高寒地区长期光老化对沥青混合料低温性能影响研究

李根 朱保欣

南召县公路管理局 河南 南阳 474650；

摘要：本文通过对青海省常用的不同沥青品种沥青混合料进行长期光老化模拟试验，同时进行以上条件之后混合料的疲劳和低温性能试验，以综合评价其耐久性。

关键词：长期光老化；沥青混合料；低温性能

在大气环境下，导致沥青结合料老化的主要因素有阳光、空气、雨淋、潮湿、温度等，而阳光是主要因素之一。太阳光谱是一种连续光谱，通过大气层被部分吸收后到达地球表面的太阳光谱的构成组分，主要有红外光、可见光、紫外光三部分。紫外辐射约占到地面太阳总辐射量的8％左右，对路面影响较大。沥青结合料的老化是光氧作用的结果，而阳光中的紫外线又起了主要作用，它使沥青结合料分子降解，导致沥青结合料的物理化学以及力学性能降低，影响了沥青路面的使用性能。

1.长期光老化试验

如何评价材料的老化是人们一直以来都相当关注的问题。目前，主要有2 类方法：自然大气暴露和人工加速老化。自然大气暴露是评价高聚物老化特性最真实的方法，但自然大气暴露有老化周期长、环境因素无法控制、试验结果重复性差等缺点，人工加速老化试验得到了越来越广泛的应用。目前，应用最广泛的加速老化检测设备有氙弧灯试验箱和紫外加速老化箱。这两种检测设备的测试原理完全不同。氙灯试验箱模拟太阳光的所有光谱，包括紫外线、可见光和红外线，氙灯光谱在295 nm到800 nm范围内基本上与太阳光的光谱相吻合。紫外加速老化箱不能模拟全光谱太阳光。它的原理是，对于曝露在室外的经久耐用的材料，紫外线的短波段300~400 nm是引起老化损害的最主要原因。

2.光老化参数的确定

选择紫外老化试验箱进行长期光老化试验。紫外老化常用的光源有：紫外灯管、高压汞灯。紫外灯管通常指波段中最强点波长为 260nm，对杀菌最为有效，医疗上杀菌消毒使用较多，功率一般较小，多为 30W-100W。高压汞灯的紫外线能量特别大，约占其总辐射能量的一半，并富于短波紫外线。因而对高聚物的老化破坏比较显著，加速倍率很高，是较为理想的紫外老化模拟光源。

试验选择高压汞灯做光源，按照紫外老化箱的参数，在500W/m²光照强度下进行老化试验。青海省地处中纬度地带，太阳辐射强度大，光照时间长，年总辐射量可达5800～7400MJ/m²，其中直接辐射量占总辐射量的60%以上，仅次于西藏，位居全国第二，所以太阳辐射强度选择6500MJ·m^-2·a^-1。波长100~400mm的太阳紫外线辐射约占太阳辐射总量的5%左右，根据前人的研究成果，紫外波段辐射量占太阳辐射总量在高原和平原地区大致相同，一般为5.3%。确定本次试验紫外光所占太阳总辐射的比例为0.053。

紫外线照射时间的长短直接影响到试验结果的准确性，将室外紫外线辐射总有效时间换算为室内紫外线辐射总有效时间。室外紫外线辐射总有效时间与室内紫外线辐射总有效时间换算，自然老化一年，室内需要8.8天。室内模拟光老化时温度不宜过高，高温容易产生让老化导致试验结果不准确，另考虑青海省高寒地区高温相对较低的情况，最终选择光老化试验条件为：60℃，光照8.8天（即模拟室外光照12个月的老化情况，依次类推），同时由于青海省紫外辐射强度较大，本文选择模拟室外36个月的加速光老化研究成果进行分析。

混合料低温性能采用低温小梁试验进行检验，即采用轮碾成型试件后切割成长250mm2mm、宽30mm2mm、高35mm2mm小梁，在温度-10℃，速率50mm/min的条件下进行弯曲试验，试验试件均为同级配下的AC-13沥青混合料小梁试件，沥青标号为110号沥青，试验结果如表1~4所示。

表1 光老化后小梁低温弯曲试验结果（6个月）

跨中绕度 （mm）	最大荷载 （kN）	宽度 （mm）	高度 （mm）	抗弯拉强度 （MPa）	破坏应变 （με）	劲度摸量 （MPa）
0.451	1.104	30.1	35.1	8.93	2374.5	3761.3
0.442	1.027	30.0	35	8.38	2320.5	3612.9
0.448	1.031	30.1	35.1	8.34	2358.7	3536.1
0.435	0.964	29.9	35	7.90	2283.8	3457.3

表2 光老化后小梁低温弯曲试验结果（12个月）

跨中绕度 （mm）	最大荷载 （kN）	宽度 （mm）	高度 （mm）	抗弯拉强度 （MPa）	破坏应变 （με）	劲度摸量 （MPa）
0.49	0.945	30.2	35.2	7.58	2587.2	2928.4
0.46	1.177	30.0	35	9.61	2415.0	3978.5
0.37	1.02	30.2	35.1	8.22	1948.1	4221.8
0.35	0.986	29.9	35	8.08	1837.5	4395.0

表3  光老化后小梁低温弯曲试验结果（24个月）

跨中绕度 （mm）	最大荷载 （kN）	宽度 （mm）	高度 （mm）	抗弯拉强度 （MPa）	破坏应变 （με）	劲度摸量 （MPa）
0.34	1.125	30.2	35.2	9.02	1795.2	5024.2
0.42	1.045	30.0	35	8.53	2205.0	3868.8
0.31	1.024	30.2	35.1	8.26	1632.2	5058.7
0.42	1.116	29.9	35	9.14	2205.0	4145.4

表4 光老化后小梁低温弯曲试验结果（36个月）

跨中绕度 （mm）	最大荷载 （kN）	宽度 （mm）	高度 （mm）	抗弯拉强度 （MPa）	破坏应变 （με）	劲度摸量 （MPa）
0.32	1.311	30.2	35.2	10.51	1689.6	6220.8
0.23	1.031	30.0	35	8.42	1207.5	6970.0
0.29	0.961	30.2	35.1	7.75	1526.9	5074.9
0.32	1.026	29.9	35	8.40	1680.0	5002.1

根据规范要求，当一组测定值中某个数据与平均值之差大于标准差的k倍时，该测定值应予舍弃，并以其余测试值的平均值作为试验结果，当n为4时，k值为1.46。以破坏应变值为判定指标，经判定，以上数据均在合理范围之内，但数据的变异系数较大，为了更好的分析结果，对以上数据以20%的变异系数进行基准判定踢除，并进行相应的平均值汇总（变异系数=标准偏差/平均值*100%，详细运算过程进行后台处理），结果如表5和表6所示。

表5 光老化后小梁低温弯曲试验结果汇总

试件编号	抗弯拉强度 （MPa）	破坏应变 （με）	劲度模量 （MPa）
未光老化	8.02	2621.1	3060.2
光老化半年	8.39	2334.4	3591.9
光老化一年	8.37	2196.9	3881.0
光老化两年	8.74	1959.3	4524.3
光老化三年	8.89	1632.2	5432.6

表6 光老化随时间延长小梁试件低温性能衰减趋势

试件编号	光老化半年	光老化一年	光老化两年	光老化三年
应变衰减率,%	10.94	16.18	25.25	37.73
劲度模量增加率,%	17.37	26.82	47.84	77.52

实验结果表明，随着光老化时间的延长，小梁试件的力学性能出现明显的下降趋势，光老化等效一年期的小梁应变值衰减幅度达到16.18%，两年期的小梁应变值衰减幅度达到25.25%，三年期值衰减幅度达到37.73%，而劲度模量随着老化时间的延长逐步上升，第一年为26.82%，第二年增大到47.84%，第三年陡增至77.52%。

3.结论

高寒地区紫外线辐射对沥青混合料的使用性能产生很大影响。随着光老化时间的延长，沥青混合料的低温抗裂性能明显下降：光老化等效一年期的沥青混合料低温抗裂性能降幅达16.18%，两年期为25.25%，三年期高达37.73%。