沥青路面在长期使用过程中受到热、氧、紫外老化的影响，沥青路面的耐久性问题一直以来是广大科研工作者研究的热点问题^[1-4]。由于沥青路面在使用过程中的老化作用，沥青胶结料性能衰减，导致路面的耐久性降低和使用寿命缩短。《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定的旋转薄膜烘箱老化试验及长期压力老化试验有效地模拟了沥青混合料拌和及运输过程中的初期老化和长期使用过程中的老化，但关于紫外老化对沥青性能的影响没有提出明确的试验方法。现有研究大多考虑了短期老化和长期老化对沥青路面的影响，但关于紫外老化及其与PAV交互老化的影响研究还未见报道。而实际上，紫外老化对沥青路面使用性能的影响是非常显著的，尤其是在高海拔山区体现得尤为突出，因此紫外老化对沥青的老化作用是不容忽视的^[5-7]。SBR改性沥青以其优良的低温性能广泛应用于高海拔寒冷地区，因此，开展交互老化对SBR改性沥青性能的影响研究符合该地区的应用实际，也是非常必要的。

1 试验部分 1.1 原材料

基质沥青为韩国GS90^#，SBR改性剂为山东显元化工科技有限公司，SBR改性沥青基本性能指标见表 1。

1.2 仪器与设备

1) 紫外老化加速箱，天津市港源试验仪器厂；

2) 动态剪切流变仪，TA公司生产的discovery系列；

3) 低温弯曲蠕变仪，型号SYD-0715；

4) 红外光谱仪，型号TENSOR П；

5) 差示量热分析仪，型号DSC200F3。

1.3 试验方案 1.3.1 室内模拟紫外老化

文中试验紫外老化箱采用PHILIPS TL 60W/10R UV紫外线灯，其紫外光辐射强度为500 W/m²，该老化箱1 d的实验室模拟紫外光总辐射量Q_R=500 W/m²×24 h/d=1.2 Wh·cm^-2·d^-1。取四川省马尔康地区的地区相同时间下太阳紫外光总辐射量Q_Z=0.020 93 Wh·cm^-2·d^-1[8]，则该老化箱加速率${A_u} = \frac{{{Q_R}}}{{{Q_z}}} = \frac{{1.2}}{{0.02093}} = 57.33 $。参考文献[1]关于室内老化时间的计算方法，结合马尔康地区的自然情况，以该地区平均日照7 h计算，则每年日照时间约为2 555 h。考虑紫外灯的折减系数约为1.11，则模拟6年的紫外老化需要的室内辐照时间为：$ t=\frac{6 \times 2555 \times 1.11}{57.33}=296.8 \approx 297 \mathrm{h}$。为确保沥青样品老化均匀，本次试样厚度为1±0.5 mm，如图 1所示。

1.3.2 试样制备

将SBR原样沥青进行初期老化，得到RTFOT后的老化沥青，编号为1^#，将1^#样品分别进行PAV老化和UV老化，得到2^#和3^#试样；再将2^#试样经过UV老化，得到4^#试样，将3^#试样经过PAV老化，得到5^#试样。

1.4 性能测试

动态剪切流变(DSR, dynamic shear rheological test)试验：采用应变控制模式，设置原样沥青应变值为12%，老化沥青的应变值为10%，ω=10 rad/s，温度范围52~76 ℃；

蠕变劲度试验(BBR, bending beam rheometer)：测试沥青-12 ℃和-18 ℃下的劲度模量S和蠕变速率m值；红外光谱(IR, infrared spectroscopy)试验：光谱扫描范围为500~4 000 cm^-1，分辨率4 cm^-1，扫描次数为16次；

差示扫描量热(DSC)试验：试验升温速率10 ℃/min，氮气流速30 mL/min，试验起始温度-40 ℃，结束温度为5 ℃。

2 结果与讨论 2.1 SBR改性沥青交互老化前后的流变性能分析 2.1.1 复数模量G^*分析

复数模量G^*是表征沥青抵抗变形的总能力，G^*越大，沥青高温抵抗变形能力越强^[9-10]。文中采用DSR温度扫描试验测试了1^#~5^#沥青复数模量，测试结果如图 2所示，其相应数据见表 2所示。

由图 2可见，在52~76 ℃温度变化范围内，随着温度的升高，5种沥青的复数模量曲线均急剧下降，最后趋于平缓，并呈现重合的趋势，表明随着温度升高，各种老化沥青抵抗高温变形的能力均显著下降，且抗变形能力差距也显著减小。这是由于随着温度的升高，沥青逐渐从弹性状态转变成黏性状态，沥青中黏性部分增多，从而使沥青恢复变形的能力减弱，抗变形能力降低。从老化方式一看，同一温度下，复数模量由小到大的顺序为：1^#＜2^#＜4^#；从老化方式二看，复数模量由小到大的顺序为：1^#＜3^#＜5^#，说明随着老化程度的推进，沥青中轻质组分挥发，同时沥青胶质转化为沥青质^[11]，SBR改性沥青的复数模量逐渐增大，故抵抗高温变形能力增强。相同温度下，5种沥青的复数模量由小到大的顺序为：1^#＜3^#＜2^#＜4^#＜5^#，表明老化程度和老化顺序对SBR改性沥青高温流变性能影响不同。比较2^#曲线和曲线3^#并结合表 2数据分析得出，PAV老化对经历了RTFOT老化后的SBR老化沥青流变性能的影响程度比UV老化稍显严重；比较4^#曲线和曲线5^#并结合表 2数据分析可知，老化方式二对SBR改性沥青的影响程度要大于老化方式一。

2.1.2 相位角δ分析

相位角δ是沥青黏性和弹性变形数量的相对指标，δ越小沥青越接近于弹性体^[12]。文中采用DSR温度扫描试验测试了1^#~5^#沥青52~76 ℃温度范围内的相位角，通过相位角的变化规律表征沥青老化程度，测试结果见图 3所示，其相应数据见表 3所示。

图 3表明，随着温度的升高，5种沥青的相位角均表现为逐渐增大，表明沥青逐渐从弹性体转变为黏性体，高温抗变形能力减弱。相同温度下，5种沥青的相位角大小顺序为：1^#＞3^#＞2^#＞4^#＞5^#，其变化规律排序和复数模量变化规律保持一致，老化程度和老化组合方式不同，对SBR改性沥青高温流变性能影响不同。由表 3数据可以看出，以76 ℃试验温度为例，老化后的4种沥青相较于RTFOT老化沥青相位角依次下降了15.8%、13.9%、23.2%、30.2%，SBR改性沥青先经历PAV老化再经历紫外老化相位角下降了7.4%，先经历紫外老化再经历PAV老化相位角下降了16.3%，进一步表明，不同老化顺序对SBR改性沥青的老化作用有着较显著的影响，老化方式二大于老化方式一。

2.1.3 车辙因子G^*/sin δ分析

车辙因子G^*/sin δ是用来表征沥青高温下抗车辙能力的指标。在试验中，采用车辙因子间接评价SBR改性沥青老化程度，试验结果见图 4所示。

由图 4可知，5种沥青车辙因子曲线的横纵向变化规律同复数模量、相位角表现的规律一致。值得注意的是，随着温度的不断升高，5条曲线表现为“聚拢”的趋势，这表明SBR改性沥青的高温流变性受老化程度的影响随着温度的升高逐渐增强，SBR改性沥青在高温时受老化的程度较中低温严重。SBR改性沥青经历方式一和方式二老化后最终残留物的车辙因子4^#＜5^#，表明老化方式二对SBR改性沥青高温流变性的影响更严重。综合分析图 3和图 4发现，2^#曲线和曲线3^#始终比较接近，表明RTFOT+PAV老化方式与RTFOT+UV老化方式对SBR改性沥青的高温流变性能和老化性能的影响程度比较接近；进一步分析比较2图中的2^#、3^#、4^#和5^#曲线发现，相对于2^#和3^#曲线，4^#和5^#曲线在图中的位置发生了明显偏移，表明2^#和3^#试样分别进一步经历UV和PAV老化后，其流变性能和老化性能发生了显著变化。因此不难得出，单纯的UV和PAV对沥青老化几乎有着相近的贡献，忽略任何一种老化都是脱离沥青路面的实际应用情形的，不同的老化顺序对SBR改性沥青流变性能和老化程度的影响又各不相同。

2.1.4 劲度模量S值和蠕变速率m值分析

BBR低温弯曲蠕变试验是通过低温弯曲流变仪自带软件进行加载试验，一般取第60 s的劲度模量S与蠕变速率m作为PG性能试验分级的依据^[13-14]。文中测试了5种沥青分别在-12 ℃和-18 ℃下的劲度模量和蠕变速率，结果分别如图 5和图 6所示，其相应数据见表 4。

由图 5和图 6可见，无论是-12 ℃还是-18 ℃，5种沥青试样的劲度模量的大小顺序均表现为1^#＜2^#＜3^#＜4^#＜5^#，而蠕变速率均表现为1^#＞2^#＞3^#＞4^#＞5^#，表明老化程度和老化组合方式不同，对SBR改性沥青低温流变性能影响不同。无论是老化方式一还是老化方式二，随着老化程度的加深，沥青的劲度模量均逐渐增大，蠕变速率均逐渐减小，这是因为老化加速了沥青轻质组分的挥发，使得沥青材质变硬变脆，沥青的应力松弛能力变差，低温抗裂性下降。从表 4可以看出，紫外老化对SBR改性沥青低温性能的影响不容忽视，具体表现为沥青经历初期老化之后，再经历紫外老化比经历PAV老化劲度模量增幅更大，蠕变速率减幅更大，表明相较于PAV老化，紫外老化对SBR改性沥青低温抗裂性能的影响更严重；由表 4还可得出，以-18 ℃为例，老化后的4种沥青相较于RTFOT老化沥青劲度模量依次增加了5.9%、7.1%、19.7%、24.5%，表明老化方式二比老化方式一对SBR改性沥青的低温抗裂性能影响更显著。

2.2 SBR改性沥青交互老化前后机理分析 2.2.1 红外光谱IR分析

红外吸收光谱法(IR)是研究沥青及聚合物官能团性能特性最常用的方法之一^[15-17]。文中采用红外光谱仪分别测试了1^#~5^#沥青500~4 000 cm^-1范围内的红外光谱图像，测试结果如图 7所示。

图 7是5种老化沥青的红外光谱图。在3 440 cm^-1处是羟基—OH的振动吸收峰，在1 600~1 700 cm^-1处是苯环C＝C双键骨架和C＝O振动吸收峰；在1 450 cm^-1附近吸收峰是亚甲基—CH₂—的弯曲振动和甲基CH₃—不对称弯曲振动的叠加；而在2 900 cm^-1附近则是饱和烃及其衍生物伸缩振动吸收峰。

对比分析图 7中的2组红外光谱曲线(1^#、2^#和4^#以及1^#、3^#和5^#)可以看出, 相对于1^#曲线，2^#和4^#曲线在1 450 cm^-1附近吸收峰明显减弱，说明PAV或者UV老化使经过RTOFT后的SBR改性沥青中亚甲基和甲基含量减少，这主要是因为老化过程是沥青轻质组分挥发减少所致; 相对于2^#曲线和4^#曲线，3^#和5^#曲线在1 450 cm^-1附近吸收峰又有所增强，表明沥青中亚甲基—CH₂—和甲基CH₃—含量略有增加，这主要是紫外老化使沥青中的双键发生断链进而生成了甲基和亚甲基所致；而在1 600~1 700 cm^-1处的特征峰变化并不明显，可能是因为老化过程中尽管生成了羰基，但同时沥青中碳碳双键C＝C被破坏，导致在此处的吸收峰变化不大，也可能是因为老化过程中生成的羰基发生了部分水解生成了羟基，这可以通过对比图中3 440 cm^-1附近的羟基吸收峰得以验证。PAV老化与UV老化有着各自不同的机理：PAV老化机理主要是沥青湿热氧化生成羰基C＝O，而UV老化机理主要是沥青中的碳碳双键C＝C被破坏。

进一步分析图 7中的4^#和5^#2条红外曲线可知，5^#曲线在1 450 cm^-1附近和3 440 cm^-1附近吸收峰明显强于4^#曲线，表明5^#试样中亚甲基和甲基含量较大，而且同时生成了更多的由羰基转化而来的羟基，证明老化方式二对SBR改性沥青的老化作用强于老化方式一。

2.2.2 差示扫描量热分析DSC

文中通过研究交互老化对SBR改性沥青玻璃态转变温度的影响来评价其低温性能^[16]，进而探究交互老化对SBR改性沥青老化程度的影响。采用差示量热扫描法分别测试了1^#~5^#沥青试样玻璃化转变温度T_g及热焓ΔH，测试结果见图 8和表 5所示。

从图 8可知，5种沥青试样的曲线变化趋势几乎保持一致，仅在吸热峰位置和吸热面积上存在差异。随着温度的升高，沥青从玻璃态逐渐转变到高弹态，再由高弹态转变到粘流态。由表 5可知，5种沥青的玻璃化转变温度T_g值1^#＜2^#＜3^#＜4^#＜5^#，表明随着老化程度的加深，SBR改性沥青的低温性能越来越弱；对比2^#和3^#试样发现，初期老化后，SBR改性沥青经历长期老化比经历紫外老化玻璃化转变温度T_g更低，表明紫外老化对SBR改性沥青低温性能影响更严重；T_g值4^#＜5^#表明，老化方式二对SBR改性沥青低温性能影响更严重；由T_g值大小顺序1^#＞3^#＞5^#及1^#＞2^#＞4^#可知，随着老化程度的加深，SBR改性沥青经过交互老化后，其低温性能进一步降低，这正是2种老化方式不同的老化机理叠加的直接体现。

3 结论

1) 单独的UV(辐照297 h)和PAV老化对经历短期老化后的SBR改性沥青的流变性能都有显著影响，且影响效果比较接近，表明UV对于沥青的老化作用是非常明显的，因此，在高海拔地区，紫外老化对SBR改性沥青的性能影响不容忽视。

2) 不同顺序的交互老化方式对经历初期老化后的SBR改性沥青的流变性能有着明显不同的影响特征，先经历PAV老化再经历紫外老化复数模量增量更大，而先经历紫外老化再经历PAV老化劲度模量增幅更大，蠕变速率减幅更大，紫外老化对SBR改性沥青低温性能的影响更严重。

3) PAV老化与UV老化有着各自不同的机理：PAV老化机理主要是沥青湿热氧化生成羰基C＝O，而UV老化机理主要是沥青中的碳碳双键C＝C被破坏，交互老化的最终结果正是这2种老化机理的叠加。