摘 要

我国高海拔地区交通沥青路面面临着众多的威胁，紫外光老化是其中较为严重的影响因素，紫外光吸收剂和层状双羟基复合金属氧氧化物（LDHs）能够吸收紫外光，减小紫外光对沥青的老化作用，提高沥青的抗老化能力。本文以提高沥青的抗紫外老化的能力为目的，向基质沥青、SBR改性沥青和SBR改性沥青中掺入不同含量的紫外光吸收剂和LDHs，通过熔融共混、短期老化和紫外老化等工序，对其熔融共混后、短期老化后、紫外5天后和紫外10天后的沥青样品进行软化点、针入度、粘度、流变性能以及红外光谱等测试，研究紫外光吸收剂和LDHs对沥青的抗老化性能的影响。

结果发现，适量的紫外光吸收剂和LDHs的掺入（0.6%的紫外光吸收剂和2.5%的LDHs最佳），有利于提高沥青的抗紫外老化的能力，并且提高沥青的高温性能，延长沥青路面工作年限。

关键词：紫外光吸收剂；LDHs；紫外老化

Abstract

There are many threats to traffic asphalt pavement in high altitude areas in China, among which ultraviolet light aging is a serious factor. Ultraviolet light absorber and layered double hydroxyl compound metal oxide (LDHs) can absorb ultraviolet light, reduce the effect of ultraviolet light on asphalt aging, and improve the anti-aging ability of asphalt. This article, aim to improve the uv resistance of asphalt to matrix asphalt, SBR modified asphalt, SBR modified asphalt adding different concentration of uv absorbent and LDHs, by melt blending, short-term aging and ultraviolet aging process, after the melt blending, after short-term aging and uv for five days and 10 days after the asphalt samples of softening point, penetration, viscosity, rheological properties and infrared spectroscopy testing, to study the effect of its anti-aging performance of asphalt.

The results showed that adding appropriate amount of uv absorber and LDHs (0.6% uv absorber and 2.5% LDHs is the best) is beneficial to improve the anti-uv aging ability of asphalt and improve the high-temperature performance of asphalt.

KeyWords：Ultraviolet absorbent；LDHs；The ultraviolet aging

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题的提出及研究意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外的研究现状 1

1.2.2国内的研究现状 2

1.3课题研究内容 3

1.4课题预期目标 4

第二章 实验 5

2.1 实验基本流程 5

2.2 实验方案及技术路线 5

2.3 实验步骤 5

2.3.1 样品制备 5

2.3.2 短期老化 6

2.3.3 紫外老化试验 7

2.3.4 动态剪切流变仪（DSR） 8

2.3.5 傅里叶变换红外光谱测试 8

2.3.6 紫外-可见分光光度计 9

2.3.7 针入度 9

2.3.8 软化点 9

2.3.9 粘度 10

第三章 实验结果 11

3.1 紫外-可见光谱（UV-vis）分析 11

3.2 紫外光吸收剂和LDHs对不同沥青物理性能的影响 12

3.2.1 紫外光吸收剂和LDHs对不同沥青针入度的影响 12

3.2.2 紫外光吸收剂和LDHs对不同沥青粘度的影响 14

3.2.3 紫外光吸收剂和LDHs对SBS改性沥青软化点的影响 16

3.3 沥青的流变性能分析 16

3.4 红外光谱分析 21

第四章 结论 24

参考文献 25

致 谢 27

第一章 绪论

1.1课题的提出及研究意义

随着我国高海拔地区道路交通水平的不断发展，“一带一路”战略在我国西部地区的实施，对道路沥青的性能的要求也越来越高。在西部高海拔地区，公路的建设周期长，施工难度大，同时受到气候、环境、海拔、交通等的影响；在高海拔地区，太阳光照时间比较长，紫外光的辐射总量比较大。在“一带一路”的建设过程中，道路的设计通常为一级公路和高速公路，而这一类的沥青道路设计年限通常为15年，若在短时期内需要大面积的道路维修，这不仅仅会直接的影响高海拔地区道路交通运输，还会给国家、社会等带来巨大的经济损失，再加上西部高海拔地区在前期的资金投资更大，而收益期比较长，同时还要对一些地区根据交通运输量的增长情况来对公路进行扩建，因此，提高道路前期设计的水平，细致而严格地考虑多方面的影响因素，有效合理地使用资金等很关键。

西部高海拔地区因为气候条件和地形地貌的特殊性，相比于其他的地区，沥青道路的建设会有着更高的要求，同时，需要考虑的影响因素也更多，其中，紫外光对沥青路面的影响很有必要被考虑。沥青路面的破坏主要有低温开裂、高温车辙变形、水稳定性不良等，这些破坏会使得沥青路面的使用年限急剧下降，而这些破坏，都与沥青的老化有着不同程度的联系，沥青的老化主要分为光老化和热老化。相比于其他地区，在西部高海拔地区，光老化对沥青路面的影响更加严重，所以，研究紫外光对沥青路面紫外老化的影响有着很重要的意义。

本文通过研究不同沥青紫外光老化，以及抗紫外添加剂对沥青抗紫外老化效果的影响，提出了针对我国西部高海拔地区高紫外光辐射的抗紫外添加剂合适的掺量。抗紫外添加剂能够减缓沥青的紫外老化速率，减小沥青路面受到的早期损害，提高沥青路面的抗老化的能力，延长沥青路面的使用年限，减少沥青路面的维修次数，降低后期路面的维修成本。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外的研究现状

在100多年前，在太阳光的照射下，德国的Toch^[1][2]将沥青的薄膜放在有色的玻璃板上，照射一段时间后分析发现：放在红色玻璃板的沥青表面几乎没有损坏，但是放在紫色玻璃板的沥青表面损坏非常严重，Toch从这个试验中提出了光氧化理论。后面的许多研究实验都证明，对于沥青的氧化，紫外光辐射有明显的促进作用。

Vallerga^[3]在研究红外光和紫外光对沥青的老化试验中发现，紫外光对沥青延展性和软化点的影响更大，这一试验说明太阳光辐射，特别是紫外辐射，是导致在使用期间沥青老化的一个重要因素。

Traxler^[4]在紫外光老化试验中发现，光照对薄的沥青膜比对厚的沥青膜的影响要大很多，沥青的紫外光老化是一个由浅入深、由表及里的过程，随着紫外光老化的不断加深，沥青的光老化使得沥青的性能变差。光氧化随着沥青膜的厚度的降低而增加，他将这种影响称为光化学反应。

20世纪90年代，Tia^[5]做了大量紫外光老化试验和热老化试验，其试验结果表明，紫外光老化和热压力老化使得沥青混合料的老化程度很接近，虽然紫外光老化只在沥青混合料的表面发生，但Tia认为沥青混合料老化的主要原因是紫外光老化。

此外，LIU G和WU S 等^[6][7]也作了相关的试验研究。他们在室内的试验结果表明，紫外老化会使得沥青性能逐渐发生变化，流变性能降低。在沥青的应用中，LDHs也被广泛研究。Moraes等^[8][9]研究了矿粉对沥青热氧老化的影响，通过比较不同类型矿粉形成的胶浆老化前后分子量分布的变化以及比较不同类型矿粉力学性能的变化得知，矿粉能够改变沥青胶浆老化后分子量的分布，可以减轻沥青的热老化，提高沥青的性能。

1.2.2国内的研究现状

唐靖武等^[10]通过沥青针入度、粘度、软化点和延展度的变化情况，研究了高原地区沥青路面的紫外光老化速率和纳米TiO₂对沥青抗老化速率的影响。其结果表明，纳米TiO₂对沥青的延度影响最为明显，可以提高沥青的抗裂性能。

张娟等^[11]通过室内加速沥青紫外老化试验，模拟了室外太阳光的紫外辐射对沥青的老化作用，在对SBS改性沥青和基质沥青短期老化和紫外光老化后，分析试样前后的主要指标，如针入度、软化点和延度等的变化发现：SBS沥青的抗老化性能优于基质沥青，并且沥青中的轻质组分会随着沥青老化时间的增长逐渐向重质组分转化，沥青的流变性能下降。

丁彪等^[12]研究了紫外老化对沥青高低温性能的影响，其结果显示：经过紫外老化后，沥青的蠕变速率逐渐减小，沥青的蠕变劲度增大，粘性减小，弹性增大，复模量增大。紫外老化对沥青及其混合料在高温的性能影响更大，而对低温的影响较小。

刘星^[13]研究了层状双羟基复合金属氧氧化物（LDHs）对沥青耐老化性能的影响，结果表明，LDHs能够反射部分的紫外光，并且吸收部分紫外光将其转化为热能释放，可以有效地提高沥青的抗紫外老化性能。

朱昊等^[14]研究了在紫外辐射下，同种紫外光吸收剂在不同的改性沥青中，沥青受到的影响，确定了紫外光吸收剂在沥青中合适的掺量，结果显示：随着紫外光吸收剂的增加，不同的改性沥青的针入度和延度均会有所逐渐增大，而软化点逐渐减小，有效地提高了沥青的抗紫外老化性能。

冯振刚等^[15]选取了3种不同的紫外光吸收剂制备改性沥青，通过对比老化改性前后的沥青性能，确定了紫外光吸收剂在沥青中适宜的掺量，结果显示，紫外光吸收剂均能使沥青的相位角增大，但对沥青的高温抗车辙性能影响比较小；较小掺量的紫外光吸收剂均可显著提高沥青的针入度，同时提高沥青的低温延度，减小沥青粘度和软化点。

1.3课题研究内容

层状双羟基复合金属氧氧化物（LDHs）是一种性能非常优异的紫外线阻隔材料，主要由带正电荷的主体层板结构和层间阴离子组成，其化学结构见图1.1。LDHs在微观结构上呈现出独特的多级层状结构。当紫外线照射到LDHs时，在LDHs的每一级层板结构上都会发生不同程度光的折射和反射，尤其是LDHs对紫外线的反射率高达90%以上^[16]。同时，LDHs的层间阴离子对紫外线有化学吸收的作用，可以吸收部分紫外线。因此，LDHs对紫外线同时具有化学吸收和物理屏蔽的作用^[17][18]。这种多级多重的化学吸收作用和物理屏蔽作用，使得LDHs具有了良好的紫外阻隔作用，是一种性能优异的紫外阻隔材料^[19]。人们已经发现，向沥青中加入LDHs能够显著改善沥青的抗紫外老化性能。

图1.1 LDHs的结构示意图

紫外光吸收剂有多种，本试验选择Tinuvin770，属于受阻胺类光稳定剂中的一种，其化学名称为双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯，化学结构式见图1.2^[20]。Tinuvin770用作紫外光稳定剂，适用于高密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、ABS树脂、聚氨酯等有机聚合物。同时，将其他紫外光吸收剂与Tinuvin770并用，具有协同作用，能够进一步提高材料的光稳定效果。

图1.2 Tinuvin770的化学结构式

沥青的老化主要由于沥青的氧化引起。氧气不仅能够和空气接触面的沥青发生化学反应，生成过含氧基团和氢氧化物，并且可以逐渐向沥青的内部继续扩散，使得沥青内部被老化。被老化的沥青由于吸氧分子量增大，或者缔合成大分子物质，导致沥青原有的胶体结构发生变化，沥青变得脆且硬。光氧老化和热氧老化的主要区别在于老化初始阶段生成自由基的激发源不同，分别为光能激发和热能激发。为了防止沥青的老化或降低沥青的老化速率，一方面可以阻止氧气同沥青的接触；另一方面可以降低老化的激发能量（热能和光能），降低初始自由基的形成速率（浓度）^[21]。紫外光吸收剂可以吸收紫外光，降低光能激发的激发强度；LDHs的层板结构可以对紫外线起物理屏蔽作用和化学吸收作用，降低光老化过程中的激发强度，减缓沥青的光老化进程^[22]。因此，紫外光吸收剂和LDHs作为沥青改性剂在改善沥青的抗紫外老化性能方面有较大的研究意义。

1.4课题预期目标

鉴于以上分析，本文将研究不同种类抗紫外添加剂对不同种类沥青的流变、老化和物理性能的影响，建立紫外光吸收剂对不同沥青的组成、结构和性能影响的相互关系，为实际生产提供指导依据。

（1）将紫外光吸收剂（Tinuvin770）和LDHs通过熔融共混的方法，混入90^#基质沥青、SBS改性沥青和SBR改性沥青，制备出抗紫外添加剂改性的沥青试样，并研究不同抗紫外添加剂对不同种类沥青物理流变性能的影响。

（2）将所制备的抗紫外添加剂改性沥青试样分别进行TFOT老化和UV老化，研究不同抗紫外添加剂对不同沥青热氧和紫外老化性能的影响。

（3）对改性的沥青和老化前后的沥青试样分别进行物理流变性能和红外测试，研究不同抗紫外添加剂对不同沥青的化学结构的影响。

（4）综合分析实验结果，得到最好的抗紫外添加剂的复配方案，为实际生产提供指导。

第二章 实验

2.1 实验基本流程

1.根据实验要求将抗紫外添加剂和沥青熔融共混；

2.对熔融共混的试样进行短期老化处理；

3.将紫外老化的试样进行紫外老化处理；

4.对不同样品进行针入度、粘度、DSR、红外光谱等测试。

2.2 实验方案及技术路线

实验所选沥青有盘锦90^#基质沥青、SBS沥青和SBR沥青。

改性剂选择紫外光吸收剂（Tinuvin770）和类水滑石化合物（LDHs）。

实验设计初步如下表2.1：

表2.1 基础方案

在此基础上进行复配设计，包括性能和经济成本分析，满足抗老化指标。复配方案如下表2.2，为方便表示复配方案，表中“1”代表1份改性剂，即0.6% Tinuvin770或5%LDHs；“0.5”代表0.5份改性剂，即0.3% Tinuvin770或2.5%LDHs：

表2.2 单一改性及复配改性方案

2.3 实验步骤

2.3.1 样品制备

将适量的沥青原料置于135±5C的烘箱中加热后，取出300g左右倒入剪切桶中，置入剪切头至被沥青浸没。以4kr/min-5kr/min的剪切速率预剪切30min，同时保持温度稳定在160±5C。然后再添加复配改性剂，由于不同改性剂的老化特性不同，因此对剪切速率及时间有不同的要求，两种添加剂的熔融共混方法在表2.3中列出。熔融共混工艺实物图见图2.1。

表2.3 熔融共混工艺

图2.1 熔融共混工艺实物图

2.3.2 短期老化

薄膜烘箱老化的实物图如图2.2。薄膜烘箱具有双层结构，同时电热系统附有温度调节器，可以将温度保持在163C±0.5C，减小实验误差。薄膜烘箱门上有一双层耐热的玻璃窗，通过此窗可以观察到薄膜烘箱内部试验情况，保证实验正常进行。薄膜烘箱的加热元件应位于烘箱的顶板下方，调整成水平状态。

依据《JTGE20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0608-2011规定，实验过程如下：取标准老化盘洗净、烘干，在干燥器中冷却后，称取老化盘的质量，准确至0.1g。加热薄膜烘箱至163C，使箱内空气加热均匀。将沥青试样，逐个注入每个老化盘中，其质量为50g±0.5g，测定总重。再与其他老化盘同时放入烘箱，使烘箱中环形架以15r／min±0.2r／min速度转动。同时加热，使烘箱的温度在10min回升到163C±0.5C，在163C±0.5C温度受热5h。老化完成后，立即逐个取出老化盘，称取总质量。