SBS和SBR改性瀝青混合料抗紫外線老化性能研究

葉昌勇 許達俊

（寧波市高等級公路建設指揮部1） 寧波 315000）（海南高速公路股份有限公司2） 海口 570203）

0 引 言

瀝青路面在熱、氧、光和水等環境因素作用下會發生一系列揮發、氧化、聚合，導致其路用性能劣化.在青海、西藏、新疆、甘肅等西部地區太陽總輻射能量基本上都高于東部平原地區，如同期最高的唐古拉山區的紫外線輻射強度是上海的4倍［1］.在西部地區瀝青路面由于紫外線老化引起的路面低溫開裂和高溫車轍現象非常嚴重［2］.因此，研究瀝青混合料紫外線老化的特征，對高紫外線輻射地區瀝青路面的修建與養護具有重要的理論價值.

目前，國內外對瀝青的熱和光老化研究較多，而對瀝青混合料的紫外老化性能研究較少.譚憶秋等［3］研究了紫外光老化瀝青機理，研究了瀝青結合料的熱老化和紫外老化作用，認為在西部地區研究瀝青混合料紫外老化比熱老化嚴重.劉黎萍等［4］、Durrieu等［5］研究表明SBS改性瀝青的耐紫外線老化能力好于SBR 改性瀝青.錢春香等［6］研究了SBS和SEBS改性瀝青及混合料抗老化性能，認為SEBS的耐紫外老化性能比SBS改性瀝青混合料高1倍以上，適合于南方和高原紫外線強烈地區使用.吳歡等［7］認為：瀝青混合料的抗紫外線老化后對劈裂強度影響明顯，且SBR 改性瀝青混合料的耐光老化性能好于基質瀝青混合料.Liao等［8］研究了參雜不同抗紫外線老化劑的SBR 改性瀝青在青藏高原地區的抗老化性能，并認為瀝青紫外線老化主要發生在老化前期，老化時間越長老化越嚴重.何文華等［9］以馬歇爾穩定度為指標研究了紫外老化后瀝青混合料的性能，認為摻加纖維可以有效提高瀝青路面的高溫穩定性及抗紫外光老化性能.陳華鑫等［10］研究表明，老化后瀝青混合料的低溫性能均有下降，且改性瀝青混合料的低溫性能優于基質瀝青混合料.

鑒于此，本文采用氙燈紫外線模擬西部強陽光輻射，對熱拌SBS瀝青混合料、SBR 瀝青混合料和基質瀝青混合料進行老化試驗，主要使用劈裂強度評價老化后瀝青混合料的力學性能，用動穩定度指標來描述幾種瀝青混合料老化后的高溫性能.

1 紫外線輻射量當量計算

西部地區太陽總輻射能量基本上都高于東部平原地區.西藏拉薩紫外光照射強度6～9月份的平均紫外光照強度295.375 MW／m2，年日照時間約為3006h，計算得年總紫外線量為246.638 MJ／m2.據文獻［1］可知，青海省果洛州大武鎮的年總紫外線輻射量為350 MJ／m2，上海年紫外線輻射量為149.6 MJ／m2.

采用江蘇艾默生試驗儀器科技有限公司SN-500型氙燈箱為紫外線光源，燈管功率1.8kW，燈管距混合料距離80cm.混合料松散攤鋪，攤鋪面積0.8m2，光譜在（350～450nm）之間.在瀝青混合料表面放置TN-2340型（臺灣泰納牌）紫外線強度計，測得實際紫外線強度為580 W／m2.

老化箱瀝青混合料表面光強×老化時間（單位：s）=室外紫外線年總輻射量.通過計算：580W／m2×6.98d×24h×3600s=3.5×107J／m2，即室內6.98d老化大約相當于青海省果洛州大武鎮一年的總紫外線輻射量；室內5d相當于西藏地區一年的總紫外線輻射量.

2 道路瀝青材料光氧化原理

瀝青材料主要是由C，H，O，N 等元素組成的大分子有機物，它所具有的各種特性都是由這種大分子結構所賦予的.C，H，O，N 等元素要形成穩定的大分子結構，它們之間就需要一定的結合能，即鍵能，其值越高則結構越穩定.光實際上是由帶能量的光子組成，波長不同其能量也不一樣.而紫外線UV-A 波長為320～400nm，UV-B 波長為290～320nm.瀝青材料中主要是C—H，C—C和C—C 鍵，雖然C=C 鍵能總值615.3 kJ／mol，但是它斷裂第1 個鍵的能量僅為270 kJ／mol，相當于420nm 波段光的能量，因此瀝青材料很容易受到紫外線光氧化作用.

在氙燈老化箱中，每3h翻拌一次混合料.這樣，混合料在一定時間后，集料表面層瀝青膜老化完全.隨著老化的繼續，仍會有部分紫外線穿透上面層瀝青膜，瀝青膜下面層的瀝青緩慢老化，紫外老化程度越來越慢.

3 試驗方案

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）對原材料進行檢驗后均符合規范要求，SBS，SBR 改性瀝青指標如表1，改性劑摻量均為4.5%，最佳比油石比分別為5.1%，3 種混合料均采用表2所列的AC-16C 型級配.將3類瀝青混合料均勻攤鋪在3個搪瓷盤中，攤鋪密度21kg／m3，調節氙燈老化箱溫度到85 ℃恒溫，對3種瀝青混合料進行48h老化試驗，每3h將試件翻拌一次，每隔6h取出定量3類混合料.根據我國《瀝青和瀝青混合料試驗規程》，改性瀝青混合料適當加熱后分別成型馬歇爾試件和車轍板，基質瀝青混合料直接成型，做常溫（25 ℃）劈裂試驗以及60 ℃車轍試驗.

3.1 試驗指標

1）將試件放在25 ℃水浴1.5 h，以50 mm／min的條件測試老化程度不同的馬歇爾試件的劈裂強度.計算公式為

式中：RT為最大拉應力即劈裂強度，MPa；PT為試驗荷載的最大值，N；h為試件高度，mm.

2）動穩定度DS指瀝青混合料產生單位變形時的輪載作用次數，次／mm.動穩定度越大，瀝青混合料高溫穩定性越好.我國現行規范的計算方法如下.

式中：d1為對應于時間t1的變形量，mm；d2為對應于時間t2的變形量，mm；C1為試驗機類型修正系數，取1.0；C2為試件系數，取1.0；N為試驗輪往返碾壓速度，取42次／min.

3.2 試驗結果

3.2.1 劈裂試驗結果

由實驗得出的數據經求平均值后，結果見表3～4.

表3 瀝青混合料劈裂強度 MPa

表4 瀝青混合料老化后強度比

3.2.2 車轍試驗結果

實驗數據經處理后見表5～6.

表5 不同瀝青混合料老化前后動穩定度 次／min

表6 不同瀝青混合料老化后動穩定度增長率 %

4 試驗結果分析

4.1 劈裂強度試驗結果分析

將以上結果繪制成折線圖如圖1.為了更直觀比較老化前后強度變化，用混合料老化后的強度比老化前的強度制成直方圖見圖2.

圖1 瀝青混合料劈裂-老化時間關系

圖2 瀝青混合料老化時間-劈裂強度比關系

由圖1～2可看出：AH-16瀝青混合料，在老化前14h強度快速增加到最大值，隨著老化時間增加，強度緩慢降低.SBR-16瀝青混合料，在老化至26h強度達到最大值，隨老化時間增加，混合料強度緩慢降低SBS-16混合料，在老化達33強度達到最大值，隨之老化時間的增加，強度緩慢降低；瀝青混合料在紫外線光照下老化后強度增長率：基質瀝青＞SBR 改性瀝青＞SBS改性瀝青；劈裂強度達到最大后開始有所降低，說明瀝青混合料受老化影響抵抗變形的能力減弱，基質瀝青減弱較快.綜上所述，改性瀝青混合料在光照老化作用下強度變化較基質瀝青混合料的變化小，老化速度慢，說明了改性瀝青混合料的抗紫外線老化性更好，而SBS改性瀝青混合料好于SBR 改性瀝青混合料.

將混合料老化后劈裂強度達到最大值得點叫做混合料的老化點.基質瀝青混合料，SBR 改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的老化點分別是14，26，33h.基質瀝青混合料達到老化點時相當于西藏地區老化30d，青海地區43d；SBR改性瀝青混合料達到老化點時相當于西藏地區老化56.5d，青海地區79d；SBS改性瀝青混合料達到老化點相當于西藏地區72d，青海地區100d.

4.2 車轍動穩定度試驗結果分析

圖3為混合料動穩定度-老化時間關系，圖4為動穩定度增長率-老化時間關系.

圖3 混合料動穩定度-老化時間關系

圖4 動穩定度增長率-老化時間關系

由圖3～4 可見，AH-16C 瀝青混合、SBR-16C瀝青混合料、SBS-16C 級配混合料試件的動穩定度在隨老化時間的增加均有增加，并且出現最大增幅的時間快慢：基質瀝青＞SBR 改性瀝青＞SBS改性瀝青，說明基質瀝青混合料較容易老化，改性瀝青耐老化效果好.由圖4可知，AC-16C混合料動穩定度增長率：基質瀝青＞SBR 改性瀝青＞SBS改性瀝青，說明SBS改性瀝青混合料性質穩定，長期耐老化性能好.

5 結 論

1）紫外線老化對瀝青混合料的力學性能影響顯著.紫外老化后瀝青混合劈裂強度總體增大，到達老化點后的劈裂強度有所降低.AC-16C 混合料出現老化點的順序：基質瀝青＞SBR＞SBS；瀝青混合料劈裂強度的增長率：基質瀝青＞SBR＞SBS；瀝青混合料劈裂強度的降低率：基質瀝青＞SBR ＞SBS.

2）紫外線老化作用下，3種瀝青混合料的高溫抗變形能力都有提升抗車轍能力增大.車轍穩定度出現拐點的時間基本與老化點時間一致；車轍穩定度的增長幅度：基質瀝青＞SBR＞SBS.

3）通過室內試驗模擬了室外紫外線老化作用，換算出了相當于青海和西藏地區紫外老化時間的室內當量老化時間，對以后的研究提供了理論支持.

4）提出了老化點的概念，即瀝青混合在紫外老化作用后的劈裂強度到達最大值的時間，對研究瀝青混合料老化規律有著重要意義.

5）基質瀝青混合料抗紫外線效果差，性質不穩定，而改性瀝青混合料的耐紫外線老化能力好，性質穩定，SBS 瀝青混合料的耐老化效果優于SBR，適合在高紫外線地區推廣應用.

［1］葉 奮，黃 彭.強紫外線輻射對瀝青路用性能的影響［J］.同濟大學學報：自然科學版，2005，33（7）：909-913.

［2］白 姆.西藏山南地區瀝青路面病害成因分析［J］.西藏科技，2008（8）：62-74.

［3］譚憶秋，王佳妮.瀝青結合料紫外老化機理［J］.中國公路學報，2008，21（1）：19-20.

［4］劉黎萍，董文龍，孫立軍.SBS，SBR 改性瀝青抗紫外線老化性能對比［J］.建筑材料學報，2009（12）：676-678.

［5］DURRIEU F，FARCAS F，MOUILLET V.The influence of UV aging of a styrene／butadiene／styrene modified asphalt comparison between laboratory and on site aging［J］.Fuel，2007，86（10-11）：1446-1451.

［6］錢春香，解建光.SBS和SEBS改性瀝青及混合料抗老化性能［J］.東南大學學報：自然科學版，2005，35（6）：945-948.

［7］吳 歡，梁乃興.SBR 改性瀝青混合料紫外光照老化分析［J］.重慶交通學院學報，2007，26（4）：72-74.

［8］LIAO Gongyun，HUANG Xiaoming.Anti-ultraviolet aging tests of asphalts adapting to environment in Tibetan Plateau of China［J］.Journal of Southeast University：English Edition，2008，24（4）：503-507.

［9］何文華，郭韋韋.氙燈加速老化對瀝青混合料性能的影響［J］.華東交通科技，2012，29（2）：16-18.

［10］陳華鑫，姜 藝.瀝青混合料老化后的低溫性能［J］.長安大學學報：自然科學版，2010，30（1）：2-5.