朱 程 鴻

(交通運輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

1 概述

青藏高原強烈的紫外線輻射和高寒的氣候特性導(dǎo)致了高分子材料的老化現(xiàn)象十分明顯，路面的紫外老化病害嚴(yán)重影響了路面的性能和壽命。在西北高原地區(qū)，高強的紫外輻射和高寒的氣候是導(dǎo)致瀝青路面老化的重要因素。因此，在高原地區(qū)選擇有良好的抗紫外老化能力且低溫性能優(yōu)良的瀝青或改性瀝青產(chǎn)品是迫在眉睫的。國外的F Durrieu通過紅外光譜實驗分析了傳統(tǒng)熱氧老化道路服務(wù)12個月老化和紫外線加速老化，發(fā)現(xiàn)了瀝青在紫外線暴露幾個小時后就能達(dá)到和PAV老化相同的水平，而SBS改性瀝青在鋪設(shè)12個月后達(dá)到了模擬PAV實驗一樣的水平[1]。同濟大學(xué)的康惠錦利用人工紫外老化箱，通過DSR，BBR試驗及紅外光譜等分析手段，得出了橡膠瀝青隨老化時間的增加，高溫性能提高，低溫變形能力降低的特性，且橡膠瀝青抗老化能力強于基質(zhì)瀝青的結(jié)論[2]。

2 試驗及指標(biāo)的選擇

2.1 低溫試驗的選擇

目前我國尚無明確的指標(biāo)來表征瀝青的紫外老化程度，只能通過其他指標(biāo)的變化來間接反映。而關(guān)于低溫性能，國內(nèi)外產(chǎn)生了很多不同的評價方法。如低溫延度、低溫針入度、脆點、當(dāng)量脆點、彎曲梁流變試驗(BBR)、直接拉伸試驗(DTT)等等。但目前，我國仍舊采用“八五”時期提出的當(dāng)量脆點T1.2和10 ℃延度雙指標(biāo)作為瀝青低溫性能的評價指標(biāo)。

本實驗采用低溫測力延度試驗評價瀝青的低溫性能。所謂測力延度試驗，就是在傳統(tǒng)的延度試驗加載的同時檢測出瀝青條兩端拉力的變化，并將拉力的數(shù)值顯示在計算機屏幕上。測力延度的拉伸速度為5 cm/min，拉伸時的溫度設(shè)置為5 ℃。

2.2 低溫指標(biāo)的選擇

標(biāo)準(zhǔn)的瀝青及改性瀝青荷載—延伸度曲線如圖1所示。

圖1中的OA段為拉力隨拉伸值的變化急速上升的線段，通常在延伸度5 mm～7 mm左右拉力迅速達(dá)到頂峰。點A為拉力的最大值，即Fmax值所在點，對應(yīng)的延伸度即為Dmax值。BC段為拉力隨延伸度線性下降的線段，點E為BC線段的延長線與X軸的交點。C點之后瀝青進入了變形快速增加階段，即蠕變階段。

其中測力延度曲線各項指標(biāo)主要有拉伸柔量f、改性瀝青當(dāng)量勁度、屈服應(yīng)變能、黏韌性面積、韌性比等等。各個指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)又各有側(cè)重點，因此對于瀝青低溫性能的評價要綜合各個指標(biāo)來評判。目前，黏韌性面積和韌性比在評價瀝青的低溫性能中應(yīng)用最為廣泛。而在這兩個指標(biāo)中，韌性比的評判效果最佳，但因其計算方法過于復(fù)雜而推廣較為困難。因此本實驗重點運用韌性比指標(biāo)判斷瀝青的低溫性能，黏韌性面積指標(biāo)作輔助綜合判斷[3]。

指標(biāo)的定義如下：

1)黏韌性面積S。

黏韌性面積S是指拉力—延伸度曲線與X軸所圍成的面積。黏韌性面積S又稱為拉斷功W，指的是瀝青材料從開始變形到拉斷的過程中，外力對瀝青材料所做的功的大小。黏韌性面積及拉斷功可以更加全面的評價瀝青材料的低溫性能。

2)韌性比RT/V。

延長BC線段至X軸，OAB曲線，BE直線和X軸圍成的面積為韌性面積ST；曲線CDF，CE直線和X軸圍成的面積為粘彈性面積SV。二者的比值即為韌性比RT/V。韌性比越大，代表瀝青的低溫抗裂性能越好；反之，則表示低溫抗裂性能越差。具體公式為：RT/V=ST/SV。

3 試驗

3.1 試驗用瀝青

試驗采用三種目前道路工程中較為常用的改性瀝青，分別是：SBS改性瀝青、SBR改性瀝青和橡膠改性瀝青。

各種瀝青的基本指標(biāo)如表1所示。

表1 改性瀝青常規(guī)指標(biāo)表

3.2 室內(nèi)模擬紫外光老化

本實驗采用了自主研制的模擬加速紫外老化設(shè)備箱對瀝青進行加速的紫外老化。其原理是模仿自然條件下瀝青的紫外輻射老化。設(shè)備保持在溫度25 ℃，并采用了通風(fēng)系統(tǒng)以保證老化的瀝青有充足的含氧量。紫外老化設(shè)備加裝的UV-A型高壓汞燈功率為300 W，其向外輻射的照射面積約為0.8 m2。設(shè)備帶有時間控制系統(tǒng)，每日的工作時間為20 h。將室外強日光紫外輻射時間轉(zhuǎn)化為室內(nèi)紫外輻射時間換算如表2所示。

表2 時間換算

4 實驗結(jié)果分析

三種改性瀝青分別進行老化試驗和測力延度試驗。對測力延度測得的數(shù)據(jù)進行分析，得到不同瀝青不同老化程度測力延度數(shù)據(jù)指標(biāo)如表3所示。

表3 原樣及老化后SBS改性瀝青各項指標(biāo)表

重點分析瀝青的韌性比的變化。韌性比代表瀝青在低溫拉伸狀態(tài)下韌性即塑性狀態(tài)的力和瀝青彈性狀態(tài)力的比值。瀝青的韌性占比越高，代表瀝青的低溫抗裂性能就越強。

由圖2可知，SBS改性瀝青未老化瀝青韌性比為4.29，加速老化相當(dāng)于室外16個月時間后，韌性比降低為2.27，降低了2.02，降低幅度達(dá)到47.1%。且前4個月就降低了1.51，占總降低比重的74.8%。分析瀝青的黏韌性面積S時，發(fā)現(xiàn)瀝青的黏韌性面積不斷的降低。說明隨著SBS改性瀝青紫外老化時間的增多，將瀝青試條拉斷所需做的功在不斷減少。主要原因是雖然在彈性力階段SBS的拉力增加可以導(dǎo)致黏韌性面積的增加。但是由于紫外老化導(dǎo)致瀝青延度的降低，瀝青的塑性階段所克服的功大大減少，故總體面積在不斷減少。

SBR改性瀝青的韌性比指標(biāo)同樣隨著老化時間的增加而不斷減少。具體情況如圖3所示。

未老化的SBR改性瀝青韌性為0.85，是SBS改性瀝青的20%，大大低于SBS改性瀝青。在紫外老化箱中老化相當(dāng)于外界16個月時間后，韌性比降低了0.464，降低幅度為55%，且大部分老化發(fā)生在前8個月，前8個月韌性比降幅占總降幅的89%。和SBS瀝青不同的是，SBR改性瀝青的黏韌性面積S隨著老化時間的增加而增加，也就意味著隨著老化時間的增多，拉斷瀝青試條所需做的功在增加。其原因是隨著瀝青的紫外老化，SBR改性瀝青的彈性性能在增強。其表現(xiàn)為瀝青的峰值力和瀝青蠕變狀態(tài)時的拉力的增強，而瀝青韌性的降低幅度小于其彈性能力的增強幅度，即表現(xiàn)瀝青黏韌性面積S的增加。

橡膠瀝青的韌性比隨著紫外光老化時間的增加而減少，具體情況如圖4所示。

未老化的原樣橡膠瀝青的韌性比為0.937，經(jīng)過在紫外老化加速模擬箱中老化相當(dāng)于室外16個月時間后，韌性比降低為0.449，降低幅度達(dá)到52%。且和SBR改性瀝青類似，大部分的老化都發(fā)生在前8個月時間，前8個月韌性比降幅占總降幅的88%。橡膠瀝青的屈服應(yīng)變能和黏韌性面積指標(biāo)表現(xiàn)出和SBS改性瀝青類似的特性。由于延度的減少導(dǎo)致黏韌性面積的減小部分大于彈性力增加的部分，導(dǎo)致黏韌性面積隨老化時間增加而減少。

5 結(jié)語

1)通過比較不同瀝青不同老化時間的測力延度指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)瀝青的韌性比指標(biāo)均下降了50%左右。其中SBS改性瀝青下降幅度最低為47%，橡膠瀝青次之為52%，SBR改性瀝青最差為55%。

2)瀝青的紫外老化大部分發(fā)生在前4個月～前8個月時間內(nèi)，其后隨著老化時間的增加，老化的程度的增長越來越緩慢。前8個月紫外老化對瀝青低溫性能的衰減，占共時長16個月的90%左右。

3)SBR改性瀝青16個月紫外老化后的韌性比指標(biāo)最低為0.386；SBS的低溫性能表現(xiàn)最佳，16個月老化后韌性比為2.27；橡膠瀝青表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)和SBS改性瀝青類似，在低溫拉伸階段有較強的塑性，16個月老化后韌性比為0.449。故瀝青在紫外老化后的低溫性能排序為SBS>橡膠>SBR。