青藏高原地區(qū)瀝青路面抗光老化性能研究

唐靖武 田榮燕 陳紅 吳金岳

摘 要：公路是我國現(xiàn)代化建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)脈?！笆濉睍r(shí)期，瀝青材料廣泛運(yùn)用于公路建設(shè)，但瀝青材料的老化問題不容小覷，尤其是青藏高原地區(qū)的老化問題。因此，文章以西藏拉薩的氣候條件為基礎(chǔ)，通過三大指標(biāo)的變化情況研究青藏高原地區(qū)瀝青路面的光老化速率以及光屏蔽劑納米TiO2改性瀝青路面的抗光老化性能，消除模擬環(huán)境帶來的諸多誤差，旨在為青藏高原地區(qū)公路建設(shè)的瀝青材料中納米TiO2摻量提供重要參考依據(jù)。結(jié)果表明，納米TiO2改性瀝青具有抗紫外線光老化的性能，且在青藏高原地區(qū)瀝青路面中的最佳摻量約為1.4%。

關(guān)鍵詞：納米TiO2摻量；三大指標(biāo)；改性瀝青；抗光老化；青藏高原；拉薩

中圖分類號：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0050-04

Abstract： Highway is one of the important infrastructures in China's modernization and an artery for economic development. During the "Twelfth Five-Year Plan" period， asphalt materials are widely used in highway construction， but the aging of asphalt materials cannot be underestimated， especially the aging of the Qinghai-Tibet Plateau area. Therefore， based on the climatic conditions in Lhasa， Tibet， the photoaging rate of asphalt pavement in the Qinghai-Tibet plateau area and the anti-aging properties of the nano-TiO2 modified asphalt pavement are studied through the changes of the three major indicators， eliminate many errors caused by simulation environment. The purpose of this paper is to provide an important reference for the content of nano-TiO2 in the asphalt material for the highway construction in Qinghai-Tibet plateau. The results show that the nano-TiO2 modified asphalt has anti-ultraviolet photoaging performance， and the best content in the asphalt pavement in the Qinghai-Tibet Plateau is about 1.4%.

Keywords： nano-TiO2 content； three major indexes； modified asphalt； anti-photoaging； Qinghai-Tibet Plateau； Lhasa

引言

公路是現(xiàn)代化建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展，公路建設(shè)越來越受到重視，地處西南邊陲的西藏也在大量建設(shè)公路路。“十二五”期間，我區(qū)公路總里程達(dá)到7.8萬公里，“十三五”期間還將大量建設(shè)立體交通網(wǎng)絡(luò)，瀝青材料得到了廣泛的應(yīng)用。由于我區(qū)氣候環(huán)境條件異常惡劣，大大縮短了瀝青路面的使用年限，瀝青的老化已經(jīng)嚴(yán)重限制了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路的發(fā)展模式也就由建設(shè)逐漸轉(zhuǎn)變成了養(yǎng)護(hù)，樹立了“公路養(yǎng)護(hù)與建設(shè)并重”的理念。

西藏拉薩市地處高原，海拔約為3658米，而平原海拔僅為幾十米到幾百米左右。眾所周知，高原上的氣候條件、自然環(huán)境、地理環(huán)境等都極其惡劣，尤其強(qiáng)紫外線是引起瀝青路面老化的罪魁禍?zhǔn)?。因此，本文基于西藏拉薩的氣候條件，主要研究瀝青路面在青藏高原地區(qū)的抗光老化性能，實(shí)現(xiàn)瀝青路面的養(yǎng)護(hù)目標(biāo)，保障我區(qū)人們的出行安全。

國外對瀝青老化的研究已領(lǐng)先國內(nèi)100年左右，技術(shù)相對成熟，但大部分都是研究瀝青光氧老化的機(jī)理，并沒有大量研究光屏蔽劑對瀝青材料光老化的改善作用。國內(nèi)前人們大量研究的都是平原上光屏蔽劑改性瀝青的數(shù)據(jù)，僅有少部分是強(qiáng)紫外線地區(qū)的數(shù)據(jù)，青藏高原地區(qū)的數(shù)據(jù)更是寥寥無幾。基于此，本文將在前人的基礎(chǔ)上研究光屏蔽劑納米二氧化鈦（TiO2）改性瀝青[1]材料在青藏高原公路建設(shè)上的應(yīng)用與發(fā)展，延長瀝青路面的壽命，減少瀝青材料和納米TiO2的浪費(fèi)。

抗光老化性能最佳的納米TiO2改性瀝青能為青藏高原地區(qū)公路建設(shè)的瀝青材料中納米TiO2摻量提供重要參考依據(jù)；適量納米TiO2對普通瀝青和SBR改性瀝青光老化的改善程度能為青藏高原地區(qū)公路建設(shè)選擇瀝青材料提供重要的參考依據(jù)。

1 西藏地區(qū)紫外線輻射概況

瀝青老化主要有光氧老化和熱氧老化兩種形式，而強(qiáng)紫外線輻射是瀝青路面長期老化的主要因素，尤其是在我國的西部地區(qū)，如青藏高原一帶，晝夜溫差大，空氣稀薄，陽光透過大氣層的能量損失較少，紫外線不僅輻射強(qiáng)烈，全年輻射時(shí)間還較長。通常是我國中東部地區(qū)的3-4倍，年輻射量非常大。因此，高原環(huán)境下瀝青的老化主要是光老化，可忽略因溫度而引起的熱氧老化，便于利用高原自然環(huán)境對瀝青進(jìn)行試驗(yàn)探究，消除模擬環(huán)境帶來的諸多誤差，使結(jié)論更具可信度。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方法

將各比例的納米TiO2改性瀝青制作成試模，每種比例的瀝青試模若干，將其置于房頂，利用自然環(huán)境老化3個(gè)月、6個(gè)月、9個(gè)月、12個(gè)月，分別對其三大指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)分析，最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合，找出各比例納米TiO2對瀝青三大指標(biāo)的影響情況，并得出相應(yīng)結(jié)論。

2.2 SBR改性瀝青老化試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）對瀝青三大指標(biāo)（即針入度、延度、軟化點(diǎn)）進(jìn)行試驗(yàn)分析，以下關(guān)于瀝青三大指標(biāo)的試驗(yàn)分析均采用此規(guī)程。首先將SBR改性瀝青初始的三大指標(biāo)分析出來，用作瀝青老化指標(biāo)的參照數(shù)據(jù)；再將該瀝青制成形狀、大小等都相同三個(gè)試塊，將其置于房頂，利用拉薩自然的紫外線進(jìn)行輻射；最后每隔3個(gè)月，即從輻射開始算起的第3、第6、第9、第12個(gè)月分別對該瀝青的三大指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)分析，取三組的平均值作為最終的試驗(yàn)結(jié)果[2]，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，瀝青的老化程度越大，其針入度和延度越小、軟化點(diǎn)越高，最后趨于穩(wěn)定。因此，可用瀝青的三大指標(biāo)大致評判瀝青的老化程度，也可根據(jù)加入納米TiO2后瀝青三大指標(biāo)的變化情況評判其抗光老化性能。

2.3 原料選擇及技術(shù)性質(zhì)[1]

基于青藏高原的氣候條件，選用SBR（II-A）道路聚合物改性瀝青，經(jīng)過試驗(yàn)檢測，其各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均符合規(guī)范的相應(yīng)要求。選用納米TiO2的主要技術(shù)性質(zhì)如表2所示。

2.4 納米TiO2摻量區(qū)間選擇

在張春青等人的研究基礎(chǔ)上可知，納米TiO2摻量在[0，3%] （質(zhì)量比，下同）區(qū)間上時(shí)，對瀝青抗光老化性能的改善效果趨勢大致為先增加，后降低，再增加[3]，考慮到經(jīng)濟(jì)性原則，本文將在先增加后降低的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行更細(xì)化得研究，即在區(qū)間[0，2%]內(nèi)。

2.5 納米TiO2屏蔽原理

納米TiO2具有良好的抗紫外線性能，主要是因?yàn)樗帘巫贤饩€的作用。納米TiO2中Ti元素電子結(jié)構(gòu)存在價(jià)電子和空軌道，電子容易吸收能量而發(fā)生躍遷。當(dāng)受到紫外線輻射時(shí)，大部分能量被吸收[4]，價(jià)帶的電子被激發(fā)傳至導(dǎo)帶，進(jìn)而耗散了大量能量，達(dá)到了吸收紫外線的目的[1]。此外，金紅石型納米TiO2的折射率較高，當(dāng)受到光的輻射時(shí)，能將光散射到各個(gè)方向，損失光的大部分能量，最后僅有一小部分能量才會(huì)被吸收，大大減緩了瀝青質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而抑制了瀝青材料的老化；它的粒徑越小，散射能力越大，對光的屏蔽作用也就越大。因此瀝青材料中添加光屏蔽劑（如納米TiO2等）將會(huì)大大提高瀝青路面抗紫外線光老化的性能[1]。

2.6 制備納米TiO2改性瀝青

將SBR（II-A）改性瀝青放入烤箱，將其加熱至160℃；將融化的瀝青取出并進(jìn)行稱重，倒入攪拌器中；按試驗(yàn)要求稱取各種比例的金紅石型納米TiO2，放入燒杯中；開啟攪拌機(jī)，并用小勺將光屏蔽劑緩緩加入瀝青中，等瀝青中的氣泡基本排出后再加入下一勺，重復(fù)此過程，直至完全加入為止，在攪拌過程中要檢測瀝青的溫度，務(wù)必維持在160℃左右；在該溫度下繼續(xù)攪拌大約20min；攪拌結(jié)束后，應(yīng)該緩慢關(guān)閉機(jī)器，避免瀝青中的氣泡不能完全排除[1]；將瀝青放入烘箱中再加熱半個(gè)小時(shí)，取出瀝青，改性瀝青制作完成。

2.7 制備試模

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）的規(guī)定，制備瀝青三大指標(biāo)試模，進(jìn)行紫外線光老化試驗(yàn)，可減少反復(fù)加熱瀝青導(dǎo)致其熱氧老化對紫外線光老化結(jié)果的影響。制模過程中，應(yīng)盡量少的攪拌，防止過多空氣進(jìn)入試樣影響結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 針入度

譚憶秋等人通過大量的試驗(yàn)證明，瀝青質(zhì)的含量可以用作衡量瀝青老化程度的標(biāo)準(zhǔn)。而針入度試驗(yàn)則是國際上普遍采用測定黏稠瀝青稠度的一種方法，因此可采用針入度試驗(yàn)來分析不同摻量納米TiO2改性瀝青的抗紫外線老化能力，試驗(yàn)結(jié)果如表3和圖1所示[1，7-9]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析整理過程所用的折線圖（下同）只表示不同摻量納米TiO2改性瀝青各指標(biāo)的大致走向，并非實(shí)際斜率的走向圖，各摻量區(qū)間內(nèi)斜率變化與否還需要做大量試驗(yàn)才能得出結(jié)論。

由表3可知，隨著紫外線輻射時(shí)間的增長，普通SBR改性瀝青的針入度大幅度減小，不同摻量納米TiO2改性瀝青的針入度亦隨著紫外線輻射時(shí)間的增長而減小。

由圖1中各折線及其走向?qū)Ρ确治隹芍?，添加納米TiO2的SBR改性瀝青分別經(jīng)過3、6、9、12個(gè)月紫外線輻射后，其針入度均有不同程度的損失，損失程度除個(gè)別外都小于未摻納米TiO2的瀝青[1]。當(dāng)納米TiO2摻量在[1.4%，1.6%]區(qū)間內(nèi)時(shí)，無論經(jīng)紫外線輻射多少個(gè)月，瀝青的針入度損失程度都是最低的，輻射時(shí)間對其效果的影響不大。在區(qū)間[1.4%，1.6%]中，此數(shù)據(jù)分析圖上瀝青的針入度是逐漸減小的，但在此區(qū)間內(nèi)，瀝青針入度有可能先增大再減小，由于儀器精度的限制，針入度損失程度的最小值具體是多少，本文不再深入研究（下同）。由針入度變化情況可知納米TiO2改性瀝青具有抗紫外線光老化的能力，青藏高原地區(qū)瀝青路面的納米TiO2最佳摻量約為1.4%。

3.2 延度

延度是瀝青低溫性能的重要指標(biāo)。瀝青的延度和軟化點(diǎn)，尤其是瀝青在老化后的延度和軟化點(diǎn)與瀝青路面的抗裂性能有著非常密切的關(guān)系[1]，因此通過延度試驗(yàn)來評判納米TiO2改性瀝青的抗光老化性能是可行的，且是行之有效的。試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖2所示。

由表4和圖2對比分析可知，當(dāng)瀝青未經(jīng)過紫外線輻射時(shí)，隨著納米TiO2摻量的增加，延度有所損失，且摻量小于1%時(shí)，損失程度較大。添加納米TiO2的SBR改性瀝青經(jīng)過不同時(shí)間的紫外線輻射后，其延度均有不同程度的損失，損失程度均小于未摻納米TiO2的瀝青，且輻射時(shí)間越長，效果越明顯。同樣，當(dāng)納米TiO2摻量在[1.4%，1.6%]區(qū)間內(nèi)時(shí)，無論經(jīng)紫外線輻射多少個(gè)月，瀝青的延度損失程度都是最低的。由延度也可得知，納米TiO2改性瀝青具有抗紫外線光老化的能力，并再次證明青藏高原地區(qū)瀝青路面的納米TiO2最佳摻量約為1.4%。

3.3 軟化點(diǎn)

瀝青軟化點(diǎn)既是反映瀝青材料熱穩(wěn)定性的一個(gè)指標(biāo)，也是瀝青條件粘度的一種量度[1]。在老化過程中，瀝青材料的有機(jī)成分會(huì)發(fā)生變化，從而影響其軟化點(diǎn)，因此可采用軟化點(diǎn)試驗(yàn)來分析納米TiO2改性瀝青抗光老化能力。試驗(yàn)結(jié)果如表5和圖3所示。

由表5和圖3對比分析可知，未受到紫外線輻射時(shí)，摻入納米TiO2對瀝青的軟化點(diǎn)幾乎沒有影響，經(jīng)不同時(shí)間的紫外線輻射后，軟化點(diǎn)均比未照射時(shí)有所提高，但納米TiO2改性瀝青軟化點(diǎn)的提高程度基本小于或等于SBR改性瀝青[1]，且紫外線輻射時(shí)間越長，軟化點(diǎn)提高程度越大；當(dāng)納米TiO2摻量約為1.2%時(shí)，其提高程度最小，效果最好。因此，納米TiO2對瀝青軟化點(diǎn)的影響程度并不大，只是能改善瀝青抗紫外線光老化的性能。

4 結(jié)束語

通過對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合，可得出以下四個(gè)結(jié)論：（1）可以通過瀝青三大指標(biāo)的變化情況來分析納米TiO2改性瀝青抗光老化的性能。（2）瀝青中摻入納米TiO2，對三大指標(biāo)均有一定的影響，對延度的影響最為明顯，對軟化點(diǎn)幾乎沒有影響[1]。因此可采用納米TiO2改性瀝青提高其延度，確保瀝青的抗裂性能。（3）綜合納米TiO2對瀝青三大指標(biāo)的影響程度及各指標(biāo)對應(yīng)的最佳摻量等因素，可知青藏高原地區(qū)瀝青路面的納米TiO2最佳摻量約為1.4%。（4）當(dāng)納米TiO2摻量為1.4%時(shí)，對普通瀝青抗光老化性能的改善效果低于SBR改性瀝青。因此青藏高原地區(qū)的瀝青材料宜選用已改性瀝青。

綜上所述，瀝青材料在青藏高原上能得到廣泛的運(yùn)用，西藏道路“白改黑”勢在必行，瀝青路面終將取代水泥混凝土路面，對于抗光老化等性能更優(yōu)良的瀝青材料，還需要科研工作者的大量研究。

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