抗紫外老化改性沥青路用性能及抗老化性能研究

抗紫外老化改性沥青路用性能及抗老化性能研究

朱勇强 1，李连生 1，彭钦源 2，袁俊申 2，孙晓龙 2

（ 1. 广东冠粤路桥有限公司，广东 广州， 511450； 2.广东工业大学，广东 广州， 510006）

摘要:为实现沥青路面材料抗紫外性能的有效提升，本文优选多种具有抗紫外老化改性潜能的材料，制备抗紫外老化改性沥青胶结料，采用软化点、针入度及延度等三大指标全面评价抗紫外老化改性沥青的基本性能，借助布氏粘度系统研究抗紫外老化剂对沥青表观粘度的影响规律，在此基础上，采用多应力重复蠕变恢复试验（MSCR）深入分析了抗紫外老化改性沥青的抗老化性能随紫外老化时间的变化规律，从而明确抗紫外老化改性剂对于沥青胶结料的改性效应。

关键词: 道路，沥青，抗老化，性能，评价

1.试验原材料及试验方法

1.1试验原材料

（1）基质沥青

采用AH-70基质沥青作为延衰改性剂的应用载体，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）^[116]对沥青进行性能测试，其基本物理性能如表1所示。

表1 基质沥青性能指标

（2）抗老化剂

ASA树脂是由丙烯腈、苯乙烯和丙烯酸橡胶组成的三元共聚物，最早由美国通用电气公司生产，其性能与ABS相似，但是由于没有引入不含双键的丙烯酸酯橡胶，其耐候性有所改善，常用于汽车、电子、日用品等产品^[1]。 ASA树脂及分子结构式如图1所示。

图1 丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈及其分子结构式

1.2试验方法

（1）针入度试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的T0604-2011进行针入度试验。试验在测试温度25℃，贯入时间5s的条件下测试改性沥青的针入度，在此试验条件下评价延衰改性剂对沥青针入度的影响。

（2）延度试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的T0605-2011进行延度试验。延度试验测试温度分别为10℃和15℃，拉伸速度为5cm/min，在此试验条件下对延衰改性沥青的低温抗裂性能进行评价。

（3）软化点试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的T0606-2011进行软化点试验。软化点试验起始温度为5℃，升温速率为5℃/min，在此试验条件下对延衰改性沥青的温度稳定性进行评价。

（4）布氏粘度

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的T0625-2011进行布氏粘度试验。测试温度分别为90℃、135℃、175℃，在此试验条件下评价不同延衰改性沥青抵抗剪切变形的能力。

（5）抗老化性能

本节依据MSCR试验进行沥青高温流变。采用25mm平板，间距1mm，试验温度：64℃，在0.1kPa应力水平下运行20个循环，其中前10个循环用来调节样品，然后在3.2kPa应力水平下进行10个循环，总共30个蠕变恢复的循环周期。每个循环周期为1s的蠕变期和9s的卸载恢复期，试验总时间300s。评价指标为恢复率（R）和不可恢复蠕变柔量（J_nr）^[2]。计算公式如下：

式中：-每个加载周期内的峰值应变；-每个加载周期内的残留应变；-每个加载周期内的初始应变；-对应的剪切应力。

2.结果与讨论

2.1三大指标及布氏粘度

如图2所示为ASA改性沥青基本性能试验及粘度试验的测试结果。随掺量从0%-4%，ASA 改性沥青的针入度逐渐降低，当掺量从4%增至6%时，针入度略微提高左右，与光稳定剂改性沥青的结果相比，ASA 改性剂对沥青粘度的影响较小。随着掺量增大，沥青的延度逐渐降低，低温延展性逐渐降低。在掺量4%前后，沥青软化点表现出了不同的变化趋势，0%~4%的沥青软化点逐渐升高，而4%-6%的沥青软化点降低，这表明4%掺量的ASA改性沥青高温稳定性更优。在0%~4%内，沥青粘度增长缓慢，而后开始显著提高。综上分析，ASA 改性剂掺量在2%~4%内对沥青低温延展性的提高幅度最明显，因此ASA掺量在2%~4%内较为合适。

图2 ASA改性沥青基本性能测试结果

2.2抗老化性能

根据公式（1）和（2）计算得到的蠕变柔量和恢复率，如图3及图4所示，从R_0.1老化时间的曲线变化来看，在前228h基质沥青逐步增大，并且在152.5h~228h之间变化明显，增加了4.46%，弹性恢复性能提高，随后R值迅速降低至152.5h时附近，由于没有经过改性处理的基质沥青在长时间的紫外老化后成分变化较大，在该时间段内出现了这种突变情况。通过比较两种应力水平可得，3.2kPa水平下的基质沥青恢复率始终处于较低水平，其不可恢复变形容易产生^[3-4]。ASA改性沥青的R值在0.1kPa下的R值随老化时间的延长逐渐提升，当老化时间达到228h逐渐趋于稳定，而3.2kPa应力的R值仍处于低水平状态，增长缓慢。而ASA改性沥青的J_nr随紫外辐照时间增加出现先上升后下降的变化趋势，老化时间越长J_nr降低，对性能的影响表现为高温性能的改善。

图3 不同紫外老化时间的基质沥青在两种应力水平下的MSCR曲线：（a）0.1kPa；（b）3.2kPa

图4 70#沥青的MSCR指标表3-20 MSCR指标R和J_nr

图5 不同紫外老化时间的ASA改性沥青在两种应力水平下的MSCR曲线：（a）0.1kPa；（b）3.2kPa

图6 ASA改性沥青的MSCR指标R和J_nr

3.结论

（1）ASA改性剂对沥青性能具有良好的改善效果，ASA在2%~4%掺量范围内对沥青低温延展性的改善效果明显，继续增大掺量会影响其对于沥青低温抗裂性的改善效果，因而应该合理控制聚合物类延衰改性剂的掺量范围。对于ASA改性剂，其最优掺量范围初步确定为2%~4%。

（2）ASA改性沥青的R值在0.1kPa下的R值随老化时间的延长逐渐提升，当老化时间达到228h逐渐趋于稳定，而3.2kPa应力的R值仍处于低水平状态，增长缓慢。

（3）J_nr随紫外辐照时间增加出现先上升后下降的变化趋势，老化时间越长J_nr降低，对性能的影响表现为高温性能的改善。

资助项目

广东省企业科技特派员项目（GDKTP2021009700），广东大学生科技创新培育专项资金“攀登计划”（pdjh2021a0149）

参考文献

[1] 刘迎宾, 闰明涛, 钟宇,等.聚对苯二甲酸丙二醇酯/丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物共混物的制备与性能[J].中国塑料, 2014, 28(5):42-47.

[2] 王超. 沥青结合料路用性能的流变学研究[D]. 北京工业大学.2015.

[3] 雷俊安,郑南翔,许新权, 等.温拌沥青高温流变性能研究[J].建筑材料学报,2020,23(4):904-911.

[4] Yu H, Bai X, Qian G, et al. Impact of ultraviolet radiation on the aging properties of SBS-modified asphalt binders[J]. Polymers, 2019, 11(7): 1111.