青藏高原高海拔地区紫外老化对橡胶沥青性能影响的深入研究

本研究由新疆交通建设管理局项目执行二处的陈望平与长安大学的马晓燕共同完成，其研究成果以《高海拔地区紫外老化对橡胶沥青流变性能及微观结构的影响分析》为题，发表于《中国建材科技》期刊2025年2月第34卷第1期。该研究聚焦于道路工程材料领域，特别是改性沥青在特殊环境下的耐久性问题。

一、 研究背景与目的

青藏高原地区因其高海拔、强紫外线辐射的独特气候条件，对沥青路面的耐久性构成了严峻挑战。强烈的紫外线辐射容易导致沥青材料发生光氧老化，使其变脆、变硬，从而加剧路面温度收缩裂缝、龟裂、坑槽等病害的产生，缩短路面使用寿命。橡胶沥青作为一种环保且性能优良的改性沥青，通过将废旧轮胎胶粉掺入基质沥青中制成，不仅能有效处置固体废弃物，还能显著改善沥青的高低温性能。然而，尽管已有大量研究关注橡胶沥青的热老化及常规性能，但针对其在青藏高原这类高海拔、强紫外线辐射极端环境下长期性能衰变规律的系统研究仍相对缺乏。特别是紫外老化对橡胶沥青流变性能（即材料在应力应变作用下的变形与流动特性）和微观结构的渐进性影响机制，尚需深入探讨。

因此，本研究旨在模拟青藏高原典型地区（西宁）的紫外辐射环境，在实验室中对橡胶沥青进行加速紫外老化试验。通过系统分析不同老化阶段橡胶沥青的流变性能参数与微观结构形貌的变化，揭示其在高海拔强紫外线条件下的性能劣化规律与内在机理。研究成果期望为橡胶沥青在青藏高原等类似严酷环境地区的工程应用、性能评价与寿命预测提供关键的理论依据和数据支持。

二、 研究流程与方法详述

本研究流程设计严谨，环环相扣，主要包含原材料制备、紫外老化模拟、流变性能测试与微观结构分析四个核心步骤。

第一步：原材料制备与基本性能表征。 研究选用SK90号基质沥青、40目胶粉和轻质油制备橡胶沥青。其中，橡胶粉以外掺20%的比例、轻质油以外掺1%的比例，在185℃的温度下与基质沥青高速搅拌60分钟制成。制备完成后，依据规范对橡胶沥青的针入度、延度、软化点、布氏粘度等关键指标进行了测试（见表1），确保其满足技术要求，为后续老化研究提供了性能已知的基准样品。

第二步：室内加速紫外老化模拟试验。 这是本研究模拟现场环境的关键环节。首先，将制备好的橡胶沥青经过薄膜烘箱老化（TFOT）处理，以模拟施工期的短期热老化。随后，参考沥青薄膜加热试验方法，将其制成厚度为1毫米的均匀薄膜试样。紫外老化箱的参数设定基于对西宁地区（纬度36°37′）太阳辐射的详细计算。研究者通过太阳高度角公式计算了该地区的年平均太阳高度角范围（30°~76°）和太阳总辐射量（6680~8400 MJ/m²），并结合文献中关于青藏高原紫外辐射占比（约26.4%）的数据，推算出西宁地区的年紫外辐射量范围。在实验室中，他们控制老化温度在40℃以下，使样品每天接受16小时的紫外线照射，通过累积不同的照射时间（0、60、200、410、620、850、1050、1400、1700小时）来模拟不同的紫外辐射总量（0至96.42 kJ/cm²），从而得到一系列具有不同紫外老化程度的橡胶沥青试样（见表2）。这种方法成功地在室内重现了高海拔地区长期的紫外辐射累积效应。

第三步：橡胶沥青流变性能测试——温度扫描试验。 本研究采用动态剪切流变仪（DSR）来精确测量橡胶沥青的流变性能。在进行正式的温度扫描（Temperature Sweep） 试验前，必须确定材料的线性黏弹性区间，即保证测试时施加的应变不会破坏材料的结构。为此，研究者先进行了应变扫描（Strain Sweep）：在20℃至60℃的温度范围内，以1Hz的频率对试样施加递增的剪切应变，观察复数剪切模量（G*，表征材料抵抗剪切变形的总能力）的变化。他们确定当复数模量下降至初始值的95%时，对应的应变值为线性区的上限，并最终将温度扫描的加载应变设定为1.5%。在正式的温度扫描试验中，对9组不同紫外老化时长的试样，在52℃、58℃、64℃、70℃、76℃、82℃六个温度点下，以固定频率1Hz和应变1.5%的条件进行测试，记录每个温度点下的复数剪切模量（G*）和相位角（δ）。相位角反映了材料粘性成分与弹性成分的比例，其值越小，表明材料的弹性恢复特性越强。

第四步：橡胶沥青微观结构分析——原子力显微镜观测。 为了从微观尺度揭示紫外老化的影响，研究采用了原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM） 这一高分辨率表征技术。制样过程严格控制：从老化后的沥青样品上精确刮取0.05克，置于玻璃片上，在120℃下加热流平7分钟，再水平静置24小时以形成稳定、平整的观测表面。AFM能够以纳米级的分辨率三维成像材料表面的微观形貌。研究者对未老化及老化60、200、410、1050、1700小时后的橡胶沥青试样进行了AFM观测，重点关注其表面“峰状结构簇”（通常与沥青中蜡晶或某些微相结构相关）的数量、形态、尺寸以及整体粗糙度的变化，以期建立微观结构演变与宏观流变性能之间的联系。

三、 主要研究结果与分析

研究结果清晰地揭示了紫外老化时间与强度对橡胶沥青宏观流变性能和微观结构的系统性影响。

1. 流变性能的变化规律： 对温度扫描试验数据的分析（表3）得出了两个核心结论。首先，复数剪切模量（G*）随紫外老化呈指数增长。具体表现为：在紫外照射初期（特别是前400小时内），G*值随老化时间迅速升高；当照射时间超过400小时后，G*的增长速度明显放缓，但仍保持上升趋势。以52℃测试温度为例，未老化试样的G*为15890 Pa，经过1700小时老化后，G*增长至27659 Pa。这表明紫外辐射显著增强了橡胶沥青抵抗剪切变形的整体刚度，使其变“硬”。其次，相位角（δ）随紫外老化呈线性减小趋势。例如在52℃下，相位角从未老化时的63.67°下降至老化1700小时后的54.82°。相位角的减小意味着材料在受力后，弹性变形（可恢复部分）所占的比例增加，而粘性变形（不可恢复的流动部分）所占的比例减少，即材料的弹性恢复性能在老化后反而有所增强。

对上述现象的解释涉及复杂的材料化学变化： 对于沥青相，紫外老化引发光氧化反应，导致沥青分子中的不饱和键断裂，生成羰基、羧基等极性官能团，分子间发生缔合，平均分子量增大，从而使沥青本身变硬、弹性增强。对于橡胶粉相，紫外线会引发橡胶高分子链的断裂（降解），产生游离基并与氧气反应，导致胶粉中的凝胶含量降低，进一步分解。因此，橡胶沥青在紫外老化后流变性能的变化，是沥青组分氧化缩合（导致变硬）与橡胶粉降解（可能释放成分并改变网络结构）两者共同作用的综合结果。初期快速变化可能对应于易反应组分的消耗，后期变化趋缓则可能与反应深度及新结构的形成有关。

2. 微观结构的演变过程： AFM观测结果（图3）直观地展示了紫外老化对橡胶沥青表面纳米级形貌的深刻影响。随着紫外老化时间和辐射量的增加，橡胶沥青表面的峰状结构簇数量不断减少，形貌趋于平坦化。 这一过程并非均匀进行：在老化初期（前60小时）， 峰状结构簇数量减少最为显著，说明此阶段紫外辐射对微观结构的破坏性影响最为剧烈。在老化中期（60至410小时）， 微观形貌变化相对平缓，峰簇数量和颜色变化不大。当老化时间进一步延长（至1050、1700小时）， 可观察到峰状结构簇不仅数量减少，而且形态发生改变——它们逐渐变宽、起伏变弱，周围的平坦区域面积增大，颜色对比度发生变化。特别值得注意的是，在老化1700小时的试样中，AFM图像中出现了大量的“谷地”区域，这暗示着微观裂缝已经开始形成。 微观裂缝的萌生是材料脆性增加、韧性下降的直接标志，这从微观机制上解释了为何长期紫外老化后，橡胶沥青的低温抗裂性和抗疲劳性能会显著降低。

四、 研究结论与价值

本研究通过系统的实验，得出以下主要结论： 1. 紫外老化显著改变橡胶沥青的流变特性：复数剪切模量指数增长，材料刚度增加；相位角线性减小，弹性恢复性能增强。老化影响在初期（<400小时）最为剧烈。 2. 紫外老化对橡胶沥青的微观形貌具有渐进式破坏作用：导致表面特征结构（峰状结构簇）减少、平坦化，并在长期老化后诱发微观裂缝的产生。 3. 橡胶沥青的宏观性能劣化（如低温抗裂性下降）与其微观结构的损伤（如微裂缝形成）存在明确的对应关系。

本研究的科学价值在于，首次在室内模拟了青藏高原西宁地区的紫外辐射条件，系统量化了橡胶沥青在此环境下的流变性能衰变轨迹，并借助AFM技术从纳观尺度揭示了其微观结构损伤的演化过程，建立了“紫外辐射剂量-微观结构损伤-宏观流变性能”之间的关联，深化了对橡胶沥青光氧老化机理的理解。其应用价值突出，为在高海拔强紫外线地区选用和评估橡胶沥青提供了关键的性能衰变数据与理论依据，对指导该地区沥青路面的材料设计、养护决策和寿命预测具有重要的工程实践意义。

五、 研究亮点

本研究的亮点主要体现在三个方面： 1. 研究对象的特殊性： 针对性极强，专门研究橡胶沥青在“高海拔、强紫外线”这一极端且工程上十分重要的环境条件下的老化行为，填补了该细分领域的研究空白。 2. 环境模拟的精细化： 紫外老化试验的参数并非随意设定，而是基于对目标地区（西宁）地理和气候数据的详细计算（太阳高度角、辐射量换算），使室内加速老化试验更能反映实际环境载荷，提升了研究的可靠性与外推性。 3. 宏-微观相结合的研究方法： 创新性地将动态剪切流变仪（DSR）测得的宏观力学性能，与原子力显微镜（AFM）观测到的纳米尺度微观形貌变化进行关联分析，使结论不仅停留在现象描述，更深入到结构-性能关系的机理层面，研究层次更为深入和完整。

六、 其他有价值的内容

研究中关于线性黏弹性区间确定的步骤（应变扫描）体现了流变学测试的规范性，确保了后续温度扫描数据是在材料结构未被破坏的可靠范围内获取的。此外，文中提及的橡胶沥青制备工艺（胶粉外掺20%，185℃搅拌60分钟）以及其基本性能指标，为其他研究者复现或对比该研究提供了明确的材料基准。参考文献部分也列出了该领域相关的国内外研究，为有兴趣的读者提供了进一步追溯的线索。