道路瀝青老化機(jī)理及其影響因素

董怡伽

【摘 要】簡(jiǎn)單分析瀝青的老化機(jī)理，并且從熱氧、水分、光照等不同影響因素的條件下分析了其對(duì)于瀝青產(chǎn)生的影響。還簡(jiǎn)述了瀝青老化的預(yù)防措施。

【關(guān)鍵詞】瀝青老化；熱氧老化；光氧老化；水分作用

公路交通作為基礎(chǔ)設(shè)施的一部分與人民的社會(huì)生活息息相關(guān)，也是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和現(xiàn)代化發(fā)展水平的重要因素之一，因此公路的使用質(zhì)量也是至關(guān)重要的。瀝青路面的使用性能與瀝青本身品質(zhì)有著巨大的關(guān)系，而瀝青加工使用過(guò)程中，在熱氧，水分，光照等一系列因素的交互作用下發(fā)生內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)組分的變化，使瀝青性能發(fā)生劣化這樣的過(guò)程被稱之為老化。老化主要由氧化老化、揮發(fā)物的衰減、自然硬化和滲流硬化四種情況組成。瀝青老化嚴(yán)重影響道路使用壽命，對(duì)于瀝青老化的研究對(duì)于道路的使用與維護(hù)都具有十分重大的意義。

1.瀝青老化機(jī)理

瀝青老化主要表現(xiàn)為軟化點(diǎn)升高，針入度下降，粘度隨著老化時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。瀝青在拌和施工階段主要發(fā)生短期老化。其中最主要的一個(gè)階段就是拌和過(guò)程，針入度降低達(dá)80%。攤鋪過(guò)程中處于高溫狀態(tài)的瀝青薄膜進(jìn)一步發(fā)生老化，熱氧反應(yīng)過(guò)程中輕質(zhì)組分不斷發(fā)生揮發(fā)與吸收，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生觸變導(dǎo)致位組硬化，使得瀝青變硬變脆，粘結(jié)性下降產(chǎn)生裂紋。

瀝青老化是一個(gè)自氧化的緩慢過(guò)程，老化前后分子中羰基官能團(tuán)IR光譜吸收峰顯著變化，隨著老化溫度的增高，這一變化愈發(fā)明顯。亞砜基能團(tuán)的吸收峰變化卻并不明顯。同時(shí)高分子量組分含量在老化瀝青中增加，增大分散度，說(shuō)明瀝青分子間存在極性官能團(tuán)之間的締合作用。稠和芳環(huán)和少量斷側(cè)鏈?zhǔn)菫r青分子的主要組成成分，分子中含有的不飽和雙鍵在老化之后就會(huì)消失。瀝青抗老化性不好主要是由于瀝青分子中有較多的活性基團(tuán)和易被氧化的雙鍵。

2.熱氧老化

熱氧老化是瀝青老化最主要的原因之一，瀝青與氧發(fā)生反應(yīng)生成含氧基團(tuán)。而瀝青自氧化的過(guò)程與溫度高低是緊密相關(guān)的，隨著溫度的升高吸氧量也上升，在不同氧分壓的條件下，氧分壓較高則吸氧量也相應(yīng)增多。通過(guò)吸氧量可以直觀的判斷抗老化性的好壞，吸氧量越大抗老化性越差。根據(jù)瀝青吸氧動(dòng)力學(xué)模型，認(rèn)為瀝青吸氧過(guò)程的控制因素是氧在瀝青中的擴(kuò)散速度，即老化與其本身的粘度有很大關(guān)系。氧氣要與瀝青反應(yīng)首先必須在瀝青中溶解擴(kuò)散之后才能夠反應(yīng)，因此反應(yīng)中必不可少的步驟就是擴(kuò)散。這個(gè)過(guò)程可以用動(dòng)力學(xué)一級(jí)反應(yīng)進(jìn)行描述，能夠很好地表示瀝青的吸氧過(guò)程。而熱老化主要是指瀝青中輕質(zhì)油分受熱揮發(fā)，破壞瀝青的結(jié)構(gòu)硬化，改變?yōu)r青結(jié)構(gòu)鏈接，導(dǎo)致瀝青變質(zhì)。

3.光氧老化

光氧老化也是不容忽視的一個(gè)問(wèn)題，光氧老化之后瀝青組分向大分子量方向轉(zhuǎn)化，其中針入度和延度減小，軟化點(diǎn)、粘度增大。瀝青材料主要是由碳、氫、氧、氮等元素組成大分子有機(jī)物。這些有機(jī)物之間需要一定的鍵能，鍵能越高越穩(wěn)定。瀝青材料的破壞其實(shí)就是大分子結(jié)構(gòu)破壞，主要有C-H、C-C、C=C鍵，其中絕大多數(shù)聚合物分子鍵能與290～400mm波長(zhǎng)范圍的光能相當(dāng)，因此容易產(chǎn)生破壞。紫外線射入瀝青的深度只有0.1mm數(shù)量級(jí)，但是考慮到老化后瀝青分子會(huì)向內(nèi)擴(kuò)散，紫外線對(duì)瀝青老化的影響也只發(fā)生在瀝青表面1mm處。但是瀝青路面存在空隙，強(qiáng)紫外線對(duì)瀝青面層的影響可以達(dá)到一個(gè)最大粒徑的范圍，即1cm左右。經(jīng)紫外線老化之后瀝青質(zhì)略微上升，飽和分變化不大，芳香分略降低，膠質(zhì)也略有變化，但隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)這四個(gè)量的變化并不大，說(shuō)明這種老化只會(huì)發(fā)生在表面很薄的一層。

在使用過(guò)程中，還會(huì)受到光氧老化變得脆硬，影響了瀝青的低溫性能和疲勞耐久性，容易產(chǎn)生裂紋，瀝青與集料粘附性下降，會(huì)發(fā)生脫落現(xiàn)象使雨水滲入路面結(jié)構(gòu)層，對(duì)道路進(jìn)行進(jìn)一步破壞，急劇減少路面使用壽命。

4.水分作用

減少瀝青路面使用壽命的另一個(gè)重要的因素就是水的作用。道路的使用或多或少都無(wú)法完全排除水的影響，包括雨水以及地下水，往往水分作用會(huì)貫穿整個(gè)面層甚至對(duì)基層造成損壞。雨水的作用下，瀝青中的可溶性物質(zhì)被沖洗掉，造成了瀝青的老化變質(zhì)，水的pH值對(duì)于瀝青質(zhì)也有較大的影響。

水分的加入對(duì)于高溫老化性狀有明顯的作用，使瀝青變硬，彈性成分增加，提升了高溫性能，從一定程度上提高了瀝青路面抗車轍能力。但是對(duì)于低溫性能影響并沒有十分顯著?？梢哉J(rèn)為水分的存在加速了瀝青的老化進(jìn)程。

5.預(yù)防老化措施

在施工時(shí)我們就應(yīng)該盡量注意減少瀝青的短期老化，首要應(yīng)當(dāng)注意瀝青混合料的施工溫度，以及高溫期間與空氣接觸等條件。為了減少短期的老化可以從這幾個(gè)方面考慮：

在保證瀝青混合料拌和、攤鋪、碾壓施工和易性的前提下，盡量采用較低的拌和溫度，并且不超過(guò)規(guī)定最高拌和溫度，同時(shí)盡量在溫度較高季節(jié)施工。盡量縮短高溫保存瀝青混合料時(shí)間，科學(xué)合理安排運(yùn)輸?shù)木嚯x和時(shí)間，避免造成嚴(yán)重的短期老化。另外也可以在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中加蓋篷布減少與空氣的接觸。

使用過(guò)程中的瀝青老化是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，減輕老化可以從混合料結(jié)構(gòu)上考慮，盡可能選擇吸水率較小的粒料，減少空隙率增強(qiáng)壓實(shí)，減少瀝青與空氣接觸，采用耐老化性能好瀝青材料，保證瀝青混合料有足夠密實(shí)性可以根本上減輕老化。 [科]

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