沥青道路材料抗老化研究进展

沥青道路材料抗老化研究进展

曾东方，袁俊申，孟涛，黎平杰，曹志鹏，苏钺

广东工业大学 土木与交通工程学院，广东省 广州市 510000

摘要：我国幅员辽阔，地区紫外辐射差异大。因此为了明确近年来在紫外线照射下对沥青性能和机理变化的研究，本文首先介绍了室内外老化时间的转换公式，其次对沥青的老化机理进行了梳理，并总结了沥青抗紫外老化方法，最后对沥青老化模型进行了简要评价。综述了长时间紫外光照射下对沥青的影响，通过采取有效老化措施和模型预估，对延缓沥青老化有重要意义。

0 引言

我国研究人员发现紫外强度大小与地域之间有明显相关性，从黑龙江到云南将中国分为东、西两部分，西部的紫外辐射强度大于东部^[1]，此外，春夏季紫外强度普遍高于秋冬季^[2]。尽管有研究表明太阳总辐射量有下降趋势，但是对于西部紫外辐射时间长、强度高的特点来说，紫外光仍然是困扰着沥青路面老化的主要因素。

在长时间的紫外照射下，沥青内部的转化主要由轻组分转为重组分，严重破坏了沥青的组分平衡^[3]，同时沥青由柔软变刚硬，经过汽车荷载的作用后路面会发生开裂以及凸起、车辙、抗滑不足等病害，严重影响路面的使用性和舒适性。

因此，为了明确紫外辐射对沥青的影响，开展符合公路长期性能的研究，本文以大量试验为基础，对紫外老化相关研究进行阐述和分析。

1 沥青紫外老化时间转换

为真实模拟自然环境下的紫外老化，研究人员进行了关于老化时间的转化研究。一类主要是根据下列公式得出室内外老化时间的关系。

室内模拟时间=自然紫外辐射总量/室内紫外强度

另一类是通过紫外老化加速率的计算，具体转换公式如下，加速率 即为室内外老化时间的倍数关系，并且已有相关研究表明其有良好的相关性。

其中， — 规定时间内室内模拟紫外光总辐射量；

— 相同时间内太阳紫外光总辐射量。

对第一类而言，通过大量统计得出的自然辐射总量可靠性较强，但是测量室内强度时误差较大，当仪器检测时，其测距、辐射时间、灯管类型等都对结果有影响，因此需要逐项检查排除干扰。通过第二类可知，主要与当地的太阳总辐射量和模拟辐射强度有关，计算结果相对准确，但不同地区的强度不同，选取存在不确定性，因此需要进一步的验证。

2 沥青紫外老化机理

沥青与紫外线发生反应时，紫外线光能与沥青分子化学键能相似甚至更高，在吸收光能量之后导致了链断裂，引起沥青性质和成分的变化，从而导致沥青的老化。对于沥青的组分变化情况，有研究得出氧化后的饱和分无明显损失，而其他变化显著，但是沥青四组分的变化直接影响沥青的物理性能，同时内部组分的差异会导致老化程度的不同。

在分析沥青与氧反应时至少有三个过程，其中硫氧化物的形成符合一级动力学，而羰基虽然不符合但都会导致产物的产率降低，此外光氧化的速率取决于沥青的性质，光照射在路表面时会产生自由基反应产生氧化层，在老化过程中羰基和硫的重量比增加可能与吸光度有关。

3 沥青抗紫外老化方法

现阶段沥青抗紫外老化主要将改性剂或其他物质加入到沥青中，改变沥青结构，延缓沥青的老化，因此这对提高道路沥青的使用寿命有极大的意义。光稳定剂作为使用广泛的改性剂，其抗老化效果良好，因此得以大幅发展。常用的光稳定剂按作用机理主要分为捕获剂、紫外线吸收剂等。

3.1 自由基捕获剂

韦慧等在使用具有捕获断裂链自由基的受阻胺类时发现其既提高抗车辙能力也降低了抗疲劳性能，而SBS改性沥青的抗疲劳性能和低温性能都有所提高。此外加入了Tinuvin770的沥青对沥青的老化有所改善。

3.2 紫外线吸收剂

紫外线吸收剂可以有效吸收紫外线，适宜用作沥青抗紫外老化剂。李祉颉的结果表明UV928对针入度的影响比软化点大，随着UV928掺量的增加，沥青的抗光老化性能随之提高。Feng等的试验减缓了老化过程中发生的断链、缩聚、氧化反应，而吸收剂种类的不同对沥青的抗老化性能影响不同。

3.3 其他抗紫外老化

在研究生物炭和粘土对沥青流变性能的影响时表明纳米颗粒能增加沥青粘度，由于材料的纳米尺寸得以在沥青中分散均匀，提高改性沥青性能，小粒径降低了结合料的蠕变刚度，提高抗老化相关指标。

市面上使用工程材料与沥青相容性较差，对性能的改善有所起伏。因此在改性时需要对材料的性质作进一步研究，同时分析改性剂表面结构处理，研发新型改性剂等方法提高沥青的抗老化性能。

4 沥青老化模型

从老化指数作为沥青硬化的表达式开始，人们希望通过模型来评估和预测沥青老化。在沥青性能变化趋势上，有以经验模型得出试验时间和使用寿命之间的等效曲线。与经验模型对比，通过微分方程能够模拟老化时的性能变化和量化老化速率。而微分方程在此基础上还能量化老化程度。从上述得知相比之下以数学模型为主在理论上占优，且模型曲线与试验数据相符更有说服力。

总的来说，沥青的老化始终是一个复杂的过程，并且对道路的性能和使用存在负面影响。在反映沥青老化的模型上，线性方程只能反映沥青老化程度而未反映老化速率，非线性方程虽然能够解决这种问题，但是在试验过程通常只考虑单一因素，没有考虑自然环境下的多耦合作用，因此需要考虑多因素对沥青性能的影响，建立一个相对完善的老化模型。

结语

在研究老化的过程中，研究人员使用了从宏观到微观等多种手段表征沥青及混合料的老化，并取得了良好的效果。但是由于环境和交通重载的原因使得老化问题被放大，降低了沥青路用性能，缩短了沥青路面的使用寿命。因此在未来的研究中仍然以沥青抗老化为主，同时还需对沥青的老化机理深入分析，为明确沥青老化行为指明方向。

参考文献

[1] 祝青林,于贵瑞,蔡福,等.中国紫外辐射的空间分布特征[J].资源科学,2005,27(1):108-113.

[2] 常平,董霞,刘敏.鲁西北太阳紫外线辐射特征分析[J].环境科学与技术,2008,31(3):66-68.

[3] 王佳妮, 薛忠军, 谭忆秋.紫外老化对沥青力学行为及聚集态的影响[J].中国公路学报, 2011(01):18-23.

基金项目：大学生创新创业训练计划项目（xj201911845257, xj201911845277）