沥青材料强紫外线老化机理

 
 
尽管沥青紫外线光老化已经得到了人们的重视, 但国内外关于强紫外线辐射对沥青路用性能的研究却很少报道.笔者以强紫外线辐射条件下沥青长期路用性能的变化作为研究对象, 通过室内沥青紫外线光老化与常规热老化前后性能的对比, 分析两种不同的长期老化方式对沥青材料影响的差别, 以期为强紫线地区研究、设计沥青路面提供理论依据. 为模拟沥青在拌和过程及长期使用过程中的老化作用, 采用不同方法的短期老化试验和长期老化试验, 对比其物理性能指标来评价强紫外线光老化对沥青路用性能的影响程度.其中, 短期老化采用薄膜烘箱试验,长期老化采用SHRP ( strategic highway research program,) 压力老化试验和人工强紫外线光源环境箱室内紫外线照射试验.

沥青材料主要是由碳、氢、氧、氮等元素组成的大分子有机物, 它的各种特性都是这种大分子结构所赋予的. 碳、氢、氧、氮等元素要形成稳定大分子结构, 它们之间就需要一定的结合能( 即: 键能) , 其值越高越稳定. 一旦这种大分子结构遭到破坏, 则沥青材料的性能就会降低, 甚至丧失. 沥青中主要有C )H、C ) C 和C C 键, 除了O ) H 和C ) F 外绝大多数的聚合物分子键能和290~ 400nm 波长范围的光能相当, 其中CC 键能总值615. 3 kJ#mol- 1, 但是它断裂的个键的能量大约仅为270 kJ#mol- 1,相当于420 nm 波段光的能量值. 沥青材料受到紫外线(UV-A 和UV-B) 辐射时, 分子结构就会受到破坏,因此沥青材料很容易受到紫外线的光老化.另外, 沥青材料强紫外线老化机理可以用自由基理论给予解释. 最初可能是沥青分子( R) 吸收辐射能后键能的断裂生成了自由基( R. ) , 其后与氧分子结合, 而且这种反应是链式反应, 过程如下:RyR.R. + O2yROO.其中老化速度取决于开始生成自由基的速度,而自由基的生成又取决于光辐射能的强度.虽然紫外线射入沥青的深度只能达到0.1 mm的数量级, 如果考虑到老化后的沥青分子会向内扩散, 紫外线对沥青老化的影响也只能发生在沥青表层1 mm 处.
 但是沥青路面存在空隙, 强紫外线对沥青面层的影响可以达到1 个粒径的范围, 即1cm 左右. 在紫外线强烈的西部地区, 路线长、经济相对落后、沥青面层相对较薄, 如青海省地区二、三级公路沥青面层仅厚4~ 5 cm, 紫外线老化对沥青路面结构层的影响将可能达到整个沥青面层的20% ~25% . 这种紫外线光老化后的危害体现在: 首先, 沥青表层产生的脆性, 将使冬季低温劲度大大增加, 破坏应变变小, 极容易成为温缩裂缝的致命弱点, 导致路面开裂; 其次, 其延度下降, 容易引起路面产生龟裂; 最后, 沥青与集料的粘附性变差, 沥青从集料的表面脱落, 产生坑槽, 使雨水渗入路面结构内部, 导致路面状况迅速恶化, 严重影响沥青路面的使用性能.http://www.dgzhenghang.cn