CN103196818A - 沥青紫外线光老化强度分区测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沥青紫外线光老化强度分区测试方法，具体步骤为：确定选用两种不同类型的紫外线光源；根据不同的紫外线辐照光源，通过使用UV辐照计或UV能量计测定紫外光的强度，分别进行紫外线光辐照强度的空间分布测定；根据试验需求的室外紫外线辐照要求，将室外紫外线辐照总有效时间转化成室内紫外线辐射总有效时间；根据不同的紫外线光源类型及已确定的紫外线光辐照强度的空间分布情况，进行沥青老化盘分区设计；考虑现行试验规范中沥青热老化试验要求及分区老化盘设计，提出了光老化试验沥青试样用量准备方法；根据上述步骤进行光老化室内模拟试验后，进行沥青宏观、微观性能试验，并综合试验温度、紫外线辐照强度、紫外线辐照时间等试验因素，进行沥青抗紫外线老化性能综合分析。本测试方法设计合理，翔实具体，试验操作简便易行。

Description

沥青紫外线光老化强度分区测试方法

技术领域

本发明属于公路及城市道路领域，具体涉及一种沥青紫外线光老化强度分区测试方法。

背景技术

沥青在贮运、加工、施工过程中，会发生一系列的物理及化学变化，如蒸发、脱氢、缩合、氧化等，使沥青逐渐硬化、变脆，不能继续发挥其原有的粘结或密封作用，造成短期老化。路面在后续服务期中，白天受日光强烈辐射，紫外线使沥青面层进一步老化，沥青变得干涩、脆硬，低温劲度增加、破坏应变减小，极易形成温缩裂缝；同时其粘度进一步下降，与集料的粘附性变差，容易引起路面龟裂，更严重时沥青从集料表面脱落，唧浆、松散、脱落形成坑槽，坑槽内积水渗入到面层下，产生水损害破坏，从而影响沥青路面的使用寿命。但是目前关于道路沥青的老化研究主要集中在短期热老化，许多研究成果己转变成标准规范，在实际工程中得到了广泛的应用。而对紫外线引起的沥青光老化研究较少。

我国青海、西藏、新疆等西北部地区海拔高、空气稀薄、紫外线辐射强烈，加之高寒、干旱、风沙、盐碱等自然环境的综合作用，容易使沥青路面产生裂缝、坑槽、剥落等病害，大大缩短了路面的服务期限。因此，有必要对沥青的紫外光老化进行系统研究。但由于在自然条件下沥青的老化周期较长，一般为18~30个月。为了能够快速获取沥青的光老化规律，需要采用人工强紫外线光源环境箱的试验方法进行加速紫外光老化模拟试验。

加速紫外光老化模拟试验将沥青短期热老化与紫外光氧老化结合起来，是一种能够较好模拟沥青长期野外老化的测试方法。室内沥青紫外光老化试验中一般采用紫外线高压汞灯，其紫外线辐射强度受电压、距离、温度、镇流器输出功率等因素的影响，具体表现为：电压增高或镇流器输出功率增大时，灯管的工作电流增大，使银灯丝发射较多的电子，紫外线辐射强度增加；灯管可视为无数个光亮点辐射紫外线，随着距离增加，以灯管为中心点的球面以几何级增加？，辐射强度指数曲线急剧下降；当温度升高时，汞蒸汽易激发，辐射强度也相应增强；在冬季低温季节紫外线强度稳定时间延长，反映灯管通电后逐渐升温，强度逐渐增大，达一定平衡点后，逐步稳定。

现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中没有关于沥青紫外光老化的试验规定。以往光老化试验中，试样均采用该规程中T0609-2011沥青薄膜加热试验及T0610-2011沥青旋转薄膜加热试验中的老化盘即盛样皿进行准备，但这就存在一个很大的问题：规程中的老化盘呈圆盘状，内径140mm，深9.5mm~10mm，由于（旋转）薄膜烘箱中温度均匀，可保证老化盘中沥青试样各点温度一致。而紫外线光源 辐射出的紫外线强度存在空间分布，在灯轴线中心的垂线上，紫外线强度随水平辐射距离的增大而衰减，所以常规老化盘中的沥青会处于不均一的紫外光下。因此，有必要对沥青紫外线光老化室内试验进行改进，以获得更为精确理想的试验条件，较好地模拟沥青的长期野外老化，进而全面分析沥青抗紫外线老化性能。

本发明在同济大学叶奋教授提出的紫外线老化仿真系统的基础上，进一步优化，提出了一种沥青紫外线光老化强度分区测试方法，以期为后续沥青光老化相关研究提供技术支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沥青紫外线光老化强度分区测试方法。

本发明提出的沥青紫外线光老化强度分区测试方法，具体步骤如下：

(1)、紫外线光源类型的确定

按照紫外线光源所产生的紫外光辐射下的面积形状，将室内光老化试验中的紫外线分为环状紫外光和带状紫外光。环状紫外光由反射型黑光高压汞灯产生，由蘑菇型或橄榄型灯头辐射出，功率为125W~400W。带状紫外光由强紫外线高压汞灯产生，由圆柱形的灯管辐射出，功率为100W~25kW。

(2)、紫外线光辐照强度的空间分布确定

由于紫外线高压汞灯的紫外线强度受电压、距离、温度、镇流器输出功率等因素影响，所以当室内紫外线老化汞灯选型确定且安装好，并根据具体外界环境温度采取一定的温度调节措施（如安装风机、风扇等）后，紫外线光辐照强度的空间分布可确定。

若为环状紫外光源，准备一张A3硬纸，以投射下光圈的中心最亮点为圆心A₀，用圆规以半径1cm、2cm、……、ncm、……等画出同心圆，由内向外紫外光强度由强到弱，并在其上画出两个垂直的直径。直径与半径为ncm的圆的交点作为紫外线强度的测点An、Bn、Cn、Dn。使用UV辐照计或UV能量计依次测定记录各点的光强度值。

若为带状紫外光源，准备一张A3硬纸，以投射下最亮的一条带状光作为中心光带，在A3纸上画出其所辐照区域的长方形，在其两侧依次分别画出同宽同长的紫外光强度测试区域，由内向外紫外光强度由强到弱。画出横纵向两条中心线。以图2中标注的An、Bn、Cn、Dn作为测点，使用UV辐照计或UV能量计依次测定记录各点的光强度值。

在未进行沥青光老化前，测定以上测点的紫外光强度值作为初始强度，在进行沥青光老化一定时间段后再进行强度测定，直至沥青老化试验完成。通过分析测定的紫外线光辐照强度值，获取所采用的紫外线光源的辐照强度空间分布情况及强度衰变情况。

 (3)、紫外线光辐照时间的确定

根据选定的（不同类型的）紫外线光源的空间强度分布及衰变情况，结合试验需求，将室外紫外线辐射总有效时间转化成室内紫外线辐射总有效时间。

 (4)、紫外线光老化沥青老化盘分区设计

根据不同的紫外线光源类型及步骤(2)中的紫外线光辐照强度的空间分布情况，对沥青老化盘进行分区设计。若为环状紫外光，老化盘需根据紫外线汞灯的形状及初始实测强度进行设计，大致为圆环状（如图3）；若为带状紫外光，老化盘需根据紫外线汞灯的形状及初始实测强度进行设计，大致为矩形（如图4）。

 (5)、光老化沥青试样准备

由于沥青光老化前需进行短期热老化试验，所以，需达到现行《沥青及沥青混合料试验规程》中热老化试验对沥青膜厚度的规定。短期老化后的沥青按照试验需要的沥青膜厚度确定各辐照区的沥青用量。如沥青膜厚为dmm，则：

圆环状老化盘第n强度区的沥青用量为：π（r _n ²  -r _n-1 ² ）×d

带状老化盘第n强度区的沥青用量为：w _n ×l另外，进行沥青荧光显微镜试验及表面能试验时，若不进行热老化，可直接在载玻片上制备沥青样品，然后根据光照强度分区，在光源下按照分区放置样品并进行相应标记，以达到分强度测试的目的。

(6)、紫外线室内光老化分强度模拟试验

在进行紫外线光老化前，首先需要进行薄膜烘箱老化（TFOT）或旋转薄膜烘箱老化（RTFOT）模拟短期热老化，即沥青在拌合、运输、摊铺中的热老化。将经过短期热老化的试样放置在室内紫外线光老化试验箱中接受强紫外线辐射。

通过试验室室内空调、外用风扇等措施控制紫外线老化箱内的温度，冬季、夏季分别使沥青表面温度控制在20℃、40℃以下，以避免沥青试样的热老化。

(7)、沥青试样性能测试试验

将光老化后的沥青试样取出并进行性能测试试验，主要包括：

宏观试验：沥青表面观测、针入度、延度、软化点；

微观试验：沥青族组成分析试验、Superpave试验（BBR试验、DSR试验）、红外光谱试验、热分析试验（DSR试验、热重分析试验等）。

(8)、结果分析

综合试验温度、紫外线辐照强度、紫外线辐照时间、沥青性能试验等测试结果，进行沥青抗紫外线老化性能对比、评价分析。

本发明包括了室内光老化试验中紫外线光源的类型选择及相应的辐照强度的空间分布确定，室内外紫外光照时间的换算，光老化沥青盛样皿即老化盘的分区设计，沥青试样准备，紫外线老化辐照试验及沥青各项性能检测试验。通过本测试方法的实施，可确保沥青紫外线室内试验能够较好地模拟室外环境，全面分析沥青紫外线老化程度，揭示沥青紫外线老化过程中的变化规律。本测试方法设计合理，翔实具体，试验操作简便易行。

附图说明

图1 环状紫外线光辐照强度的空间分布测定。      

图2 带状紫外线光辐照强度的空间分布测定。

图3 环状光老化强度分区沥青老化盘。            

图4 带状光老化强度分区沥青老化盘。

图 5 实施例1所采用紫外线光源。            

图 6 实施例1紫外辐照强度测定。

图7 实施例1中所设计采用老化盘。a）老化盘示意图，b）老化盘实物图，单位：mm,深度h为5-10,壁厚d为0.7~1,高强区内径r1为20,中强度内径r2为40,低强度内径r3为60。             

图8 实施例2中1kw强紫外线高压汞灯。          

图 9 实施例2中紫外透射玻璃。

图10 实施例2中所设计采用老化盘。单位：mm。深度5-10；高强区宽度40；低强度宽度30。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1：

1、紫外线光源类型的确定

试验采用AIUREB（人工强紫外线光源环境箱）作为紫外线光源（如图5），共采用反射型黑光高压汞灯6个，功率均为125W，其辐射下的形状为圆环状。

2、紫外线光辐照强度的空间分布确定

实施例中选用紫外辐照计进行紫外光强度测试，测试探头底端直径为29mm。准备一张A3硬纸，确定圆心A₀，用圆规以半径2cm、4cm、6cm画出同心圆，并画出两条直径。两条直径与三个同心圆的交点作为紫外光强度测点A₁、B₁、C₁、D₁ ，A₂、B₂、C₂、D₂，A₃、B₃、C₃、D₃。然后分别以测点为圆心，画出直径为29mm的圆形作为测试探头的放置点，以便于后续的快速测试（如图6）。将以上步骤确定的测点位置剪成图6中的测位样纸。

进行紫外光强度测试时，将图6中测位样纸的中心与反射型高压汞灯辐照下的最强光点重合放置，然后按照测点由强至弱（即由内至外）依次进行光强度测试。初始紫外强度测试值如表1所示。另外，每次进行紫外光强度测试时，同步进行测点温度测试。

表1 实施例汞灯初始紫外强度（单位μW/cm²）

灯序	A0	A1	B1	C1	D1	A2	B2	C2	D2	A3	B3	C3	D3
														1	460	97	96	77	82	42	41	32	34	24	28	21	21
2	460	77	84	73	68	34	38	38	32	21	27	29	24
														3	630	107	122	110	105	45	46	42	46	31	36	27	32
4	650	120	102	104	130	56	51	48	55	32	34	33	37
														5	580	92	102	95	102	43	45	46	47	29	29	26	33
6	620	130	96	125	125	48	39	46	46	27	22	30	30

实施例中在每天光照结束后进行各个汞灯的紫外强度测试，整个光老化试验结束后进行紫外光强度空间分布分析及衰变规律分析。试验正在进行中，此处暂不给出具体试验结果。

3、紫外线光辐照时间的确定

实施例中选用Shell70#基质沥青作为测试沥青。以5天作为一个测试周期，分别成样，作为原样、5天、10天、15天、20天、25天、30天期的试验沥青备用。紫外线室内外老化时间换算根据步骤2中的最终测试结果进行换算得出。

实施例中每个老化时间下准备2份沥青样品作为平行试验。

4、紫外线光老化沥青老化盘分区设计

根据不同的紫外线光源类型及上述步骤2中的紫外线光辐照强度的空间分布情况，对沥青老化盘进行分区设计，实施例中老化盘设计制作如图7所示。

5、光老化沥青试样准备

由于沥青光老化前需进行短期热老化试验，所以，需达到现行《沥青及沥青混合料试验规程》中热老化试验对沥青膜厚度的规定。规程中，沥青盛样皿半径70mm，沥青50g，所以沥青膜厚为50/(π70²) 。考虑紫外线对沥青的影响深度约1mm，所以在分区老化盘中的沥青用量可计算如下。

以图7中老化盘为例，各区所需沥青用量为：

高强区：1* (π20²)=1.26g；

中强区：1*π(39²-20²)=3.52g；

低强区：1*π(59²-40²)=5.91g。

6、紫外线室内光老化分强度老化试验

在进行紫外线光老化前，实施例中首先进行TFOT模拟短期热老化，即沥青在拌合、运输、摊铺中的热老化。将按照步骤5确定的沥青浇注至老化盘中后，将老化盘放置在温度为163℃的旋转薄膜烘箱中热老化5h后取出，冷却至室温，然后进行老化盘序号标记，并将其放置于室内紫外线光老化试验箱中接受强紫外线辐射。

实施例中采用的紫外老化仿真系统中除了两侧各安装一个风机外，并在前方放置一个可旋转风扇，保证温度约为40℃。

7、沥青试样性能测试试验

将达到老化预定时间的沥青样品取出妥善保存，所有老化时间下的光老化试验全部完成后进行性能测试试验。

由老化后的沥青样品外观观测可知，随着老化时间的延长，沥青光泽逐步消失。

实施例中后续将进行软化点、DSR、红外光谱试验、表面能试验。

8、结果分析

实施例将综合试验温度、紫外线辐照强度、紫外线辐照时间、沥青性能试验等测试结果，进行沥青抗紫外线老化性能对比、评价分析。

实施例2：

1、紫外线光源类型的确定

试验采用强紫外线高压汞灯作为紫外线光源（如图8），功率均为1kW，其辐射下的形状为方形。

通过采用光纤光栅分光光谱强度测定仪进行强紫外线高压汞灯的光谱组成分析，为了较好地模拟紫外线，根据光谱测定结果在汞灯下方设置安装相应的滤光片（如图9）。

考虑所辐照的紫外线强度大小与距离光源的远近成反比例，所以紫外光源装置中老化盘放置阀设计为可调节高度，其调整幅度为50cm。

2、紫外线光辐照强度的空间分布确定

实施例中选用紫外辐照计进行紫外光强度测试，测试探头底端直径为29mm。准备一张A3硬纸，画出长15cm、宽4cm的长方形区域作为高强区，在此范围两侧外分别画出长15cm、宽4cm的长方形区域作为低强区。如图2中所示测点确定方法，标记A₀、B₀、A₁、B₁、C₁、D₁ 、A₂、B₂、C₂、D₂作为紫外光强度测点，然后分别以测点为圆心，画出直径为29mm的圆形作为测试探头的放置点，以便于后续的快速测试。将以上步骤确定的测点位置剪成测位样纸。

进行紫外光强度测试时，将测位样纸的中心与高强度紫外线汞灯辐照下的强光部分重合放置，然后按照测点由强至弱（即由内至外）依次进行光强度测试。另外，每次进行紫外光强度测试时，同步进行测点温度测试。

3、紫外线光辐照时间的确定

以2天作为一个测试周期，分别成样，作为原样、2天、4天、6天、8天、10天期的试验沥青备用，每个老化时间下准备2份沥青样品作为平行试验。紫外线室内外老化时间换算根据步骤2中的最终测试结果进行换算得出。 

4、紫外线光老化沥青老化盘分区设计

根据不同的紫外线光源类型及上述步骤2中的紫外线光辐照强度的空间分布情况，沥青老化盘进行分区设计，实施例中老化盘设计制作如图10所示，中间为高强区，两侧为对称低强区。                                  

 5、光老化沥青试样准备

按照实例1中试样准备方法，在分区老化盘中的沥青用量计算如下。

以图10中老化盘为例，各区所需沥青用量为：

高强区：1× (150×40)=6.00g；

低强区：1 ×(150×30)=4.50g。

6、紫外线室内光老化分强度老化试验

在进行紫外线光老化前，首先进行沥青TFOT模拟短期热老化，即沥青在拌合、运输、摊铺中的热老化。将按照步骤5确定的沥青浇注至老化盘中后，将老化盘放置旋转薄膜烘箱中温度163℃下热老化5h，取出放置室温后，进行老化盘序号标记后，将其放置于室内紫外线光老化试验箱中接受强紫外线辐射。并保证老化箱中试验温度约为40℃。

7、沥青试样性能测试试验

将达到老化预定时间的沥青样品取出妥善保存，所有老化时间下的光老化试验全部完成后进行性能测试试验，如外观、软化点、DSR、红外光谱试验、表面能等试验。

8、结果分析

实施例2将综合试验温度、紫外线辐照强度、紫外线辐照时间、沥青性能试验等测试结果，进行沥青抗紫外线老化性能对比、评价分析。

Claims (1)

1.一种沥青紫外线光老化强度分区测试方法，其特征在于具体步骤如下：

 (1)、紫外线光源类型的确定

按照紫外线光源所产生的紫外光辐射下的面积形状，将室内光老化试验中的紫外线分为环状紫外光和带状紫外光；环状紫外光由反射型黑光高压汞灯产生，由蘑菇型或橄榄型灯头辐射出，功率为125W~400W；带状紫外光由强紫外线高压汞灯产生，由圆柱形的灯管辐射出，功率为100W~25kW；

(2)、紫外线光辐照强度的空间分布确定

紫外线高压汞灯的紫外线强度受电压、距离、温度和镇流器输出功率影响，当室内紫外线老化汞灯选型确定且安装好，根据具体外界环境温度采取温度调节措施，紫外线光辐照强度的空间分布确定；

若为环状紫外光源，准备一张A3硬纸，以投射下光圈的中心最亮点为圆心A₀，用圆规以半径1cm、2cm、……、ncm、……画出同心圆，由内向外紫外光强度由强到弱，并在其上画出两个垂直的直径；直径与半径为ncm的圆的交点作为紫外线强度的测点An、Bn、Cn、Dn；使用UV辐照计或UV能量计依次测定记录各点的光强度值；

若为带状紫外光源，准备一张A3硬纸，以投射下最亮的一条带状光作为中心光带，在A3纸上画出其所辐照区域的长方形，在其两侧依次分别画出同宽同长的紫外光强度测试区域，由内向外紫外光强度由强到弱；

画出横纵向两条中心线；

以An、Bn、Cn、Dn作为测点，所述测点是半径为ncm对应的四个边界点，使用UV辐照计或UV能量计依次测定记录各点的光强度值；

在未进行沥青光老化前，测定以上测点的紫外光强度值作为初始强度，在进行沥青光老化后再进行紫外线光辐照强度测定，直至沥青老化试验完成；

通过分析测定的紫外线光辐照强度值，获取所采用的紫外线光源的辐照强度空间分布情况及强度衰变情况；

 (3)、紫外线光辐照时间的确定

根据选定的不同类型的紫外线光源的空间强度分布及衰变情况，结合试验需求，将室外紫外线辐射总有效时间转化成室内紫外线辐射总有效时间；

 (4)、紫外线光老化沥青老化盘分区设计

根据不同的紫外线光源类型及步骤(2)中的紫外线光辐照强度的空间分布情况，对沥青老化盘进行分区设计；

若为环状紫外光，老化盘需根据紫外线汞灯的形状及初始实测强度进行设计，大致为圆环状；若为带状紫外光，老化盘需根据紫外线汞灯的形状及初始实测强度进行设计，大致为矩形；

 (5)、光老化沥青试样准备

由于沥青光老化前需进行短期热老化试验，所以，需达到现行《沥青及沥青混合料试验规程》中热老化试验对沥青膜厚度的规定；

另外，进行沥青荧光显微镜试验及表面能试验时，若不进行热老化，可直接在载玻片上制备沥青样品，然后根据光照强度分区，在光源下按照分区放置样品并进行相应标记，以达到分强度测试的目的；

(6)、紫外线室内光老化分强度模拟试验

在进行紫外线光老化前，首先需要进行薄膜烘箱或旋转薄膜烘箱模拟短期热老化，即沥青在拌合、运输、摊铺中的热老化；

将经过短期热老化的试样放置在室内紫外线光老化试验箱中接受强紫外线辐射；

通过试验室室内空调、外用风扇等措施控制紫外线老化箱内的温度，冬季、夏季分别使沥青表面温度控制在20℃、40℃以下，以避免沥青试样的热老化；

(7)、沥青试样性能测试试验

将光老化后的沥青试样取出并进行性能测试试验，主要包括：

宏观试验：沥青表面观测、针入度、延度、软化点；

微观试验：沥青族组成分析试验、Superpave试验、红外光谱试验和热分析试验；Superpave试验包括BBR试验和DSR试验，热分析试验包括DSR试验和热重分析试验；

(8)、结果分析

综合试验温度、紫外线辐照强度、紫外线辐照时间、沥青性能试验测试结果，进行沥青抗紫外线老化性能对比、评价分析。

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