中，瀝青材料的有機成分會發(fā)生變化，從而影響其軟化點，因此可采用軟化點試驗來分析納米TiO2改性瀝青抗光老化能力。試驗結果如表5和圖3所示。

由表5和圖3對比分析可知，未受到紫外線輻射時，摻入納米TiO2對瀝青的軟化點幾乎沒有影響，經(jīng)不同時間的紫外線輻射后，軟化點均比未照射時有所提高，但納米TiO2改性瀝青軟化點的提高程度基本小于或等于SBR改性瀝青[1]，且紫外線輻射時間越長，軟化點提高程度越大；當納米TiO2摻量約為1.2%時，其提高程度最小，效果最好。因此，納米TiO2對瀝青軟化點的影響程度并不大，只是能改善瀝青抗紫外線光老化的性能。

4 結束語

通過對上述試驗數(shù)據(jù)進行分析整合，可得出以下四個結論：（1）可以通過瀝青三大指標的變化情況來分析納米TiO2改性瀝青抗光老化的性能。（2）瀝青中摻入納米TiO2，對三大指標均有一定的影響，對延度的影響最為明顯，對軟化點幾乎沒有影響[1]。因此可采用納米TiO2改性瀝青提高其延度，確保瀝青的抗裂性能。（3）綜合納米TiO2對瀝青三大指標的影響程度及各指標對應的最佳摻量等因素，可知青藏高原地區(qū)瀝青路面的納米TiO2最佳摻量約為1.4%。（4）當納米TiO2摻量為1.4%時，對普通瀝青抗光老化性能的改善效果低于SBR改性瀝青。因此青藏高原地區(qū)的瀝青材料宜選用已改性瀝青。

綜上所述，瀝青材料在青藏高原上能得到廣泛的運用，西藏道路“白改黑”勢在必行，瀝青路面終將取代水泥混凝土路面，對于抗光老化等性能更優(yōu)良的瀝青材料，還需要科研工作者的大量研究。

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