紫外老化对SBS改性沥青性能影响研究

文章编号：1000033X（2016）12006305

收稿日期：20160612

基金项目：陕西省交通厅科技计划项目（1403k）

摘要：通过室内加速紫外老化试验模拟室外大气紫外辐射对沥青路面中沥青的老化作用，对SBS改性沥青和基质沥青试样在短期老化与紫外辐射老化前后4组分及其主要技术指标变化进行比较。结果表明：紫外老化对沥青的4组分变化影响显著，沥青中的轻质组分逐渐向重质组分转化；经TFOT老化后性能发生衰减，衰减后性能约等于经紫外老化后性能的五分之一；紫外老化应为SBS改性沥青整个老化过程的主要形式。

关键词：SBS改性沥青；紫外老化；4组分 ；轻质组分

中图分类号：U414文献标志码：B

Research on Ultraviolets Ageing Effect on Performance of SBS Modified Asphalt

ZHANG Juan， LI Yan， GUO Ping， QIU Yeji

（Xian Highway Institute， Xian 710061， Shaanxi， China）

Abstract： The comparison of SBS modified asphalt and matrix asphalt on the change of four components and primary technical indicators before and after shortterm ageing and ultraviolets ageing effect and was conducted by means of indoor accelerated ultraviolet ageing test and outdoor radiation. The results show that four components of asphalt are notably affected by the ageing effect of ultraviolet， with light weight components being gradually converted to heavy components； the performance of asphalt degrades after TFOT ageing， which is about a fifth of that of ultraviolet ageing； ultraviolet aging should be the main form of the aging process of SBS modified asphalt.

Key words： SBS modified asphalt； ultraviolet ageing； four components； light weight component

0引言

沥青路面在实际使用过程中长期暴露于自然环境中，受大气紫外线辐射作用，路面性能必然因老化而发生退化。现行规范采用薄膜烘箱老化试验（TFOT）来评价沥青的抗老化性能，而对于紫外线老化，还未有统一的评价方法。对于SBS改性沥青的紫外老化研究，吕捷[1]通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热分析比较了基质沥青与改性沥青的老化性能；杨兴[2]将SBS改性沥青及其老化后的试样分离为SBS、饱和分、芳香分、胶质、沥青质等5个组分，对各组分进行傅立叶红外光谱分析来研究其老化规律；刘黎萍[3]通过对SBS、SBR改性沥青的低温延度变化进行试验，对比了2种沥青的抗紫外老化性能。但薄膜烘箱老化试验与室内紫外老化试验对SBS改性沥青性能变化的相关对比研究较少。

因此本文通过对薄膜烘箱老化试验与室内紫外老化试验老化的沥青组分与性能变化进行对比，分析短期老化与长期老化对沥青性能的影响，以评价紫外老化对SBS改性沥青路用性能的影响程度。

1沥青老化机理

沥青老化主要有2个阶段，即短期老化阶段和长期老化阶段。短期老化主要为沥青与集料拌和时的老化，长期老化是在沥青路面使用期的老化。在整个老化过程中，短期老化主要是热氧老化，长期老化是光氧老化，并且光氧老化以紫外老化为主。

紫外线UVA和UVB的波长范围为290～ 400 nm，而沥青中大多数的聚合物分子键能和290～400 nm波长范围的光能相当。因此，当沥青材料受到紫外线辐射时，分子结构会受到破坏，沥青材料受到光的老化作用[4]。

由于紫外老化与热老化后沥青性能的排序不一致，说明二者是不同类型的老化过程，不能用热氧老化替代紫外老化。因此，就SBS改性沥青的整个老化过程展开研究，对比不同老化方式对与SBS改性沥青性能影响情况就很有必要。

2紫外老化试验方法

2.1紫外老化试验仪器

室内试验采用了紫外线老化试验箱，通过增强紫外线辐照强度来缩短模拟沥青室外老化过程的试验时间。课题组参照相关文献，设计了紫外线老化试验箱，主体包括箱体、自动控制系统、加热管、风机、紫外线灯管架和样品托盘。自动控制系统包括温度自动控制模块、风机控制模块、紫外线灯控制模块等。该设备通过箱顶螺旋杆调节紫外线灯泡与试样之间的距离，以合理控制紫外线照射在沥青样品表面的强度。箱体两侧安装风机，提供冷空气以稳定烘箱的设定温度以及充足的氧气。光源采用型号为H44GS100M 100W的4个紫外线灯泡。

2.2紫外辐射老化时间关系的建立

沥青路面的设计年限一般为15年，但实际使用7～8年后路面性能就会大幅衰减。采用紫外老化箱进行室内紫外老化试验，可有效地模拟使用多年经受紫外老化作用的沥青路面，大大缩短路面性能衰减程度的研究时间。

本文引用当量紫外线强度加速率来确定室内紫外线辐射与自然条件下大气紫外辐射沥青老化时间的换算关系。当量紫外线强度加速率是指在某一紫外线波段范围内，紫外线辐照强度与某地区相应波段的太阳紫外线辐照强度之比。

AU=IR/IZ（1）

式中：AU为当量紫外线强度加速率；IR为一定紫外线波段范围内的紫外线辐照强度（W・m-2）；IZ为一定紫外线波段范围内的太阳紫外线辐照强度（W・m-2）。

董妍[56]等对西安地区紫外太阳辐射特征进行分析和模拟，得出日辐射变化呈倒“U”型分布，且晴天紫外辐射强度最大，日平均值为2428 W・m-2。将该紫外辐射强度作为陕西代表性地区的日平均最大辐照强度，进行当量紫外线强度加速率的计算，即IZ=2428 W・m-2。

本试验的紫外老化箱中设置了4个H44GS100M100W紫外线灯泡，每个灯泡的额定功率为100 W，UA340A紫外线强度仪距离单个灯泡下沿15 cm处的平均辐射强度为1235 W・m-2。因此，紫外灯底部辐射量应为4个灯泡辐照强度总和，约为494 W・m-2，即IR=494 W・m-2。将数据代入式（1），可得AU≈20.35，

即室内试验得到的当量紫外线强度加速率为20.35。因此按照每天均为晴天进行估算，得出室内紫外老化箱与室外自然条件下老化时间的换算关系，见表1。

根据表1的时间等效关系，本试验分别采用3、6、9、12、15、18 d六个紫外辐射时间来模拟室外2个月、4个月、6个月、8个月、10个月、12个月的紫外老化情况。根据气象统计，陕西省年平均晴天数约为140 d，依据表1 的等效关系，可等量为3年的室外实际紫外老化时间。

为更好地模拟沥青路面高温环境，参照沥青混合料车辙试验标准温度（60 ℃），本试验采用紫外老化箱内温度为60 ℃作为紫外加速老化控制温度。室内紫外老化试验条件主要技术参数见表2。

3紫外老化试验研究

3.1室内紫外老化试验

本试验设计室内紫外老化试验如下。

（1）对基质沥青和SBS改性沥青分别进行TFOT老化试验，并进行性能指标检测。按照规范要求，基质沥青TFOT试验温度为163 ℃，但由于SBS改性沥青混合料的拌和温度在175 ℃～180 ℃，比基质沥青高10 ℃～20 ℃，SBS改性沥青TFOT试验温度应高于基质沥青，最终确定为173 ℃。

（2）对薄膜烘箱短期老化试验后的基质沥青和SBS改性沥青分别进行3、6、9、12、15、18 d的室内紫外老化试验，并检测性能指标。

3.2原材料

采用韩国SK90基质沥青以及燕山石化4303SBS改性剂，按照45%的掺量内掺于SK90进行高速剪切得到的SBS改性沥青。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20―2011）的要求进行沥青性能指标检测，基质沥青与SBS改性沥青均满足规范要求。

3.3试验结果

3.2.14组分

基质沥青老化前后4组分变化情况见表5，SBS改性沥青前后4组分变化情况见表6。

综合表5～6及图1～2可以看出。

（1）随紫外老化时间的延长，各组分的变化比例不断增加。紫外老化后，基质沥青与SBS改性沥青的饱和分和芳香分的含量总体呈下降趋势，沥青质和胶质总体呈上升趋势。随着沥青老化时间的增长，沥青中的轻质组分逐渐向重质组分转化。

（2）在紫外老化的后半程，随老化时间延长，各组分的变化幅度逐渐减小，变化曲线趋于水平，说明紫外老化对沥青性能影响逐渐减弱。因此，室内紫外老化试验时间不必设置过长，本试验设定最长老化时间为18 d。

图1基质沥青老化过程中四组分变化趋势

图2SBS改性沥青老化过程中四组分变化趋势

（3）4组分中胶质和沥青质随紫外老化时间延长变化幅度相对较大。因此，通过对TFOT老化后胶质与沥青质变化比例占室内紫外老化18 d后胶质与沥青质变化比例进行计算可知，基质沥青和SBS改性沥青经TFOT老化后性能变化约占室内紫外老化18 d后的1/5。由此可知，紫外老化是沥青整个老化过程的主要形式。

（4）由沥青TFOT老化性能变化约为室内紫外老化18 d后的1/5，也就是约为室外紫外老化3年后的1/5可知，沥青经TFOT老化后的性能约等同于经室外紫外老化7个月后的性能。

（5）相较于未老化的4组分结果，紫外老化对基质沥青和SBS改性沥青的4组分变化影响程度明显高于TFOT老化。说明紫外老化对基质沥青和SBS改性沥青的老化影响程度更高，紫外老化为长期老化的主要形式。

（6）从紫外老化后的4组分变化幅度来看，基质沥青比SBS改性沥青的变化幅度大，说明SBS改性沥青抗老化能力优于基质沥青。

3.2.2紫外老化前后沥青性能分析

对于25 ℃针入度、5 ℃延度（基质沥青）、5 ℃延度（改性沥青）、软化点、135 ℃运动粘度等指标，基质沥青与SBS改性沥青老化前后的试验结果见表7、8，变化曲线见图3～6。

综合表7、8及图3～6可以看出以下几点。

（1）经过TFOT老化，基质沥青和SBS改性沥青的针入度减小，延度减小，软化点增大，运动粘度增大。与未老化相比，变化幅度较大。

（2）随着紫外老化时间的延长，基质沥青和SBS改性沥青的软化点变化不明显，针入度均减小，运动粘度显著增大，延度明显下降，说明整个老化过程对沥青的低温性能影响显著。

（3）在整个老化过程中，SBS改性沥青的针入度、延度、运动粘度变化幅度均小于基质沥青，且SBS改性沥青的延度、运动粘度值大于基质沥青，说明SBS改性沥青抗老化能力优于基质沥青。

（4）经历TFOT短期老化，沥青性能已发生大幅下降；经历紫外老化后，沥青性能仍继续下降。说明沥青性能在混合料拌和过程中发生大幅衰减，在长期使用过程中仍会持续衰减。

（5）在紫外老化后半程，沥青性能指标变化幅度相对较为平缓，说明沥青路面在使用过程中受紫外辐射产生老化，但其性能变化率随着紫外老化时间的延长将逐渐下降。

4结语

本文建立了紫外老化试验方法，通过室内加速紫外老化试验模拟沥青路面室外紫外辐射情况，确定了室内外紫外辐射老化的时间关系以及室内紫外老化试验的主要参数。通过对比SBS改性沥青和基质沥青试样老化过程中4组分以及主要技术指标变化情况，分析了短期老化（TFOT老化）与长期老化（紫外老化）方式对沥青材料的影响差别，得出主要结论有以下几点。

（1）经历TFOT老化，SBS改性沥青性能发生大幅下降，说明沥青在混合料拌和过程中性能已发生大幅衰减；同时，在使用过程中受紫外辐射产生老化，其性能变化率随着紫外老化时间的延长逐渐下降，表明室内试验18 d模拟整个老化过程具有可行性。

（2）从老化前后沥青4组分以及性能指标结果分析可知，随着沥青老化时间的增长，沥青中的轻质组分逐渐向重质组分转化；SBS改性沥青经TFOT老化性能衰减，其衰减后性能约等同于经紫外老化后性能的1/5；紫外老化应为SBS改性沥青老化的主要形式。

（3）综合老化过程中沥青的4组分与性能指标变化结果来看，SBS改性沥青的抗老化能力优于基质沥青。

参考文献：

[1]吕捷.改性沥青的紫外老化研究[J].石油沥青，2014，28（4）：1620.

[2]杨兴，邱天，程健，等.SBS改性沥青紫外老化研究[J].化学与生物工程. 2013，30（10）：6871.

[3]刘黎萍，董文龙，孙立军，等.SBS，SBR改性沥青抗紫外老化性能对比[J].建筑材料学报，2009，12（6）：676678.

[4]涂娟，袁军，包传平，等.道路沥青及SBS改性沥青的紫外老化研究[J].石油沥青，2008，22（6）：4447.

[5]董妍，杨艳超，李星敏，等.秋季西安地区紫外太阳辐射特征及模拟[C]∥陕西省气象学会S10大气物理学与大气环境.2015.

[6]申来明，房士伟，马庆伟，等.SBS改性沥青薄膜烘箱试验改进方法的研究[J].筑路施工与机械化，2014，31（4）：5457.