受阻胺類光穩(wěn)定劑GW-3346對機場道面用瀝青性能的影響

王春玲，王兆侖

（1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南鄭州 450006；2.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450006）

?

受阻胺類光穩(wěn)定劑GW-3346對機場道面用瀝青性能的影響

王春玲1，王兆侖2

（1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南鄭州 450006；2.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450006）

摘要：為解決高原地區(qū)機場瀝青道面受紫外光老化影響的問題，利用紫外老化環(huán)境箱模擬野外環(huán)境老化條件進行試驗，研究老化時間和光穩(wěn)定劑（GW-3346）對瀝青高溫力學(xué)性能、低溫抗裂和抗疲勞性能的影響。試驗結(jié)果表明，強紫外光降低了瀝青的疲勞性能和低溫性能，改善了抗車轍性能，且隨老化時間延長而加劇；受阻胺類光穩(wěn)定劑GW-3346能較好地對SBS改性瀝青進行抗紫外老化性能改善，且對其性能改善存在合適的摻量范圍，而對基質(zhì)瀝青性能改善并不適用，建議對SBS改性瀝青采用GW-3346進行性能改善。

關(guān)鍵詞：公路；機場道面；受阻胺類光穩(wěn)定劑；高溫流變特性；疲勞性能；低溫性能

近年來，瀝青砼在機場跑道尤其是老舊機場道面改擴建加鋪層中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。良好的瀝青道面性能及使用壽命，除需要有合理的結(jié)構(gòu)組成設(shè)計和施工工藝外，瀝青道面的抗老化性能也至關(guān)重要。中國對高速公路瀝青路面的抗老化研究頗具成果，但瀝青道面的運營狀況與高速公路存在較顯著差異，不能照搬其研究成果。

據(jù)國家地理環(huán)境研究院統(tǒng)計，青海、西藏、新疆等西北部地區(qū)紫外線輻射強度高，年太陽總輻射量達670～921 kJ/cm2，為中部地區(qū)的幾十倍。目前，針對瀝青路面的耐老化性能多傾向于使用抗老化助劑，改善抗紫外老化能力的主要手段是使用瀝青膠漿抗老化助劑改性。由于原油產(chǎn)地各異、瀝青類型和組分不同，有必要對抗紫外老化劑瀝青的各項性能進行研究，為延長機場瀝青道面使用壽命提供技術(shù)支持。該文通過自制的紫外老化試驗箱，選取受阻胺類抗紫外老化劑（GW-3346）、SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青進行復(fù)合改性研究。

1　試驗方案

（1）選擇性能優(yōu)良的殼牌SBS改性瀝青、盤錦70#基質(zhì)瀝青與受阻胺類光穩(wěn)定劑（HALS）GW-3346分別進行復(fù)合改性。首先將SBS改性瀝青和70#基質(zhì)瀝青分別加熱至160、150℃，然后添加不同量（分別為瀝青質(zhì)量的0.4%、0.8%和1.2%）抗紫外老化劑GW-3346，利用高速剪切機攪拌30 min直至融溶。

（2）為模擬路面實際環(huán)境條件，對瀝青試樣進行短期老化和紫外光老化。將經(jīng)短期老化處理后瀝青置于室內(nèi)紫外老化箱，試驗溫度60℃，瀝青試樣厚度1 mm。

（3）對不同處理狀態(tài)瀝青進行DSR試驗和低溫延度試驗。DSR試驗采用溫度掃描模式，高溫掃描溫度為56～82℃，間隔6℃，試模直徑25 mm，間隙1 000μm，應(yīng)變控制10%，頻率10 rad/s；中溫掃描溫度為22～34℃，間隔3℃，試模直徑8 mm，間隙2 500μm，應(yīng)變控制1%，頻率為10 rad/s；延度試驗溫度10℃，拉伸速度為50 mm/min。

2　GW-3346對高溫流變性能的影響

通過分析復(fù)合改性GW-3346瀝青試樣高溫流變性能，分析摻量變化對其性能的影響，優(yōu)化最佳用量，提高瀝青的抗老化性能，并確保GW-3346不影響或改善瀝青其他性能。試驗結(jié)果見圖1～3。

從圖1～3可以看出：

（1）紫外老化顯著影響了瀝青復(fù)數(shù)模量G?和損耗因子tanδ，隨老化時間的增加，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的G?增加，而tanδ變化趨勢則不規(guī)律，說明瀝青經(jīng)紫外老化后彈性模量提高，塑性成分增加。SBS改性瀝青tanδ降低，基質(zhì)瀝青tanδ提高，說明SBS改性瀝青損耗能量的能力降低，而基質(zhì)瀝青則增加，SBS的抗紫外老化能力高于基質(zhì)瀝青。基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的G?與tanδ對溫度敏感性不同，隨溫度升高，2種瀝青的G?降低，基質(zhì)瀝青tanδ呈下降趨勢，SBS改性瀝青的tanδ呈先增加后降低趨勢，說明SBS改性復(fù)合瀝青材料損耗因子對溫度敏感性降低。

圖1　復(fù)數(shù)模量G?和損耗因子tanδ隨老化時間的變化

圖2　GW-3346對原樣瀝青高溫性能的影響

圖3　GW-3346對抗紫外光老化后瀝青的影響

（2）強紫外線光能對瀝青產(chǎn)生嚴(yán)重老化，提高瀝青的高溫流變性能，且隨老化時間延長更加嚴(yán)重。紫外光線的作用改變了瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)，芳香分、膠質(zhì)轉(zhuǎn)變成極性的瀝青質(zhì)。另外，SBS改性瀝青影響較小，這與改性劑的作用有關(guān)，也說明改性瀝青的抗紫外光老化能力比基質(zhì)瀝青更優(yōu)越?？棺贤饫匣瘎〨W-3346的添加對原樣瀝青具有一定影響，隨摻量增加，SBS改性瀝青的G?/sinδ逐漸增加，而基質(zhì)瀝青變化規(guī)律不穩(wěn)定，說明GW-3346改善了原樣SBS改性瀝青的抗車轍性能。

（3）紫外光老化后提高了瀝青的抗車轍性能，而GW-3346摻量變化對高溫性能也有一定影響，且影響程度與瀝青類型有關(guān)。對于基質(zhì)瀝青，隨摻量增加，G?/sinδ呈先增加后減小的趨勢，但整體之間區(qū)辨性較低；而SBS改性瀝青呈增加趨勢，但也存在一定差異，這可能與澆筑試樣不均勻性有關(guān)。

（4）由于G?/sinδ對溫度具有敏感性，隨試驗溫度的增加，GW-3346不同摻量之間的區(qū)辨性有所下降，說明GW-3346改善瀝青抗紫外老化能力受溫度影響，在特殊環(huán)境條件下并不能體現(xiàn)出GW -3346的優(yōu)勢。摻量0.8%的SBS復(fù)合改性瀝青的改善效果最好，整體提高約15%，說明瀝青在此時耗能越少，流動變形越小，抗車轍能力最佳。摻加受阻胺類光穩(wěn)定劑的瀝青混合料在夏季高溫時并不能完全有效抵抗紫外光線作用，從側(cè)面說明了目前高原地區(qū)應(yīng)用光穩(wěn)定劑后仍出現(xiàn)類似問題的原因。瀝青道面車轍、裂縫等病害的出現(xiàn)與紫外老化等原因存在直接聯(lián)系。

3　GW-3346對疲勞性能的影響

瀝青經(jīng)強紫外光線照射后將發(fā)生物理、力學(xué)性能變化，宏觀上表現(xiàn)出變硬、變脆，抵抗低溫收縮抗裂能力降低，嚴(yán)重影響路面的抗疲勞性能。為此，利用抗疲勞因子G?sinδ指標(biāo)對紫外老化后瀝青試樣進行評價，試驗結(jié)果見圖4～6。

圖4　老化時間對瀝青疲勞性能的影響

圖5　GW-3346對原樣瀝青疲勞性能的影響

圖6　GW-3346對抗紫外光老化后瀝青的影響

從圖4、圖5可以看出：

（1）紫外光老化嚴(yán)重影響了瀝青的疲勞性能，隨老化時間增加，G?sinδ顯著提高，且SBS改性瀝青的G?sinδ低于70#基質(zhì)瀝青，隨時間延長二者之間的差距越大。說明SBS改性瀝青抵抗紫外光老化的抗疲勞性能優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青。經(jīng)過紫外光照射，瀝青四組分發(fā)生轉(zhuǎn)移導(dǎo)致其粘性成分降低、彈性成分提高，經(jīng)受溫度反復(fù)作用的抗疲勞能力下降。

（2）GW-3346與原樣瀝青復(fù)合改性后其疲勞性能發(fā)生顯著改變，隨GW-3346摻量的增加，SBS改性瀝青的G?sinδ呈先降低后增加的趨勢，70#基質(zhì)瀝青的G?sinδ呈增加趨勢。說明GW-3346降低了70#基質(zhì)瀝青的抗疲勞性能，合理用量能改善SBS改性瀝青的性能，摻量在0.8%時對SBS改性瀝青的改善效果最佳。

眾多研究均表明瀝青老化后高溫抗車轍能力有所提高，而其他性能下降顯著。從圖6可以看出：

（1）紫外光線老化與其相類似，紫外光老化后瀝青的中溫抗疲勞性能降低，說明紫外光對瀝青性能的改變與瀝青短期老化、長期老化相一致。

（2）GW-3346與70#基質(zhì)瀝青復(fù)合后，隨摻量的增加其G?sinδ有所降低，但仍高于未摻加GW-3346的瀝青，說明GW-3346不能改善該瀝青的抗紫外老化能力。對于SBS改性瀝青，在摻量0.8%時其G?sinδ值最小，GW-3346能與SBS改性劑發(fā)生協(xié)同作用（兩種添加劑之間不產(chǎn)生副作用，共同改善瀝青性能），改善瀝青內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抵抗紫外光線作用。

（3）GW-3346與瀝青復(fù)合后抗紫外老化能力具有溫度敏感性，22～28℃時的區(qū)辨性較好，且對SBS改性瀝青抗疲勞性能的改善效果好。在34℃時，摻量0.4%～1.2%的G?sinδ值相差很小，說明GW-3346在22℃附近改善瀝青道面抗紫外老化的能力最佳。

4　GW-3346對低溫抗裂性能的影響

瀝青老化前后宏觀上表現(xiàn)出各項性能指標(biāo)差異，微觀上顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，規(guī)范主要依據(jù)指標(biāo)變化評價瀝青的老化程度，其中延度試驗?zāi)芊从碁r青在不同溫度條件下的延伸性和柔韌性。利用低溫延度試驗評價紫外老化后瀝青的抗裂能力，分析GW-3346對瀝青性能的影響，結(jié)果見圖7。

從圖7可以看出：

（1）GW-3346對原樣瀝青低溫延度值具有顯著影響，隨GW-3346摻量的增加，延度值均不同程度降低。對原樣SBS改性瀝青延度值的劣化程度遠低于70#基質(zhì)瀝青，摻量0.8%時，SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青的延度值變化幅度分別為-1.67%和-3.92%。

圖7　瀝青老化前后延度值隨GW-3346摻量的變化

（2）GW-3346與瀝青改性經(jīng)紫外光老化后，其延度值發(fā)生較大變化，即隨摻量增加延度值也增加，GW-3346改善了瀝青的低溫性能。對于70#基質(zhì)瀝青，摻量0.8%時延度值最大，提高約50%；對于SBS改性瀝青，摻量1.2%時延度值最大，提高約29.4%。GW-3346對瀝青低溫延伸性的改善效果因瀝青類型而異，對于SBS改性瀝青，GW-3346與改性劑良好協(xié)作發(fā)揮作用，由于GW-3346不吸收260μm以上任意波長的其他光線，材料成分受阻胺在光照過程中與空氣中氧氣發(fā)生化學(xué)作用，導(dǎo)致氮氧自由基轉(zhuǎn)化，氮氧自由基在特殊環(huán)境條件下具備再生功能，能進一步抑制連鎖反應(yīng)，保護瀝青材料紫外老化。

5　結(jié)論

（1）紫外老化對瀝青的作用與短期老化、長期老化相類似，顯著改變了瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀狀態(tài)，提高了瀝青內(nèi)部粘性成分比例、內(nèi)在性能，降低了瀝青中低溫抗疲勞、抗裂縫能力，且隨紫外光照射延長影響程度顯著加深。

（2）受阻胺類GW-3346對原樣瀝青具有顯著影響，提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性，而對瀝青中溫疲勞、低溫抗裂性能的影響因瀝青類型及摻量而異，主要表現(xiàn)為降低了70#基質(zhì)瀝青的抗疲勞能力，改善了SBS改性瀝青的性能。受阻胺類GW-3346用于SBS改性瀝青的最佳劑量為0.8%（受阻胺類光穩(wěn)定劑與瀝青結(jié)合料比例）。

（3）GW-3346對瀝青抗紫外老化性能的改善具有溫度敏感性，隨溫度的提高，改善效果越不明顯。高溫流變性能的改善效果隨溫度增加而降低，中低溫抗疲勞能力的劣化程度無明顯規(guī)律，可能與瀝青添加劑成分及組分反應(yīng)轉(zhuǎn)移有關(guān)，需進一步深入研究。

參考文獻：

［1］ 黃彭.強紫外線輻射對瀝青路用性能的影響［J］.同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，33（7）.

［2］ 沈金安.瀝青與瀝青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［3］ 田小革，鄭建龍，張起森.老化對瀝青結(jié)合料粘彈性的影響［J］.交通運輸工程學(xué)報，2004，4（1）.

［4］ C A Bell，Alan J Wieder，Marco J Fellin.Laboratory aging of asphalt aggregate mixtures：field validation ［R］.National Research Council，1994.

［5］ Shaopeng Wu，Ling Pang，Liantong Mo，et a1.Ultraviolet and thermal aging of purebitumen-comparison between laboratory simulation and natural exposure aging ［J］.Road Materials and Pavement Design，2008（9）.

［6］ Huang S C，Mang T，Byron E R.Laboratory aging methods for simulation of field aging of asphalts［J］. Journal of Materials in Civil Engineering，1996，8（3）.

［7］ 譚憶秋，邵顯智，張肖寧.基于低溫流變特性的瀝青低溫性能評價方法研究［J］.中國公路學(xué)報，2002，15（3）.

［8］ Kliewer J E，Zeng H Y，Vinson T S.Aging and low temperature cracking of asphalt concrete mixture［J］. Journal of Cold Regions Engineering，1996，10（3）.

［9］ Son Pyong-Nae，Jacobs.Process for desensitizing a 1-（alkylamino）alky-polysubstituted piperazinone during recovery［P］.美國專利，4841053，1989-06-20.

［10］ Wang X L，Yu J Y，Zeng X，et al.Improving aging resistance of SBS modified bitumen crack filling material by addition of antioxidant［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2006，23（9）. ［11］ Katsuyuki Y，Iwao S，Itaru N，et al.Effect of film thickness，wavelength，and carbon black on photo degradation of asphalt［J］.Journal of Japan Petroleum Institute，2005，48（3）.

［12］ Francoise D，F(xiàn)abienne F，Virgine M.The influence of UV aging of a Styrene/Butadiene/Styrene modified bitumen：comparison between laboratory and on site aging［J］.Fuel，2007，86（10-11）.

中圖分類號：U416.217

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0091-04

收稿日期：2015-12-06