紫外線老化作用對橡膠改性瀝青性能的影響分析

作者簡介：

劉華強（1983—），工程師，主要從事公路工程監理工作。

摘要：文章通過不同紫外線作用時間和溫度變化，模擬橡膠改性瀝青受到不同程度的老化作用，測試橡膠改性瀝青的常規指標、高溫DSR指標和低溫BBR指標及分析指標的變化趨勢。結果表明：隨著紫外線老化時間的增加，橡膠改性瀝青的軟化點增加，而針入度和延度都呈現出降低的趨勢；隨著老化溫度的升高，橡膠改性瀝青的車轍因子也呈現出下降的趨勢。另外，紫外線老化對橡膠改性瀝青的低溫性能也有顯著影響，延長紫外光照時間和提高試驗溫度對橡膠改性瀝青的低溫性能有不利影響。

關鍵詞：紫外線老化；橡膠改性瀝青；車轍因子；低溫性能

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：A 16 047 4

0 引言

瀝青是道路工程中重要的膠結材料，其性能好壞直接關系到道路的質量和耐久性。廢舊橡膠輪胎的處理一直是全球性的環境難題，大量的廢舊輪胎占用大量土地，污染土壤和水源，導致環境污染，被視為“黑色污染”［1-2］。因此，有效地回收和再利用廢舊橡膠輪胎，對于環境保護至關重要［3］。近年來，將廢舊橡膠輪胎粉摻入瀝青中以提高瀝青路面性能的方法得到廣泛認可和推廣，既有效減輕了廢舊橡膠輪胎的堆積問題，又顯著提高了道路的使用性能［4-5］。但對于高溫地區，橡膠改性瀝青路面長期暴露在陽光紫外線的作用下，不僅引發熱氧老化，也可以引起光氧老化，導致瀝青的物理和化學性質發生明顯變化。在交通荷載和紫外線輻射的雙重影響下，瀝青路面容易出現裂縫、龜裂和剝落等病害［6］。但紫外線等環境因素對橡膠改性瀝青性能產生的影響機制和影響程度仍然不明確，需要進一步深入研究，以便為改善道路質量、減少環境污染和提高道路的耐久性提供借鑒。

本文旨在深入探究紫外線老化對橡膠改性瀝青性能的影響，以期為提高道路質量、減少環境污染和提高道路的可持續性提供科學依據。同時，這項研究對于提升交通運輸能力和降低道路維護成本也具有重要意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

1.1.1 瀝青

本試驗所用的基質瀝青為新疆地區所產的70#道路石油瀝青，表1為其主要的技術指標。

1.1.2 橡膠粉

橡膠粉所用材料為江西某橡膠公司所生產的路用橡膠顆粒，表2為其主要的技術指標。

本文采用的橡膠改性瀝青制備工藝為：基質瀝青預熱至177 ℃后加入膠粉，機械攪拌60 min，剪切10 min，其中膠粉摻量為20%。

1.2 紫外線老化模擬方法

樣品制備：按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（T 0609-2011）采用4個直徑為150 mm的盛樣皿制備瀝青試樣，質量控制在50 g±0.5 g，瀝青薄膜厚度為3.2 mm。

樣品冷卻：待瀝青試樣冷卻至室溫后，將盛樣皿放入烘箱中準備紫外老化試驗。

連接電源：試驗時，將紫外燈的連接電線通過烘箱上方的排氣孔與外界的電源相連。電線采用特氟龍絕熱膠帶包裹。

設定時間：將紫外燈放置在試件上方15 cm左右的位置，設置紫外光照時間為0 h、16 h、32 h、64 h，分別代表室外紫外照射的0 d、45 d、90 d、180 d。

老化溫度：將溫度梯度設置為35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃。

開始試驗：啟動計時器并記錄時間，同時開啟烘箱加熱功能，使烘箱溫度達到預設的溫度值。

觀察記錄：在設定的時間點（如0 h、16 h、32 h、64 h）觀察并記錄每個盛樣皿中瀝青試樣的外觀變化、質量變化等。可以使用熱敏紙記錄關鍵數據和變化情況。

結束試驗：在完成設定的時間后，關閉烘箱加熱功能并斷開電源，取出盛樣皿并記錄數據。

1.3 三大指標試驗方法

基于《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T 604-2011、T 606-2011、T 605-2011中相關的試驗方法，分別測試紫外光影響作用下的橡膠改性瀝青試樣的針入度、軟化點、延度三大指標。

1.4 DSR流變試驗方法

瀝青是一種具有粘彈性的材料，其黏性與彈性在高溫環境下會發生變化。為了真實反映瀝青流變特性，SHRP計劃推薦使用動態流變剪切儀（DSR）進行溫度掃描測試，以模擬實際路面使用過程中的瀝青路面受力情況，并分析瀝青材料的動態力學參數。

DSR的工作原理是將兩塊平行板相對轉動位移所產生的正弦剪切應力或者正弦剪切應變作用于瀝青材料上，以模擬實際路面使用過程中的瀝青路面受力情況，分析瀝青材料的動態力學參數，研究其高溫流變性能。通過該試驗可測得瀝青材料的車轍因子（G*/sinδ）及相位角（δ）等指標。其中G*/sinδ表征瀝青的抗車轍能力，G*/sinδ越大，表明高溫條件下瀝青的抗車轍能力越強；相位角δ則可表示瀝青材料中黏性組分和彈性組分的比例。本次試驗利用瀝青動態流變剪切儀（DSR）試驗儀器，對紫外線作用前后的橡膠改性瀝青進行溫度掃描測試。試驗時采用直徑為25 mm的振蕩板，選取溫度區間為58 ℃～76 ℃，設定頻率為10 rad/s，研究紫外線作用下對橡膠改性瀝青高溫性能的影響。

1.5 BBR試驗方法

彎曲梁流變試驗是利用時間和溫度等效原理，通過測量設定溫度下瀝青試樣的低溫彈性模量主曲線以及撓度與時間的關系曲線，以評估瀝青材料的低溫性能。在試驗中，通過計算機控制施加35 mN±5 mN的預應力，使荷載壓頭與試件接觸，然后施加980 mN±50 mN的荷載進行試驗。試驗溫度通常為-12 ℃或-18 ℃。試驗結束后，測試程序顯示荷載與時間、形變值與時間的關系曲線，并計算得出瀝青試樣的蠕變勁度和蠕變速率的數值，這些數值可以用于評估瀝青材料在低溫條件下的性能表現。

2 紫外線對橡膠改性瀝青性能的影響

2.1 紫外線對橡膠改性瀝青三大指標的影響分析

如圖1所示，在紫外線老化作用下，隨著光照時間的增加，橡膠改性瀝青的軟化點逐漸升高。這是因為紫外線的照射使瀝青分子結構中的聚合度降低和輕質組分散失，導致其軟化點上升。此外，隨著紫外線作用溫度的升高，橡膠改性瀝青的軟化點也基本呈現出上升趨勢，這可能與高溫下瀝青材料內部輕質組分的分解速度加快有關。

針入度是衡量瀝青材料硬度和稠度的指標。在紫外線老化作用下，隨著光照時間及溫度的增加，橡膠改性瀝青受到的老化作用逐漸增強，瀝青針入度呈現下降趨勢。這表明，紫外線的照射使瀝青材料的硬度增加，內部膠粉顆粒組成更加密實，針入度針受到更大的阻力而導致針入度降低。

延度是衡量瀝青材料低溫塑性拉伸性能的指標。在紫外線老化作用下，隨著光照時間的增加，橡膠改性瀝青的延度呈現出逐漸降低的趨勢。說明紫外線作用下橡膠改性瀝青內部柔韌性變差，塑性變形能力降低。此外，隨著作用溫度的升高，橡膠改性瀝青的延度先增加后降低，這可能是由于適當的溫度下橡膠改性瀝青得到進一步的發育，橡膠顆粒得到重組，顆粒之間粘結能力增強從而增加了延度，但隨著老化溫度的進一步上升，瀝青中輕質組分減少，使橡膠顆粒變得硬脆，瀝青延展性能降低。

紫外老化對橡膠改性瀝青的軟化點、針入度和延度都產生了明顯的影響，這些變化趨勢可能與紫外線照射下瀝青材料的分子結構和化學成分的變化有關。在實際應用中，需要根據具體的需求和條件來綜合考慮這些因素對橡膠改性瀝青性能的影響。

2.2 動態剪切流變試驗（DSR）試驗結果

橡膠改性瀝青材料受到不同溫度和不同時間的紫外輻射，其老化程度不盡相同。本研究通過DSR試驗分析了不同紫外光照作用對橡膠改性瀝青高溫性能的影響。試驗結果如表3所示。

由表3可知，隨著老化溫度的升高，相位角逐步增加而車轍因子普遍呈下降趨勢。這表明，較高的老化溫度可能會導致瀝青膠結料的抗車轍性能降低。這是因為高溫條件下，瀝青膠結料的內部結構作用力變弱，會導致其力學性能下降。

在相同的老化溫度下，隨著光照時間的增加，相位角逐步降低而車轍因子呈現出上升趨勢。這說明，長時間的光照引發了瀝青膠結料的氧化反應或其他化學變化。在光照時間相同時，試驗溫度越高，車轍因子的值越小。這表明，高溫試驗條件會進一步降低瀝青膠結料的抗車轍性能，這可能與高溫下瀝青的黏度降低，導致整體粘結力下降有關。

觀察數據可以發現，光照時間和試驗溫度的交互作用對瀝青膠結料抗車轍性能會產生影響，在35 ℃的老化溫度下，隨著光照時間的增加，車轍因子的下降速度在70 ℃和76 ℃的試驗溫度下要快于在58 ℃和64 ℃的試驗溫度下。這表明，高溫條件下的光照時間對橡膠改性瀝青膠結料性能的影響可能更為顯著。

為了獲得優良的瀝青膠結料性能，應該控制適當的老化溫度和光照時間，并避免在過高的溫度下進行試驗。紫外線老化對橡膠改性瀝青相位角產生影響的作用機制主要是通過紫外線的輻射，使橡膠改性瀝青中的化學物質發生反應，導致其化學結構發生改變。隨著老化時間的延長，這種化學反應會加劇，導致橡膠改性瀝青的化學性質和物理性質發生顯著變化。

具體來說，紫外線老化會加速橡膠改性瀝青中聚合物的降解，使其失去原有的彈性，變得更加脆硬。同時，紫外線還會促進橡膠改性瀝青中自由基的生成，進一步加速聚合物的降解，使其流變性能變差，容易出現疲勞損壞。因此，紫外線老化對橡膠改性瀝青的影響是通過多種機制共同作用的結果。

2.3 低溫彎曲流變試驗（BBR）結果分析

由圖2和圖3可知，隨著紫外線作用時間的增加，橡膠改性瀝青的蠕變勁度逐漸增加，蠕變速率逐漸降低，說明高溫條件不利于改善橡膠改性瀝青的低溫性能。此外，隨著光照時間的增加，橡膠改性瀝青的蠕變勁度增加而蠕變速率呈現出逐漸降低的趨勢，這說明紫外光照時間的延長也對橡膠改性瀝青的低溫性能產生不利影響。

另外，在相同的作用溫度下，隨著光照時間的增加，橡膠改性瀝青的蠕變勁度和蠕變速率的變化趨勢并不完全一致。這是因為不同光照時間下，橡膠改性瀝青內部的化學反應和微觀結構發生了不同的變化，從而對其低溫性能產生了不同的影響。同時，試驗溫度的升高會導致橡膠改性瀝青的蠕變勁度和蠕變速率的變化趨勢出現差異，這可能與高溫下橡膠改性瀝青的物理和化學性質發生變化有關。這些都有助于更好地了解橡膠改性瀝青在不同條件下的性能表現，為實際生產和應用提供有益的參考和指導。

3 結語

（1）紫外線老化時間和溫度對橡膠改性瀝青的性能有顯著影響。隨著老化時間和溫度的增加，瀝青的軟化點呈現出增加的趨勢，而針入度和延度則逐漸減小。這表明，過長的紫外線老化時間及過高的老化溫度會對瀝青的性能產生負面影響。

（2）紫外線老化對橡膠改性瀝青的抗車轍性能產生不利影響。高溫試驗條件會進一步降低瀝青膠結料的抗車轍性能，這可能與高溫下瀝青的黏度降低，導致其整體的粘結力下降有關。

（3）紫外線老化對橡膠改性瀝青的低溫性能有顯著影響。過長的紫外光照時間和過高的試驗溫度會對橡膠改性瀝青的性能產生不利影響，導致勁度模量增加而蠕變速率降低。因此，在實際應用中，需要根據具體需求和條件進行綜合考慮，以避免紫外線老化的不利影響。

參考文獻

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