在长期的服役期间内，沥青材料受紫外辐射、温度及水等多种因素的耦合作用发生不可逆转的老化现象，路用性能出现明显劣化，进而使沥青路面过早出现裂缝、坑槽、剥落等不良病害^[1-2]。其中，紫外辐射会诱发沥青中化学组分的转化，破坏沥青胶体结构稳定性，从而加速了沥青路面的性能劣化^[3-4]。鉴于此，有效控制沥青路面材料的紫外老化行为对实现沥青路面的长寿命化发展具有关键意义。

在现有研究中，主要通过在沥青载体中添加改性剂的手段来抑制或延缓沥青材料的紫外老化行为。现有研究中常用的抗紫外改性剂主要包括抗氧化剂类、层状硅酸盐类、纳米材料类、紫外光吸收剂及受阻胺类等^{[1, 5-8]}。其中，受阻胺光稳定剂(Hindered Amines Light Stabilizer, HALS) 主要通过捕获自由基、分散激发态能量、分解氢过氧化物等多种方式提高聚合物的稳定性，其抗紫外线效果优于传统的紫外线吸收剂，是目前效果最好的多功能紫外光稳定剂^[9-10]。研究人员认为受阻胺光稳定剂对自由基的捕获反应发挥着主要的抗紫外老化作用。

针对受阻胺类光稳定剂对沥青路面材料的路用性能及抗紫外老化性能的影响规律，研究人员已取得一定成果。然而，针对受阻胺类光稳定剂改性沥青的热力学性能、官能团组成等微观机理层面的研究较为缺乏。为此，本文优选TinuvinT622受阻胺延衰改性剂作为沥青材料添加剂，以常规力学性能试验及热重红外联用技术为表征手段，系统研究了紫外老化作用对于T622延衰改性沥青的路用性能、官能团组成及热力学性能的影响规律，为T622光稳定剂在沥青路面材料中的应用提供相关依据。

1 试验 1.1 试验材料 1.1.1 基质沥青

采用昆仑牌70号A级沥青作为基质沥青,其技术指标详见表1。

1.1.2 T622光稳定剂

Tinuvin622(T622) 光稳定剂分子结构见图1。T622光稳定剂具有较大的分子量、优良的热稳定性及低挥发性等特点。相比一般的低分子量受阻胺光稳定剂，T622光稳定剂具有更长时效的抗光老化性能。T622光稳定剂掺量质量分数选择为0.2%，0.4%，0.6%，0.8%。

1.2 试验方法 1.2.1 延衰改性沥青制备

采用高速乳化剪切仪制备延衰改性沥青。具体制备过程如下：

(1) 首先将70#基质沥青置于135 ℃恒温烘箱内保温1.5 h至熔融状态，然后称取一定质量的沥青置于洁净容器中，并放置于160 ℃油浴加热装置中保温0.5 h。

(2) 称取相应质量的光稳定剂T622，并等质量均分为3份待用。

(3) 在搅拌过程中，首先采用高速剪切仪以2000 r/min剪切速率对熔融状态的基质沥青进行5 min的预剪切处理。随后依次加入准备好的3份等质量改性剂，每次加入改性剂后以2000 r/min剪切速度搅拌5 min。

(4) 最后以600 r/min的剪切速率对混合完成的光稳定剂改性沥青进行8 min的低速剪切处理。剪切完成后将改性沥青静置于135 ℃恒温烘箱内发育、溶胀1 h，并待沥青中气泡消散完全后进行沥青试件的浇筑。

1.2.2 紫外老化试验

(1) 紫外老化灯源的选择。

采用3盏紫外荧光灯作为紫外辐射光源对延衰改性沥青进行紫外老化处理，每盏紫外荧光灯辐射功率为300 W，紫外辐射强度为375 W/m²，辐射面积为0.8 m²，光源与沥青试样垂直距离保持在30 cm。紫外灯辐射范围内不存在相互重叠及干涉区域。

(2) 等效老化时间的确定。

基于以往研究结果^[11]，以我国西部地区紫外辐射强度及照射时间为主要参考依据。据以往资料可知，西部地区的年辐射强度为7000 MJ/(m²·a)，其中紫外线辐射强度占比5%~6%。按照最不利条件计算得出年紫外辐射强度为7000×6%=420 MJ/(m²·a)。按照式(1)可将室外自然光照时间换算成室内模拟时间，并按照每年四个季度进行划分,其室内外等效时间转换结果如表2所示。

$ \mathrm{室}\mathrm{内}\mathrm{模}\mathrm{拟}\mathrm{老}\mathrm{化}\mathrm{时}\mathrm{间}=\frac{\mathrm{室}\mathrm{外}\mathrm{紫}\mathrm{外}\mathrm{辐}\mathrm{射}\mathrm{强}\mathrm{度}}{\mathrm{室}\mathrm{内}\mathrm{紫}\mathrm{外}\mathrm{辐}\mathrm{射}\mathrm{强}\mathrm{度}}$

(1)

(3) 基础性能试验的试件老化方法。

针对紫外老化处理前后的基质沥青和T662延衰改性沥青基础性能展开了研究。由于在阳光照射下沥青路面仅上表面20 μm受到紫外辐射的影响，而中下部分并未受到紫外辐射直接作用。因此仅对基础性能试验试件上表面进行紫外老化处理。

(4) 沥青薄膜老化试件的制备方法。

采用溶解蒸发法制备延衰改性沥青的微观试验试件，由于试验样品质量较小，仅对沥青薄膜试件进行单面老化。具体的溶解蒸发法步骤如下：

① 首先将沥青放于130 ℃烘箱中保温1.5 h至流动态，之后取少质量的沥青倒入洁净玻璃皿中，随后加入三氯乙烯使沥青溶解。

② 待容器中的三氯乙烯溶液完全蒸发后，沥青会在玻璃皿中形成沥青薄膜。

③ 进行紫外老化，每达到一个老化时间点即选取小部分沥青进行微观性能试验。

1.2.3 基础性能试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对不同掺量的延衰改性沥青紫外辐射老化前后的软化点、针入度(25 ℃)及延度(10 ℃)进行试验，以研究在不同老化时间下T622改性剂掺量变化对沥青基础性能的影响及其规律。

1.2.4 布氏黏度

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用NDC-01C旋转黏度计对未老化的基质沥青和不同掺量下T622延衰改性沥青进行布氏黏度试验，以表征T622改性剂的掺量变化对沥青表观黏度的影响及其规律。其中，试验温度选择为90，135，175 ℃。

1.2.5 热重红外试验

采用由德国NETZSCH生产的TG 209 F1型热重−采用由德国NETZSCH生产的TG 209 F1型热重-红外光谱联用系统分析基质沥青和T622延衰改性沥青的官能团结构和热分解性能。试验采用氧化铝坩埚，测试温度范围为30~500 ℃，升温速率10 ℃/min。气体氛围为99.9%氮气，流量为50 mL/min。

2 结果与分析 2.1 基础试验结果分析

T622延衰改性沥青基础性能试验结果如图2所示。不同类型沥青在经过紫外老化处理后均出现软化点提高，针入度、延度下降的现象，这表明紫外辐射能够提高沥青材料的高温稳定性和常温下的抗变形能力，但劣化了低温延展性能。从沥青组分角度分析，这是由于沥青材料内部的化学组分在紫外辐射的作用下发生了变化。分子量较低的轻组分，如饱和分、芳香分发生了挥发^[12-13]。同时，部分轻组分逐渐转变为胶质、沥青质等分子量更大的重组分^{[1, 6, 14]}。沥青中重组分含量增加，轻组分含量下降。导致沥青性能出现劣化。从分子角度看，紫外线辐射容易使更多的沥青分子被氧化为光解不稳定的羧基和过氧化物等次级氧化物基团。并且次级氧化物在紫外辐射和氧气的共同作用下将进一步氧化，加速沥青的紫外老化^[8-9]。

通过计算延衰改性沥青与基质沥青基础试验结果差值可以发现，紫外辐射对基质沥青的影响效应明显大于T622延衰改性沥青。老化305 h的基质沥青与未老化基质沥青之间的针入度差值达到17.7(0.1 mm)，而延衰改性沥青最大差值仅为8.6(0.1 mm)。对于延度差值，基质沥青高达12.3 cm，而延衰改性沥青仅为8.7 cm；对于软化点差值，基质沥青的差值为11.9 ℃，延衰改性沥青仅为6.7 ℃。这充分说明了T622延衰改性剂能够显著降低紫外辐射对沥青材料基础性能的影响。这可能是由于T622光稳定剂能够通过捕获自由基，进而阻止沥青分子中由紫外辐射引起的链式反应^[13]，有效抑制沥青的紫外老化行为。

此外，可以发现延衰改性剂掺量的变化将会对改善效果产生影响。三大指标的差值基本上随改性剂掺量的增加而逐渐下降，仅0.8%掺量下的软化点差值出现增加。这说明在合理范围内增加改性剂掺量能够降低紫外辐射对沥青材料来的影响。

2.2 布氏黏度试验结果分析

表3为不同掺量下延衰改性沥青的布氏黏度试验结果。由表3可知，在不同的试验温度下，改性剂能够显著提高沥青材料的表观黏度，且随T622延衰改性剂掺量的增加而增加。这是由于改性剂在沥青载体中形成了稳定的三维空间结构，从而增加了沥青材料的整体刚度和抵抗变形的能力，并降低了其流动性^[15]。同时，沥青黏度的提高使得紫外老化过程中氧分子的侵入行为受到阻碍，而流动性的降低可以有效抑制氧分子或自由基在沥青载体的中的扩散行为，延缓沥青材料的紫外老化过程^[16]。这很好地解释了在基础试验中改性沥青老化程度相对较轻的现象。

2.3 红外光谱结果分析 2.3.1 70#基质沥青红外光谱分析

图3为70#基质沥青红外光谱图。

由图3可知，基质沥青的红外光谱主要分布在2800~3000 cm⁻¹，该范围的红外吸收峰主要表示甲基和亚甲基的伸缩振动峰。同时，在1700 cm⁻¹左右范围存在中等强度的羰基官能团等。这些官能团是由试验温度的上升导致沥青内部成分发生反应所产生的，如羰基是由吸氧反应产生，亚砜基则是由沥青含硫化物与外界反应产生^[17]。随着紫外老化时间的增加，基质沥青红外光谱区间范围存在扩大趋势，例如，在305.00 h长时间的紫外辐射作用下，1500，2800 cm⁻¹左右时出现较强的红外吸收峰，这说明紫外辐射促使了基质沥青内部新物质的形成，证明了老化程度的加深。

此外，在不同紫外老化时间下基质沥青的最强红外吸收峰分别出现在431、434、439、441 ℃。这说明了在紫外辐射促使了基质沥青内重组分含量增加。而重组分具有比轻组分更高热解温度，这使得沥青整体的热解温度上升，提高了基质沥青的热解稳定性。

采用羰基官能团指数(I_C=O) 、芳香官能团指数(I_Ar) 、亚砜基官能团指数(I_S=O) 对基质沥青老化程度进行定量分析。由图4可知，除在老化152.50 h时官能团指数出现小幅度降低，其他老化指数均随着紫外老化时间的增加而增加。相对老化76.25 h的基质沥青，老化305 h后的羰基、亚砜基及芳香官能团分别增长了8.82，6.94，9.07倍。这证明了紫外辐射能够增加沥青中含氧官能团的数量，使沥青分子的极性增强，分子之间的化学键将被破坏并重新组合，这一系列反应破坏了沥青原本的结构^[9]。

2.3.2 T622改性沥青红外光谱分析

由图5可知，T622改性沥青红外吸收峰主要出现在2800～3000 cm⁻¹，代表亚甲基—CH₂—中C—H的非对称和对称伸缩振动峰。随着老化时间的增加，在2200～2600 cm⁻¹和500～1800 cm⁻¹区间出现新的红外吸收峰。这说明长时间的紫外辐射仍会促进T622延衰改性沥青内部新物质的形成。

同时可以发现，红外吸收峰的强度随着老化时间的延长出现增加，而且4种老化时间下改性沥青的最强红外吸收峰出现的温度几乎保持在435 ℃，这充分表明T622延衰改性剂能够抑制沥青材料中轻组分向重组分的转变，进而显著改善沥青材料的抗紫外辐射性能。

从图6中明显看出，在76.25～152.50 h老化时间段内，羰基指数和芳香指数出现一定幅度的增加，而在152.50 h之后，两个官能团指数几乎不增长。对亚砜基来说，紫外辐射带来的影响较为复杂，在76.25～228.75 h指数逐渐下降，而老化时间达305.00 h却出现增长。此外，T622延衰改性沥青的官能团指数远小于基质沥青。这说明紫外辐射仍会导致T622改性沥青官能团指数出现增长，但是官能团指数、增长速率及增长量均远小于基质沥青，这表明掺加了光稳定剂后与沥青发生了反应并延缓沥青组分的芳构化过程，同时加强了沥青内部结构的稳定，使沥青表现出抗紫外辐射的性质，能够显著抑制基质沥青的老化^[9]。

2.4 热重试验结果分析

从图7可以看出，基质沥青的初始分解温度从76.25 h的158.8 ℃增加至305.00 h的232.6 ℃，温度相差73.8 ℃，这说明了紫外辐射显著提高了基质沥青达到初始分解温度时所需的能量。这从微观角度证明了紫外辐射促使了沥青胶体的结构转变，增加了基质沥青中重组分的含量^[1]。对于延衰改性沥青，初始分解温度从76.25 h的172.9 ℃逐次上升至305.00 h的180.2 ℃，温度仅相差8 ℃，远低于基质沥青。相邻老化时间点之间的初始分解温度差异分别为3.4%，0.9%，1.7%。

由此可见，在紫外辐射的照射下，T622改性沥青仍会发生一定程度上的老化，但相比基质沥青，T622延衰改性剂能够显著降低沥青材料在紫外辐射下的老化速率，并将老化速率稳定在一个较小的范围内。这是由于T622改性剂能够通过释放氮氧自由基，利用其对断链自由基实现高效率捕获反应，进而抑制活性自由基的链式反应，减少沥青质的形成，提高沥青材料的老化稳定性。经分析可知，微观试验结果与宏观基础性能试验结果相一致，这进一步证明了T622延衰改性剂优异的抗紫外辐射性能。

3 结论

本文以改性剂掺量、沥青种类及紫外辐射时间为变量，采用沥青三大指标、布氏黏度及热重红外联用技术对紫外老化处理后的基质沥青和TinuvinT622受阻胺延衰改性沥青进行研究，针对其基础性能、表观黏度及热物性能展开分析，得出以下结论：

(1) T622延衰改性剂能够有效降低紫外辐射对沥青材料的影响效应，抑制基质沥青的紫外老化速率。

(2) 相对于基质沥青，T622延衰改性沥青具有更高的表观黏度，延缓了氧分子在沥青中的侵入过程，同时抑制了氧分子和自由基的扩散行为，改善了沥青材料的抗紫外老化性能。

(3) 基质沥青的最大红外吸收峰出现的温度和官能团指数均随着紫外老化时间的延长出现显著增长。而T622改性沥青不仅能够保证相关指标的稳定，而且官能团指数均小于基质沥青，证明T622改性剂能够有效抑制沥青材料向凝胶态的转变。

(4) 当老化时间从76.25 h增加至305.00 h时，基质沥青初始分解温度增长了73.8 ℃，而T622改性沥青仅增长8 ℃，证明了T622改性剂能够改善沥青的抗紫外辐射能力。