瀝青結(jié)合料的老化是影響瀝青路面使用壽命的重要因素, 但是目前關(guān)于道路瀝青的老化研究主要集中在熱老化方面 , 而對(duì)紫外線引起的光老化研究較少。中國(guó)青海、西藏、新疆等西北部地區(qū)海拔高、空氣稀薄、紫外線輻射強(qiáng)烈; 同時(shí)這些地區(qū)地域遼闊、地質(zhì)地貌復(fù)雜。這不僅使得公路建設(shè)呈現(xiàn)復(fù)雜化和多樣化的特點(diǎn) , 而且強(qiáng)烈的紫外線輻射容易造成瀝青路面迅速老化; 再加上西部地區(qū)高寒、干旱、風(fēng)沙、鹽堿等自然環(huán)境的綜合作用, 容易使路面產(chǎn)生裂縫、坑槽、剝落等病害, 嚴(yán)重影響了瀝青路面的使用壽命。
筆者旨在通過試驗(yàn)研究, 選擇一種比較合適的外摻劑來改善瀝青的抗光老化性能, 從而提高瀝青路面的使用壽命, 找出瀝青紫外線光老化問題的防治方法。
一、抗紫外線光老化添加劑的選擇
為了降低紫外線對(duì)瀝青等聚合物高分子材料的老化作用, 可以加入光穩(wěn)定劑。常用的光穩(wěn)定劑有:光屏蔽劑、紫外線吸收劑和能量轉(zhuǎn)移劑( 淬滅劑) 。
1、光屏蔽劑
高分子材料使用著色劑后, 其顏色可以反射紫外線, 使之不能進(jìn)入材料內(nèi)部, 有如一屏蔽層, 可避免光老化。炭黑、氧化鋅、鎘紅、鎘黃、酞白粉及有機(jī)顏料酞菁藍(lán)、酞菁綠均有此作用 , 其中以炭黑的效果最好。橡膠中加入炭黑可起補(bǔ)強(qiáng)作用, 也可起抗老化作用, 因此不必另加抗老化的助劑, 塑料中加入炭黑也同樣如此。早在1962年, 澳大利亞的A-ll iotti和Mart in的研究結(jié)果就證明, 在瀝青中摻加10% ~ 15% 的炭黑, 可以顯著改善瀝青的抗磨耗性和溫度敏感性。文獻(xiàn)中認(rèn)為瀝青用炭黑微填料加勁后, 既有助于減輕低溫開裂, 又有助于提高高溫抗車轍的能力。
2、紫外線吸收劑
這類化學(xué)產(chǎn)品是目前主要的光穩(wěn)定劑, 又可分為3 類: 一類是光穩(wěn)定劑, 用于吸收照射的紫外線,并發(fā)出比它吸收的波長(zhǎng)更長(zhǎng)的次級(jí)輻射; 另一類是紫外線吸收劑, 其被激發(fā)成三線態(tài), 后者可進(jìn)行光重排反應(yīng), 或產(chǎn)生另一個(gè)對(duì)進(jìn)一步光反應(yīng)呈惰性的三線態(tài); 還有一類是系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)化, 使吸收的光能通過無自旋多重性變化的無輻射過程轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能。試驗(yàn)中選用AW( 6-乙氧基-2, 24-三甲基-1, 2-二氫喹啉) 和BLE( 9, 9-二甲基吖啶) 作為防老化劑,這兩種防老化劑是優(yōu)良的橡膠防老化劑, 能夠提高橡膠的抗熱、抗氧、抗彎曲、抗龜裂性能; 然而瀝青材料與橡膠材料有所不同, 因此必須在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行瀝青相溶性和防老化劑摻量的試驗(yàn)。
3、丁苯橡膠
丁苯橡膠( SBR) 是丁二烯-苯乙烯的聚合物, 根據(jù)苯乙烯含量的多少, 又分為許多品種。通常采用苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的SBR作為瀝青改性劑。瀝青摻加SBR后, 針入度減小, 軟化點(diǎn)提高, 這種性質(zhì)的變化隨著SBR摻量的增加而增大。軟化點(diǎn)的提高有助于改善瀝青的高溫穩(wěn)定性; 針入度減小, 則使針入度指數(shù)增大, 瀝青的溫度敏感性降低, 低溫性
能有明顯的提高, 尤其是在低溫下的延度提高得更為明顯, 通常SBR 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% ~ 4% 時(shí), 5bC延度就超過100cm ; 同時(shí)瀝青中加入SBR 會(huì)極大地提高瀝青的抗老化能力, 為SBR有防止瀝青老化的作用, 故SBR可稱為瀝青的防老化劑。
二、瀝青強(qiáng)紫外線光老化試驗(yàn)
1、影響紫外線光老化速度的主要因素
影響光老化速度的主要因素有兩個(gè): ①輻射強(qiáng)度。輻射強(qiáng)度越強(qiáng), 光老化速度越快。②溫度。研究表明, 太陽輻射條件下, 黑體表面的溫度一般不超過80 bC, 在20 bC~ 80 bC 溫度范圍內(nèi), 溫度對(duì)瀝青的光老化沒有明顯的影響, 這是因?yàn)樵谳^低的溫度下, 光量子的能量遠(yuǎn)比熱能大得多。以上兩個(gè)因素為瀝青紫外線光老化與常規(guī)熱老化試驗(yàn)基本條件的區(qū)別。
2、強(qiáng)紫外線光老化時(shí)間的確定
在自然條件下的瀝青老化周期太長(zhǎng)( 可能長(zhǎng)達(dá)18~ 30個(gè)月) , 這對(duì)研究瀝青材料在強(qiáng)紫外線下的老化規(guī)律是非常不利的。為了盡快得出結(jié)果, 需要加速老化, 這就必須使用人工強(qiáng)紫外線光源環(huán)境箱( Artificial Intensive Ult ravio let Radiat ion Env ironmentBo x, AIU REB) 進(jìn)行試驗(yàn)。AIUREB 是指在人為制造的環(huán)境內(nèi)模擬自然條件下的紫外線輻射及路面溫度, 并使強(qiáng)紫外線的輻射強(qiáng)度達(dá)到室外條件的10 倍以上, 以期在較短的時(shí)間內(nèi)獲得試驗(yàn)結(jié)果。紫外線照射時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性, 本試驗(yàn)中采用將室外紫外線輻射總有效時(shí)間轉(zhuǎn)化成室內(nèi)紫外線輻射總有效時(shí)間的換算方法。室外參考標(biāo)準(zhǔn)是取青海省果洛州大武鎮(zhèn)的自然氣候條件, 該地區(qū)海拔高度為3 730 m, 年日照時(shí)間為2 577. 9 h, 總太陽輻射量為700kJ# (cm2 # a)- 1 ,年平均氣溫為0.1bC。經(jīng)過換算, 該地區(qū)總紫外線輻射量為35kJ# ( cm2 #a)- 1。由于一個(gè)紫外線燈的紫外線輻射絕對(duì)強(qiáng)度為3.00 W, 通過計(jì)算得出單位試件表面的紫外線輻射強(qiáng)度, 并由此將室外紫外線輻射總有效時(shí)間換算成室內(nèi)紫外線輻射總有效時(shí)
3、強(qiáng)紫外線光老化試驗(yàn)步驟
強(qiáng)紫外線光老化試驗(yàn)的具體步驟為:
( 1) 試樣首先經(jīng)過薄膜烘箱老化( TFOT) 。
( 2) 將經(jīng)過薄膜烘箱老化后的試樣放置在AIUREB 內(nèi)接受強(qiáng)紫外線輻射。
( 3) 控制AIUREB 內(nèi)的溫度, 冬季控制在20 bC以下, 夏季控制在40 bC 以下, 以避免瀝青試樣的熱老化。
( 4) 控制AIU REB 內(nèi)照射的時(shí)間, 每天照射16 h, 間隔8 h。
( 5) 分別將相當(dāng)于室外紫外線輻射總有效時(shí)間3、6、9、12、15 個(gè)月的試件取出, 做測(cè)試分析。http://ggswu.com
