使用QUV紫外線耐黃老化試驗箱模擬彩色道路路麵的顏色耐久性案例研究

摘要

在完整街道的新願景中，近年來推廣使用彩色路麵，以提高道路使用者的安全性，並增強城市環境的重組和美觀。但是，這些路麵在安裝後幾個月內會經曆環境和交通引起的外觀變化，比傳統路麵更快。因此，實驗室規模的研究分析了著色稀漿封層的顏色耐久性，其使用透明合成乳液和礦物顏料製備，經受不同的人工加速老化測試。

他們模擬了暴露在高溫下的陽光(QUV紫外線耐黃老化試驗箱)、用於冬季維護操作的化學產品的侵蝕(鹽水浴)以及車輛輪胎的動態作用(負載車輪測試儀)。用分光光度計測量的顏色變化分析突出了著色薄表麵對物理和機械應力的極端敏感性。

具體而言，由高溫下的紫外線照射誘發的粘合劑膜的熱和光氧化及其磨損，由於橡膠輪胎的動態通過在樣品表麵產生了大的超閾值色差。這些結果表明，正確的混合設計，包括材料選擇和配料劑量，應根據路麵最終用途和主要氣候條件進行適當校準，以確保整個路麵的顏色一致性。

介紹

多年來，城市道路發展政策一直由以汽車為導向的願景來指導，這不可避免地導致了新的和越來越大的道路的建設，其主要特征是瀝青路麵的黑色。但如今，街道在造型中重新占據了中心位置以及通過執行多種功能來重組城市空間，以促進不同用戶的和諧共處。由於路麵占據了使用者30%到50%的視野，因此正確選擇路麵的材料和顏色具有戰略意義。在這種情況下，人們對長期被忽視的材料重新產生了興趣，如天然石材，以及用於創建彩色路麵的創新產品的開發，這些產品被賦予了除純粹功能性以外的額外任務，一方麵，彩色路麵的目的是提高安全性和速度控製，補充規定的標線，突出優先或專用空間(自行車道或公交專用道、人行道或共享設施)，另一方麵，裝飾裝修提高了居住環境與建築環境的美感，加強了城市的身份。第二類包括通過添加顏料和/或互補彩色骨料將顏色引入瀝青和混凝土混合物的解決方案，或者利用石材和混凝土鋪路材料的自然或人工顏色的解決方案。

就柔性路麵而言，這些表麵的顏色可以通過使用透明粘合劑來強調，即合成、植物基或環氧樹脂產品，而不是傳統的黑色瀝青水泥。這些粘合劑的透明性用少量的顏料擴展了調色板，同時允許集料的色調和陰影被感知。目前的趨勢是依靠鋪設在現有路麵上的冷鋪瀝青微表處、稀漿封層或表麵修整，特別是對於交通不太繁忙的區域，利用專門定製的透明瀝青乳液的潛力進行優化在薄層中使用高質量和昂貴的產品。當使用具有特殊光學和視覺特性的顏料時，如光致發光/磷光或熱致變色產品，這種解決方案就變得必不可少。由於彩色路麵的有效性和美觀性取決於施工後其色度和視覺特征的保持情況，因此預計會根據材料進行不同程度的普通和特殊維護。彩色表麵會隨著時間的推移而發展，在顏色和性能方麵都比傳統表麵發展得更快。經驗表明，這種路麵的外觀會發生變化，即褪色，安裝幾個月後變色或變暗。主要的顏色變化是由交通引起的，這是由於輪胎與路麵以雙重方式相互作用:輪胎痕跡和粘合劑磨損。在第一種情況下，車輛在加速-製動階段會在路麵上留下黑色的輪胎痕跡，其形式為打滑痕跡(加速擦傷、減速痕跡和偏航痕跡)。第二，輪胎的動態通過導致粘合劑磨損表麵，露出集料，集料的顏色將成為路麵的主要顏色。除了這些機械應力之外，持續暴露於大氣因素、陽光(紫外線輻射)和化學產品(防冰鹽或除冰劑、汙染和燃料)同樣會導致路麵顏色變化。

計劃進行實驗室規模的調查，以評估加速老化測試後有色路麵的顏色變化。具體而言，模擬了暴露於陽光和高溫、冬季養護中使用的鹽(氯化鈉)的侵蝕以及動態交通行為。在薄稀漿封層樣品上進行測試，所述薄稀漿封層樣品用透明的合成乳液和添加的礦物顏料產生紅色、綠色和藍色。在每個程序之後，從顏色分析計算顏色變化 用分光光度計測量的坐標。這些數值作為不同作用對顏色耐久性影響的關鍵分析的起點。

材料

色度分析是在實驗室規模的有色稀漿封層樣品上進行的。它們是由乳化瀝青、水、級配良好的細骨料和礦物填料製成的冷自由流動複合材料。中性(N)稀漿封層使用合成的透明陽離子緩凝乳液(粘合劑含量為60%)、淺灰色碎石灰石骨料和石灰石粉塵製備。根據II型分級曲線(表1)混合混合物。1)由國際泥漿表麵協會(ISSA)建議，考慮幹骨料重量的8%的殘餘粘合劑含量和20%的總含水量(預濕水加乳化水),以調整混合料的稠度和和易性。取而代之的是向中性混合物中加入幹骨料重量的2%的水不溶性無機顏料來製備有色混合物。具體而言，赤鐵礦(Fe₂O₃)、氧化鉻(Cr₂O₃)以及天青石- C (Na₇Al₆Si₆O₂₄S₃)和方解石(CaCO₃)的混合物分別用於產生紅色(R)、綠色(G)和藍色(B)稀漿封層。一旦混合組分已經按照典型的鋪路順序均勻混合，即骨料、填料、顏料、水和乳液，將所得漿料材料傾倒並均勻鋪展在鋼模的可移動板上，以形成矩形樣品(長×寬×厚:400×75×3mm)。然後將樣品儲存在平坦表麵上，並在25℃下幹燥72小時，遠離直射光。

方法

對著色稀漿封層的色度特征及其由路麵環境中典型的物理-化學和機械應力誘發的潛在顏色變化的分析，涉及加速老化程序前後的樣品顏色評估。用便攜式CM-2500c分光光度計(Konica Minolta)測量顏色，考慮標準光源D65和CIE 1964/10輔助觀察者(10°視野)。本儀器配有45°a:0°(四十五度環形照明/垂直觀察)幾何光學，其與物體的視覺感知密切相關。使用對立類型和均勻CIELCH極坐標來表示顏色，其中L*定義明度(0 =絕對黑色，100 =絕對白色)，Cab *指定色度(0 =完全不飽和，100或更大=高“飽和度”)，hab表示色調角，以度表示(範圍從0到360，遵循從紅色到黃色、綠色和藍色的彩虹標度)。使用數值將顏色變化計算為三維距離。

由於稀漿封層具有固有的表麵紋理可變性，顏色會因測量位置的不同而略有不同。因此，在沿矩形樣品水平對稱軸的五個不同點進行了多次測量(五次測量的自動平均值),並考慮了平均值。

3.1.加速老化程序

設置了三種不同的加速老化測試，以模擬高溫下的日光暴露、冬季維護操作中用於防冰程序的化學產品(鹽)的侵蝕以及車輛輪胎的作用。QUV/se紫外線耐黃老化試驗箱用於再現自然光的效果。 將樣品在50℃下暴露於UVA-340型熒光燈發射的36小時紫外線輻射循環中(在340納米處的輻照度為0.68W/m²)，其光譜功率分布(SPD)與從365納米至295納米的太陽截止波長的臨界短波長區域中的太陽光的光譜功率分布相匹配。先前的研究表明，這一時間間隔對於評估光降解對這些材料的影響已經非常重要。

通過將樣品浸泡在25°C的2.2%氯化鈉(NaCl)鹽水中30天，評估冬季維護操作，更具體地說是化學防冰劑和除冰劑對著色稀漿封層顏色維護的影響。然後將每個樣品從浴中取出，在流水下清洗，表麵幹燥，並在測試前在25℃下儲存24小時。

采用有載車輪測試儀(LWT)來評估交通對有色路麵造成的磨損，並評估車輛通過對其顏色穩定性的影響(圖1)。這種實驗室設備屬於更廣泛的車輪跟蹤設備類別，通常用於進行模擬試驗，測量冷瀝青混合料的性能，然後通過在準備好的樣品上反複滾動一個小的負載往複輪，將這些性能與實際使用中的路麵性能相關聯。車輪(直徑×寬度:100×40mm)由中等硬度的黑色橡膠輪胎(70肖氏硬度A)組成，該輪胎被夾在兩個帶有螺母和螺栓的衝壓鋼輪之間。使用兩種不同的負載:46.4和20千克，輪胎在矩形稀漿封層樣品上行駛10000個周期。第一種荷載條件可以追溯到佐治亞州LWT的標準化荷載條件，即設計用於車轍試驗和現場質量控製的裝置，而第二種荷載條件則用於再現不太惡劣的交通條件。在預選的循環次數(500、1000、2000、5000、10000)後，機器停止，取出樣品進行顏色測量。在QUV/se紫外線耐黃老化試驗箱中測試了參考樣品和先前暴露於紫外線輻射的樣品。CIELCH極坐標在沿著車輪行進路徑的中心軸的五個點上測量。

圖1 道路負重輪測試儀

結果

在每個加速老化/磨損程序之前和結束時測量的CIELCH極坐標總結在表2中。具體而言，將參考混合物的顏色與放置在紫外線耐黃老化試驗箱(QUV)中、浸泡在鹽水中並在10000次LWT加載循環結束時的樣品的顏色進行比較。由於中高溫和暴露於紫外輻射的組合效應，漿料材料顯示出顏色變化，這歸因於粘合劑薄膜的熱和光氧化。這種變化對於中性(δEab，10 * = 12.00)和藍色樣品(δEab，10 * = 11.89)更為顯著。綠色混合物也出現明顯的顏色差異(δEab，10 * = 5.52)，而紅色混合物看起來沒有變化(δEab，10 * = 0.80)(圖2)。極坐標的詳細分析突出了明度(L10*)和色調(hab，10)如何對老化過程非常敏感。樣品的顏色趨向於變得更暗(L10*減少)和稍微不太飽和(Cab，10*減少)，除了N稀漿封層，其中後者的量有所增加。作為顏色的函數，色調的變化轉化為不同的視覺感受:N變得更紅，G向黃軸移動(hab，10 = 90 °), B向靠近綠軸的II象限移動(hab，10 = 180°)。雖然其他研究人員已經確定了這種消光效應，但使用不同粘合劑和邊界條件(不同燈和溫度)進行的一些類似研究強調了不同的降解機製，這產生了褪色。

相反，氯化鈉鹽水不影響混合物的顏色。在濃度為2.2%的NaCl中浸泡30天沒有在任何坐標中產生顯著變化，除了亮度非常小的降低，用肉眼幾乎看不見，可以用大約1.5個單位量化(圖2)。

圖2 人工老化試驗前後有色稀漿封層的顏色(矩形內的數值指Eab，10）

就LWT引起的外觀變化而言，在46.4 kg的載荷下進行的測試在100次通過後已經在樣品上產生了明顯的車轍和黑色輪胎痕跡，特別是在輪胎胎肩的相應位置。這一行為似乎與其他研究的結果相一致，然而，這些研究旨在根據機械性能優化彩色微表處的混合設計或評估可噴塗的保護性樹脂塗層的潛力。因此，實際的色度分析是使用20千克的減少載荷進行的。這種路麵被認為更適合這種路麵的荷載條件，這種路麵主要用於共享的城市空間或專門為弱勢用戶預留的道路。在不同的加載步驟中對樣品進行第一次目視檢查，可以突出車輪的重複動作是如何沿著其行進路徑逐漸產生塗在集料上的彩色膠泥薄膜的去除，從而顯示出它們的基色(圖3)。在選擇了淺灰色石灰石骨料後，2000次循環後，樣品的顏色明顯變淺(L10*增加)和不太飽和(Cab減少，10*)。在10000次循環後記錄了顯著的顏色變化:Eab, 10 * < 5，該值在任何情況下都描述了相當大的超閾值色差，僅對於綠色混合物進行了測量(圖4a)。由於交通導致的結合料磨損是一個眾所周知且可預測的過程，因此通常使用互補色集料在路麵使用壽命期間達到並保持設計的顏色。目前市場上有多種天然彩色骨料和彩色塗層骨料。礦物顏料和有色骨料的最令人滿意的混合物通常通過將氧化鐵與紅棕色骨料(如斑岩、紅土或煆燒鋁土礦)結合來獲得。透明結合料和白色骨料以及可能的二氧化鈦(TiO2)的組合產生的路麵具有更好的光度特性和更低的導熱性，從而降低街道照明能耗和成本，提高駕駛能見度和安全性，並減少城市熱島現象。

圖3 LWT不同循環階段的顏色發展

在加速老化試驗器中預先老化的樣品上也發現了相同的趨勢，但是褪色/發白發生的程度較小(3.32 <δEab，10 * < 4.52)。這種現象可能是由於合成乳液在紫外線輻射和溫度的共同作用下的聚合過程，這使得漿料表麵不易於輪胎拋光(圖4b)。

圖4 總顏色變化對LWT通過次數未老化(a)和先前QUV老化的樣品(b)

結論

在完整街道的新願景中，近年來通過政策和戰略計劃促進了彩色路麵的使用，以提高道路使用者的安全性，並增強城市環境的重組和美觀。但是，在道路布局中使用彩色路麵應在安全或操作效益方麵得到證明。這些路麵的安裝和維護成本很高，因為它們使用昂貴的材料和特殊設備，並且極易受到交通和環境因素的影響而發生外觀變化，尤其是在交通繁忙的地區和陽光強烈或冰雪覆蓋的氣候條件下。 對經過人工加速老化的著色稀漿封層樣品進行的顏色耐久性和穩定性分析突出了它們對物理和機械作用的極端敏感性。中高溫和暴露於紫外線輻射的綜合效應對中性和著色漿料材料產生了較大的超閾值色差，但紅色混合物幾乎保持不變。具體地說，粘合劑薄膜的熱和光氧化轉化為較暗(亮度降低)和較不飽和(色度降低)的表麵顏色。相反，氯化鈉鹽不會影響混合物的顏色。使用負載車輪測試儀模擬的交通行為在2000次循環後已經突出了顯著的顏色惡化。隨著輪胎的通過，覆蓋集料的膠粘薄膜逐漸從表麵磨損，路麵顏色變淺且不太飽和，呈現出接近石灰石集料淺灰色的色度。互補色集料應被用於實現顏色的持久性，尤其是在交通繁忙的道路和街道上。因此，正確的混合設計，包括材料選擇和配料劑量，應根據路麵最終用途和主要氣候條件進行適當調整以確保路麵使用壽命期間的顏色一致性。