使用QUV紫外线耐黄老化试验箱模拟彩色道路路面的颜色耐久性案例研究

摘要

在完整街道的新愿景中，近年来推广使用彩色路面，以提高道路使用者的安全性，并增强城市环境的重组和美观。但是，这些路面在安装后几个月内会经历环境和交通引起的外观变化，比传统路面更快。因此，实验室规模的研究分析了着色稀浆封层的颜色耐久性，其使用透明合成乳液和矿物颜料制备，经受不同的人工加速老化测试。

他们模拟了暴露在高温下的阳光(QUV紫外线耐黄老化试验箱)、用于冬季维护操作的化学产品的侵蚀(盐水浴)以及车辆轮胎的动态作用(负载车轮测试仪)。用分光光度计测量的颜色变化分析突出了着色薄表面对物理和机械应力的极端敏感性。

具体而言，由高温下的紫外线照射诱发的粘合剂膜的热和光氧化及其磨损，由于橡胶轮胎的动态通过在样品表面产生了大的超阈值色差。这些结果表明，正确的混合设计，包括材料选择和配料剂量，应根据路面最终用途和主要气候条件进行适当校准，以确保整个路面的颜色一致性。

介绍

多年来，城市道路发展政策一直由以汽车为导向的愿景来指导，这不可避免地导致了新的和越来越大的道路的建设，其主要特征是沥青路面的黑色。但如今，街道在造型中重新占据了中心位置以及通过执行多种功能来重组城市空间，以促进不同用户的和谐共处。由于路面占据了使用者30%到50%的视野，因此正确选择路面的材料和颜色具有战略意义。在这种情况下，人们对长期被忽视的材料重新产生了兴趣，如天然石材，以及用于创建彩色路面的创新产品的开发，这些产品被赋予了除纯粹功能性以外的额外任务，一方面，彩色路面的目的是提高安全性和速度控制，补充规定的标线，突出优先或专用空间(自行车道或公交专用道、人行道或共享设施)，另一方面，装饰装修提高了居住环境与建筑环境的美感，加强了城市的身份。第二类包括通过添加颜料和/或互补彩色骨料将颜色引入沥青和混凝土混合物的解决方案，或者利用石材和混凝土铺路材料的自然或人工颜色的解决方案。

就柔性路面而言，这些表面的颜色可以通过使用透明粘合剂来强调，即合成、植物基或环氧树脂产品，而不是传统的黑色沥青水泥。这些粘合剂的透明性用少量的颜料扩展了调色板，同时允许集料的色调和阴影被感知。目前的趋势是依靠铺设在现有路面上的冷铺沥青微表处、稀浆封层或表面修整，特别是对于交通不太繁忙的区域，利用专门定制的透明沥青乳液的潜力进行优化在薄层中使用高质量和昂贵的产品。当使用具有特殊光学和视觉特性的颜料时，如光致发光/磷光或热致变色产品，这种解决方案就变得必不可少。由于彩色路面的有效性和美观性取决于施工后其色度和视觉特征的保持情况，因此预计会根据材料进行不同程度的普通和特殊维护。彩色表面会随着时间的推移而发展，在颜色和性能方面都比传统表面发展得更快。经验表明，这种路面的外观会发生变化，即褪色，安装几个月后变色或变暗。主要的颜色变化是由交通引起的，这是由于轮胎与路面以双重方式相互作用:轮胎痕迹和粘合剂磨损。在第一种情况下，车辆在加速-制动阶段会在路面上留下黑色的轮胎痕迹，其形式为打滑痕迹(加速擦伤、减速痕迹和偏航痕迹)。第二，轮胎的动态通过导致粘合剂磨损表面，露出集料，集料的颜色将成为路面的主要颜色。除了这些机械应力之外，持续暴露于大气因素、阳光(紫外线辐射)和化学产品(防冰盐或除冰剂、污染和燃料)同样会导致路面颜色变化。

计划进行实验室规模的调查，以评估加速老化测试后有色路面的颜色变化。具体而言，模拟了暴露于阳光和高温、冬季养护中使用的盐(氯化钠)的侵蚀以及动态交通行为。在薄稀浆封层样品上进行测试，所述薄稀浆封层样品用透明的合成乳液和添加的矿物颜料产生红色、绿色和蓝色。在每个程序之后，从颜色分析计算颜色变化 用分光光度计测量的坐标。这些数值作为不同作用对颜色耐久性影响的关键分析的起点。

材料

色度分析是在实验室规模的有色稀浆封层样品上进行的。它们是由乳化沥青、水、级配良好的细骨料和矿物填料制成的冷自由流动复合材料。中性(N)稀浆封层使用合成的透明阳离子缓凝乳液(粘合剂含量为60%)、浅灰色碎石灰石骨料和石灰石粉尘制备。根据II型分级曲线(表1)混合混合物。1)由国际泥浆表面协会(ISSA)建议，考虑干骨料重量的8%的残余粘合剂含量和20%的总含水量(预湿水加乳化水),以调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干骨料重量的2%的水不溶性无机颜料来制备有色混合物。具体而言，赤铁矿(Fe₂O₃)、氧化铬(Cr₂O₃)以及天青石- C (Na₇Al₆Si₆O₂₄S₃)和方解石(CaCO₃)的混合物分别用于产生红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)稀浆封层。一旦混合组分已经按照典型的铺路顺序均匀混合，即骨料、填料、颜料、水和乳液，将所得浆料材料倾倒并均匀铺展在钢模的可移动板上，以形成矩形样品(长×宽×厚:400×75×3mm)。然后将样品储存在平坦表面上，并在25℃下干燥72小时，远离直射光。

方法

对着色稀浆封层的色度特征及其由路面环境中典型的物理-化学和机械应力诱发的潜在颜色变化的分析，涉及加速老化程序前后的样品颜色评估。用便携式CM-2500c分光光度计(Konica Minolta)测量颜色，考虑标准光源D65和CIE 1964/10辅助观察者(10°视野)。本仪器配有45°a:0°(四十五度环形照明/垂直观察)几何光学，其与物体的视觉感知密切相关。使用对立类型和均匀CIELCH极坐标来表示颜色，其中L*定义明度(0 =绝对黑色，100 =绝对白色)，Cab *指定色度(0 =完全不饱和，100或更大=高“饱和度”)，hab表示色调角，以度表示(范围从0到360，遵循从红色到黄色、绿色和蓝色的彩虹标度)。使用数值将颜色变化计算为三维距离。

由于稀浆封层具有固有的表面纹理可变性，颜色会因测量位置的不同而略有不同。因此，在沿矩形样品水平对称轴的五个不同点进行了多次测量(五次测量的自动平均值),并考虑了平均值。

3.1.加速老化程序

设置了三种不同的加速老化测试，以模拟高温下的日光暴露、冬季维护操作中用于防冰程序的化学产品(盐)的侵蚀以及车辆轮胎的作用。QUV/se紫外线耐黄老化试验箱用于再现自然光的效果。 将样品在50℃下暴露于UVA-340型荧光灯发射的36小时紫外线辐射循环中(在340纳米处的辐照度为0.68W/m²)，其光谱功率分布(SPD)与从365纳米至295纳米的太阳截止波长的临界短波长区域中的太阳光的光谱功率分布相匹配。先前的研究表明，这一时间间隔对于评估光降解对这些材料的影响已经非常重要。

通过将样品浸泡在25°C的2.2%氯化钠(NaCl)盐水中30天，评估冬季维护操作，更具体地说是化学防冰剂和除冰剂对着色稀浆封层颜色维护的影响。然后将每个样品从浴中取出，在流水下清洗，表面干燥，并在测试前在25℃下储存24小时。

采用有载车轮测试仪(LWT)来评估交通对有色路面造成的磨损，并评估车辆通过对其颜色稳定性的影响(图1)。这种实验室设备属于更广泛的车轮跟踪设备类别，通常用于进行模拟试验，测量冷沥青混合料的性能，然后通过在准备好的样品上反复滚动一个小的负载往复轮，将这些性能与实际使用中的路面性能相关联。车轮(直径×宽度:100×40mm)由中等硬度的黑色橡胶轮胎(70肖氏硬度A)组成，该轮胎被夹在两个带有螺母和螺栓的冲压钢轮之间。使用两种不同的负载:46.4和20千克，轮胎在矩形稀浆封层样品上行驶10000个周期。第一种荷载条件可以追溯到佐治亚州LWT的标准化荷载条件，即设计用于车辙试验和现场质量控制的装置，而第二种荷载条件则用于再现不太恶劣的交通条件。在预选的循环次数(500、1000、2000、5000、10000)后，机器停止，取出样品进行颜色测量。在QUV/se紫外线耐黄老化试验箱中测试了参考样品和先前暴露于紫外线辐射的样品。CIELCH极坐标在沿着车轮行进路径的中心轴的五个点上测量。

图1 道路负重轮测试仪

结果

在每个加速老化/磨损程序之前和结束时测量的CIELCH极坐标总结在表2中。具体而言，将参考混合物的颜色与放置在紫外线耐黄老化试验箱(QUV)中、浸泡在盐水中并在10000次LWT加载循环结束时的样品的颜色进行比较。由于中高温和暴露于紫外辐射的组合效应，浆料材料显示出颜色变化，这归因于粘合剂薄膜的热和光氧化。这种变化对于中性(δEab，10 * = 12.00)和蓝色样品(δEab，10 * = 11.89)更为显著。绿色混合物也出现明显的颜色差异(δEab，10 * = 5.52)，而红色混合物看起来没有变化(δEab，10 * = 0.80)(图2)。极坐标的详细分析突出了明度(L10*)和色调(hab，10)如何对老化过程非常敏感。样品的颜色趋向于变得更暗(L10*减少)和稍微不太饱和(Cab，10*减少)，除了N稀浆封层，其中后者的量有所增加。作为颜色的函数，色调的变化转化为不同的视觉感受:N变得更红，G向黄轴移动(hab，10 = 90 °), B向靠近绿轴的II象限移动(hab，10 = 180°)。虽然其他研究人员已经确定了这种消光效应，但使用不同粘合剂和边界条件(不同灯和温度)进行的一些类似研究强调了不同的降解机制，这产生了褪色。

相反，氯化钠盐水不影响混合物的颜色。在浓度为2.2%的NaCl中浸泡30天没有在任何坐标中产生显著变化，除了亮度非常小的降低，用肉眼几乎看不见，可以用大约1.5个单位量化(图2)。

图2 人工老化试验前后有色稀浆封层的颜色(矩形内的数值指Eab，10）

就LWT引起的外观变化而言，在46.4 kg的载荷下进行的测试在100次通过后已经在样品上产生了明显的车辙和黑色轮胎痕迹，特别是在轮胎胎肩的相应位置。这一行为似乎与其他研究的结果相一致，然而，这些研究旨在根据机械性能优化彩色微表处的混合设计或评估可喷涂的保护性树脂涂层的潜力。因此，实际的色度分析是使用20千克的减少载荷进行的。这种路面被认为更适合这种路面的荷载条件，这种路面主要用于共享的城市空间或专门为弱势用户预留的道路。在不同的加载步骤中对样品进行第一次目视检查，可以突出车轮的重复动作是如何沿着其行进路径逐渐产生涂在集料上的彩色胶泥薄膜的去除，从而显示出它们的基色(图3)。在选择了浅灰色石灰石骨料后，2000次循环后，样品的颜色明显变浅(L10*增加)和不太饱和(Cab减少，10*)。在10000次循环后记录了显著的颜色变化:Eab, 10 * < 5，该值在任何情况下都描述了相当大的超阈值色差，仅对于绿色混合物进行了测量(图4a)。由于交通导致的结合料磨损是一个众所周知且可预测的过程，因此通常使用互补色集料在路面使用寿命期间达到并保持设计的颜色。目前市场上有多种天然彩色骨料和彩色涂层骨料。矿物颜料和有色骨料的最令人满意的混合物通常通过将氧化铁与红棕色骨料(如斑岩、红土或煅烧铝土矿)结合来获得。透明结合料和白色骨料以及可能的二氧化钛(TiO2)的组合产生的路面具有更好的光度特性和更低的导热性，从而降低街道照明能耗和成本，提高驾驶能见度和安全性，并减少城市热岛现象。

图3 LWT不同循环阶段的颜色发展

在加速老化试验器中预先老化的样品上也发现了相同的趋势，但是褪色/发白发生的程度较小(3.32 <δEab，10 * < 4.52)。这种现象可能是由于合成乳液在紫外线辐射和温度的共同作用下的聚合过程，这使得浆料表面不易于轮胎抛光(图4b)。

图4 总颜色变化对LWT通过次数未老化(a)和先前QUV老化的样品(b)

结论

在完整街道的新愿景中，近年来通过政策和战略计划促进了彩色路面的使用，以提高道路使用者的安全性，并增强城市环境的重组和美观。但是，在道路布局中使用彩色路面应在安全或操作效益方面得到证明。这些路面的安装和维护成本很高，因为它们使用昂贵的材料和特殊设备，并且极易受到交通和环境因素的影响而发生外观变化，尤其是在交通繁忙的地区和阳光强烈或冰雪覆盖的气候条件下。 对经过人工加速老化的着色稀浆封层样品进行的颜色耐久性和稳定性分析突出了它们对物理和机械作用的极端敏感性。中高温和暴露于紫外线辐射的综合效应对中性和着色浆料材料产生了较大的超阈值色差，但红色混合物几乎保持不变。具体地说，粘合剂薄膜的热和光氧化转化为较暗(亮度降低)和较不饱和(色度降低)的表面颜色。相反，氯化钠盐不会影响混合物的颜色。使用负载车轮测试仪模拟的交通行为在2000次循环后已经突出了显著的颜色恶化。随着轮胎的通过，覆盖集料的胶粘薄膜逐渐从表面磨损，路面颜色变浅且不太饱和，呈现出接近石灰石集料浅灰色的色度。互补色集料应被用于实现颜色的持久性，尤其是在交通繁忙的道路和街道上。因此，正确的混合设计，包括材料选择和配料剂量，应根据路面最终用途和主要气候条件进行适当调整以确保路面使用寿命期间的颜色一致性。