道路沥青紫外老化研究综述

道路沥青紫外老化研究综述

1杨克红2吕文姝3张艳莉

中石油克拉玛依石化有限责任公司 

摘要：沥青路面因其具有行车舒适、易于维修等特点而被广泛应用于各级公路。然而，在光、热、氧等环境因素和荷载的综合影响下，服役期的沥青会发生不可逆的老化，性能逐渐劣化，最终导致沥青混合料路用性能降低。紫外光是存在于太阳光中的一种波长短、能量高的辐射，其光能与沥青中主要分子键能接近，可以破坏沥青中的分子结构，造成沥青组分和胶体结构的改变，加快沥青的老化，因此，紫外光辐射是造成沥青光氧老化的重要影响因素，道路沥青材料受紫外老化后性能会发生改变，沥青路面的服役年限会受到影响。为推进道路沥青材料紫外老化的研究，本文总结了沥青紫外老化机理以及紫外老化对沥青性能的影响，并在此基础上归纳了常用的沥青抗紫外老化材料。

关键词：道路沥青；紫外老化；综述；

引言

由于沥青路面具有抗滑耐磨，孔隙小、便于施工等特点，沥青成为我国重要的道路建筑材料。然而，随着时间的推移，在氧气、水、热、光的作用下，沥青性能逐渐劣化，发生老化现象，降低沥青路面运行年限。根据老化机制不同，沥青老化可划分为两种：热氧老化和紫外老化。其中，紫外线波长为290-400nm，其能量高于沥青中与苯环等稳定基团相连的C-C键和C-H键键能，所以紫外线对沥青结构将会产生破坏作用并形成自由基，使得沥青分子发生缩合及脱氢等化学反应。影响沥青光老化的因素有许多，包括：紫外光辐照强度、辐照时间、沥青膜厚等，其中紫外光辐照强度是影响光老化速率最为重要的因素，沥青光老化的速率随着紫外光辐照强度的增加和辐照时间的增长而加快。沥青紫外老化现象在高海拔、强紫外光辐射地区更为显著，研究沥青紫外老化问题具有重要的现实意义。目前国内外对于热氧老化现象做了大量的研究，并且规定了统一的模拟测试技术以评价热氧老化后的沥青性能，比如采用旋转薄膜加热老化(RTFOT)以模拟短期老化，用压力老化(PAV)以模拟长期老化[1]。然而，对于紫外老化现象的研究较为缓慢，尚未形成一种深刻的认识。因此，为推进沥青紫外老化现象的研究，延长沥青路面在紫外光辐照下的使用年限。

1.沥青紫外老化机理

1.1自由基理论

早在18世纪，Toch等人对放在不同颜色的玻璃板下的相同沥青进行太阳光照射，结果显示紫色玻璃板下的沥青破坏现象最为明显，因此提出紫外光对沥青在氧化作用下的降解起着促进作用[2]。自由基理论对这一作用作出了解释。根据自由基理论，沥青在紫外辐照的作用下生成大分子自由基。大分子自由基容易发生氧化反应，生成氢过氧化物和羰基官能团。两种官能团能吸收紫外光线，促进沥青进一步老化降解。

1.2胶体理论

沥青的四组分(沥青质、胶质、饱和分、芳香分)含量对其性能有较大影响。在沥青的紫外光老化过程中，各组分之间可进行相互转化。沥青胶体结构模型以及各组分之间相互转化过程，四组分的含量变化对沥青性能产生很大的影响。沥青的老化机理较为复杂，各国学者对沥青老化的机理做了大量的研究，表明沥青老化并非哪一种单一反应，而是包括氧化、挥发、聚合、团聚等在内的多种反应的综合结果，可以简单表示为：芳香分→胶质→沥青质，即小分子量向大分子量转变，沥青结合料密度由小到大转变；芳香分和胶质对沥青抗紫外光老化性能有很大影响。沥青质作为四组分转化的最终产物，其含量可以作为评价沥青老化程度的标准。

2.紫外老化对沥青性能的影响

沥青经历紫外老化后，总体上质地变硬变脆，沥青性能会发生变化，具体表现在宏观指标和微观指标两个方面。宏观上，主要表现为物理性能指标以及流变性能指标的变化；微观上主要表现为沥青组分、微观形貌以及老化官能团的变化。

2.1 紫外老化对沥青宏观指标的影响

利用宏观试验(动态剪切流变试验、弯曲流变梁试验、直接拉伸试验等)分析沥青紫外老化前后性能变化。通过微观与宏观相结合的方法，定性与定量地分析沥青老化前后其微观与宏观变化之间的关系，评价沥青紫外光老化程度，探究沥青紫外光老化过程，对沥青紫外光老化进行综合、全面的分析与评价。沥青物理性能指标包括延度、针入度、软化点和黏度等。葛豪[4]对紫外老化后的四种不同沥青进行了物理性能测试，发现沥青的延度和针入度下降，软化点和黏度上升。沥青流变性能指标包括复数剪切模量、相位角、车辙因子、蠕变速率等，齐秀庭等[5]利用温度扫描实验和BBR试验研究了紫外老化对温拌橡胶沥青流变性能的影响，发现老化后沥青的车辙因子和蠕变劲度均变大，沥青的高温性能得以改善，低温性能变差。

2.2紫外老化对沥青微观指标的影响

沥青四组分包括沥青质、胶质、饱和分和芳香分，为研究四组分含量在老化后的变化情况，张娟等[6]选取SK-90基质沥青和SBS改性沥青进行了不同时间的紫外老化，结果显示，基质沥青和改性沥青的轻组分（饱和分、芳香分）和重组分（沥青质、胶质）在紫外老化后分别呈现下降和上升趋势，并且轻组分向重组分转变。紫外老化还对沥青的微观形貌产生影响，张恒龙等

[7]选取70#基质沥青和SBS改性沥青来研究长期老化和紫外老化后沥青微观形貌的差异，结果表明，基质沥青和改性沥青的蜂状结构的体积在老化后均变大，并且在蜂相区域，长期老化比紫外老化对粗糙度影响更大。特定官能团的变化可以表征沥青的老化程度，时敬涛等[8]利用傅里叶红外光谱技术研究了SBS改性沥青在紫外老化过程中的官能团变化，发现随着紫外老化时间的增加，羟基吸收峰面积增大，亚砜官能团吸收峰面积先增大后减小，羟基和亚砜官能团吸收峰面积的变化是评价沥青老化的重要指标。

3.沥青抗紫外老化材料

3.1炭黑

炭黑是有机物未充分燃烧而形成的一种黑色粉末状颗粒物，其特殊的分子构造和表面形态赋予其屏蔽紫外光的性能]。作为一种有效的光屏蔽剂，炭黑是最早应用于改善沥青抗紫外光老化性能的改性剂。

3.2紫外吸收剂

紫外线吸收剂的主要作用是吸收辐射在沥青上的太阳光并将其转换为热能发散出去，对沥青起到保护作用。不同紫外光吸收剂在最佳掺量下能够减少沥青的催化程度，并能有效改善沥青抗紫外光老化性能。常见的紫外线吸收剂主要有水杨酸酯类、二苯甲酮类、苯并三唑类等有机化合物。

3.3层状双羟基复合金属氢氧化物

层状双羟基复合金属氢氧化物是一种新型的层状结构材料，对紫外光具有良好的屏蔽与隔断效果。由于其特殊的层状结构，层状双羟基复合金属氢氧化物还可以与其他抗紫外老化材料人工插层，组合制备更优异的抗紫外老化材料。

3.4纳米氧化物

纳米氧化物是指尺度为纳米量级的氧化物，将纳米氧化物作为沥青改性剂的相关研究虽然起步较晚，但是国内外专家在这一领域已经做了大量的研究。现阶段，常用于沥青改性的纳米氧化物主要有纳米ZnO、纳米Si02、纳米CaC03、纳米Ti02、纳米Ce02等[16-17]。纳米氧化物不仅具有高比表面积、高活性、小尺寸效应等，而且其本身结构稳定，受热时不易被破坏，具有吸收紫外线的功能，因此可以有效提高沥青的抗紫外光老化性能和改善沥青的高温性能。

4.结语

沥青紫外老化是一个复杂的过程，对沥青紫外老化的研究有助于控制沥青紫外老化程度，延长沥青路面的使用寿命。目前已有大量关于沥青紫外老化机理、紫外老化对沥青性能的影响以及抗紫外老化的材料的研究，但仍存在紫外老化机理研究不够深入，抗紫外老化措施相对单一等问题。因此，在后续紫外老化的研究中，可在紫外老化理论及抗紫外老化措施方面作进一步开展。

[参考文献]:

[1]屈鑫、丁鹤洋、汪海年：《道路沥青老化评价方法研究进展》，《中国公路学报》2022年第06期，第205-220页。

[2]金娇,刘墨晗,刘帅,陈柏臻,刘欣宇.基于生态路面减排理念下的CeO2柱撑蒙脱土改性沥青及其催化性能研究[J].材料导报,2022,7(16):30-36

[3]金娇,高玉超,李锐,曾清,刘雅儒.有机蒙脱土改性沥青抗老化性及其分子模拟试验[J].中国公路学报,2022,12(12):24-35

[4]林云腾.适用于高温地区的非聚合物改性沥青性能研究[J].水利与建筑工程学报,2018,7(02):19-25

[5]刘忠安、金鸣林：《道路沥青老化过程中组成与分子量分布的变化》，《公路》2001年第05期，第74-77页。

[6]张娟、李艳、郭平等：《紫外老化对SBS改性沥青性能影响研究》，《筑路机械与施工机械化》2016年第12期，第63-67页。

[7]金娇,刘墨晗,刘帅,陈柏臻,刘欣宇.基于生态路面减排理念下的CeO2柱撑蒙脱土改性沥青及其催化性能研究[J].材料导报,2022,7(16):30-36