受阻胺类光稳定剂GW-3346对机场道面用沥青性能的影响

王春玲，王兆仑

（1.河南省交通科学技术研究院有限公司，河南郑州 450006；2.河南交通职业技术学院，河南郑州 450006）



受阻胺类光稳定剂GW-3346对机场道面用沥青性能的影响

王春玲1，王兆仑2

（1.河南省交通科学技术研究院有限公司，河南郑州 450006；2.河南交通职业技术学院，河南郑州 450006）

摘要：为解决高原地区机场沥青道面受紫外光老化影响的问题，利用紫外老化环境箱模拟野外环境老化条件进行试验，研究老化时间和光稳定剂（GW-3346）对沥青高温力学性能、低温抗裂和抗疲劳性能的影响。试验结果表明，强紫外光降低了沥青的疲劳性能和低温性能，改善了抗车辙性能，且随老化时间延长而加剧；受阻胺类光稳定剂GW-3346能较好地对SBS改性沥青进行抗紫外老化性能改善，且对其性能改善存在合适的掺量范围，而对基质沥青性能改善并不适用，建议对SBS改性沥青采用GW-3346进行性能改善。

关键词：公路；机场道面；受阻胺类光稳定剂；高温流变特性；疲劳性能；低温性能

近年来，沥青砼在机场跑道尤其是老旧机场道面改扩建加铺层中的应用受到越来越多的关注。良好的沥青道面性能及使用寿命，除需要有合理的结构组成设计和施工工艺外，沥青道面的抗老化性能也至关重要。中国对高速公路沥青路面的抗老化研究颇具成果，但沥青道面的运营状况与高速公路存在较显著差异，不能照搬其研究成果。

据国家地理环境研究院统计，青海、西藏、新疆等西北部地区紫外线辐射强度高，年太阳总辐射量达670～921 kJ/cm2，为中部地区的几十倍。目前，针对沥青路面的耐老化性能多倾向于使用抗老化助剂，改善抗紫外老化能力的主要手段是使用沥青胶浆抗老化助剂改性。由于原油产地各异、沥青类型和组分不同，有必要对抗紫外老化剂沥青的各项性能进行研究，为延长机场沥青道面使用寿命提供技术支持。该文通过自制的紫外老化试验箱，选取受阻胺类抗紫外老化剂（GW-3346）、SBS改性沥青与基质沥青进行复合改性研究。

1　试验方案

（1）选择性能优良的壳牌SBS改性沥青、盘锦70#基质沥青与受阻胺类光稳定剂（HALS）GW-3346分别进行复合改性。首先将SBS改性沥青和70#基质沥青分别加热至160、150℃，然后添加不同量（分别为沥青质量的0.4%、0.8%和1.2%）抗紫外老化剂GW-3346，利用高速剪切机搅拌30 min直至融溶。

（2）为模拟路面实际环境条件，对沥青试样进行短期老化和紫外光老化。将经短期老化处理后沥青置于室内紫外老化箱，试验温度60℃，沥青试样厚度1 mm。

（3）对不同处理状态沥青进行DSR试验和低温延度试验。DSR试验采用温度扫描模式，高温扫描温度为56～82℃，间隔6℃，试模直径25 mm，间隙1 000μm，应变控制10%，频率10 rad/s；中温扫描温度为22～34℃，间隔3℃，试模直径8 mm，间隙2 500μm，应变控制1%，频率为10 rad/s；延度试验温度10℃，拉伸速度为50 mm/min。

2　GW-3346对高温流变性能的影响

通过分析复合改性GW-3346沥青试样高温流变性能，分析掺量变化对其性能的影响，优化最佳用量，提高沥青的抗老化性能，并确保GW-3346不影响或改善沥青其他性能。试验结果见图1～3。

从图1～3可以看出：

（1）紫外老化显著影响了沥青复数模量G∗和损耗因子tanδ，随老化时间的增加，基质沥青和SBS改性沥青的G∗增加，而tanδ变化趋势则不规律，说明沥青经紫外老化后弹性模量提高，塑性成分增加。SBS改性沥青tanδ降低，基质沥青tanδ提高，说明SBS改性沥青损耗能量的能力降低，而基质沥青则增加，SBS的抗紫外老化能力高于基质沥青。基质沥青和SBS改性沥青的G∗与tanδ对温度敏感性不同，随温度升高，2种沥青的G∗降低，基质沥青tanδ呈下降趋势，SBS改性沥青的tanδ呈先增加后降低趋势，说明SBS改性复合沥青材料损耗因子对温度敏感性降低。

图1　复数模量G∗和损耗因子tanδ随老化时间的变化

图2　GW-3346对原样沥青高温性能的影响

图3　GW-3346对抗紫外光老化后沥青的影响

（2）强紫外线光能对沥青产生严重老化，提高沥青的高温流变性能，且随老化时间延长更加严重。紫外光线的作用改变了沥青内部结构，芳香分、胶质转变成极性的沥青质。另外，SBS改性沥青影响较小，这与改性剂的作用有关，也说明改性沥青的抗紫外光老化能力比基质沥青更优越。抗紫外老化剂GW-3346的添加对原样沥青具有一定影响，随掺量增加，SBS改性沥青的G∗/sinδ逐渐增加，而基质沥青变化规律不稳定，说明GW-3346改善了原样SBS改性沥青的抗车辙性能。

（3）紫外光老化后提高了沥青的抗车辙性能，而GW-3346掺量变化对高温性能也有一定影响，且影响程度与沥青类型有关。对于基质沥青，随掺量增加，G∗/sinδ呈先增加后减小的趋势，但整体之间区辨性较低；而SBS改性沥青呈增加趋势，但也存在一定差异，这可能与浇筑试样不均匀性有关。

（4）由于G∗/sinδ对温度具有敏感性，随试验温度的增加，GW-3346不同掺量之间的区辨性有所下降，说明GW-3346改善沥青抗紫外老化能力受温度影响，在特殊环境条件下并不能体现出GW -3346的优势。掺量0.8%的SBS复合改性沥青的改善效果最好，整体提高约15%，说明沥青在此时耗能越少，流动变形越小，抗车辙能力最佳。掺加受阻胺类光稳定剂的沥青混合料在夏季高温时并不能完全有效抵抗紫外光线作用，从侧面说明了目前高原地区应用光稳定剂后仍出现类似问题的原因。沥青道面车辙、裂缝等病害的出现与紫外老化等原因存在直接联系。

3　GW-3346对疲劳性能的影响

沥青经强紫外光线照射后将发生物理、力学性能变化，宏观上表现出变硬、变脆，抵抗低温收缩抗裂能力降低，严重影响路面的抗疲劳性能。为此，利用抗疲劳因子G∗sinδ指标对紫外老化后沥青试样进行评价，试验结果见图4～6。

图4　老化时间对沥青疲劳性能的影响

图5　GW-3346对原样沥青疲劳性能的影响

图6　GW-3346对抗紫外光老化后沥青的影响

从图4、图5可以看出：

（1）紫外光老化严重影响了沥青的疲劳性能，随老化时间增加，G∗sinδ显著提高，且SBS改性沥青的G∗sinδ低于70#基质沥青，随时间延长二者之间的差距越大。说明SBS改性沥青抵抗紫外光老化的抗疲劳性能优于70#基质沥青。经过紫外光照射，沥青四组分发生转移导致其粘性成分降低、弹性成分提高，经受温度反复作用的抗疲劳能力下降。

（2）GW-3346与原样沥青复合改性后其疲劳性能发生显著改变，随GW-3346掺量的增加，SBS改性沥青的G∗sinδ呈先降低后增加的趋势，70#基质沥青的G∗sinδ呈增加趋势。说明GW-3346降低了70#基质沥青的抗疲劳性能，合理用量能改善SBS改性沥青的性能，掺量在0.8%时对SBS改性沥青的改善效果最佳。

众多研究均表明沥青老化后高温抗车辙能力有所提高，而其他性能下降显著。从图6可以看出：

（1）紫外光线老化与其相类似，紫外光老化后沥青的中温抗疲劳性能降低，说明紫外光对沥青性能的改变与沥青短期老化、长期老化相一致。

（2）GW-3346与70#基质沥青复合后，随掺量的增加其G∗sinδ有所降低，但仍高于未掺加GW-3346的沥青，说明GW-3346不能改善该沥青的抗紫外老化能力。对于SBS改性沥青，在掺量0.8%时其G∗sinδ值最小，GW-3346能与SBS改性剂发生协同作用（两种添加剂之间不产生副作用，共同改善沥青性能），改善沥青内部网络结构抵抗紫外光线作用。

（3）GW-3346与沥青复合后抗紫外老化能力具有温度敏感性，22～28℃时的区辨性较好，且对SBS改性沥青抗疲劳性能的改善效果好。在34℃时，掺量0.4%～1.2%的G∗sinδ值相差很小，说明GW-3346在22℃附近改善沥青道面抗紫外老化的能力最佳。

4　GW-3346对低温抗裂性能的影响

沥青老化前后宏观上表现出各项性能指标差异，微观上显示内部结构状态变化，规范主要依据指标变化评价沥青的老化程度，其中延度试验能反映沥青在不同温度条件下的延伸性和柔韧性。利用低温延度试验评价紫外老化后沥青的抗裂能力，分析GW-3346对沥青性能的影响，结果见图7。

从图7可以看出：

（1）GW-3346对原样沥青低温延度值具有显著影响，随GW-3346掺量的增加，延度值均不同程度降低。对原样SBS改性沥青延度值的劣化程度远低于70#基质沥青，掺量0.8%时，SBS改性沥青与基质沥青的延度值变化幅度分别为-1.67%和-3.92%。

图7　沥青老化前后延度值随GW-3346掺量的变化

（2）GW-3346与沥青改性经紫外光老化后，其延度值发生较大变化，即随掺量增加延度值也增加，GW-3346改善了沥青的低温性能。对于70#基质沥青，掺量0.8%时延度值最大，提高约50%；对于SBS改性沥青，掺量1.2%时延度值最大，提高约29.4%。GW-3346对沥青低温延伸性的改善效果因沥青类型而异，对于SBS改性沥青，GW-3346与改性剂良好协作发挥作用，由于GW-3346不吸收260μm以上任意波长的其他光线，材料成分受阻胺在光照过程中与空气中氧气发生化学作用，导致氮氧自由基转化，氮氧自由基在特殊环境条件下具备再生功能，能进一步抑制连锁反应，保护沥青材料紫外老化。

5　结论

（1）紫外老化对沥青的作用与短期老化、长期老化相类似，显著改变了沥青内部结构和外观状态，提高了沥青内部粘性成分比例、内在性能，降低了沥青中低温抗疲劳、抗裂缝能力，且随紫外光照射延长影响程度显著加深。

（2）受阻胺类GW-3346对原样沥青具有显著影响，提高了沥青的高温稳定性，而对沥青中温疲劳、低温抗裂性能的影响因沥青类型及掺量而异，主要表现为降低了70#基质沥青的抗疲劳能力，改善了SBS改性沥青的性能。受阻胺类GW-3346用于SBS改性沥青的最佳剂量为0.8%（受阻胺类光稳定剂与沥青结合料比例）。

（3）GW-3346对沥青抗紫外老化性能的改善具有温度敏感性，随温度的提高，改善效果越不明显。高温流变性能的改善效果随温度增加而降低，中低温抗疲劳能力的劣化程度无明显规律，可能与沥青添加剂成分及组分反应转移有关，需进一步深入研究。

参考文献：

［1］ 黄彭.强紫外线辐射对沥青路用性能的影响［J］.同济大学学报：自然科学版，2005，33（7）.

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

［3］ 田小革，郑建龙，张起森.老化对沥青结合料粘弹性的影响［J］.交通运输工程学报，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］ 谭忆秋，邵显智，张肖宁.基于低温流变特性的沥青低温性能评价方法研究［J］.中国公路学报，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］.美国专利，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，Fabienne 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）.

中图分类号：U416.217

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0091-04

收稿日期：2015-12-06