瀝青老化規(guī)律及機(jī)理

【摘要】通過查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，闡述瀝青及改性瀝青老化規(guī)律和老化機(jī)理，分別從物理性能變化規(guī)律、化學(xué)組分變化規(guī)律、分子結(jié)構(gòu)變化等四個方面來闡明瀝青的老化規(guī)律和老化機(jī)理，通過上述理論分析得出，瀝青中輕質(zhì)組分的揮發(fā)和被吸收，各組分的氧化、聚合、以及改性劑SBS的裂解才是使瀝青組分發(fā)生變化及老化的機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】分子結(jié)構(gòu)；老化機(jī)理；裂解

1、物理性能變化規(guī)律

瀝青老化過程是相當(dāng)復(fù)雜的，早在1903年Dow就提出了瀝青混合料中的瀝青由于加熱導(dǎo)致質(zhì)量損失和針入度減小。截止到目前為止，對瀝青老化研究最為廣泛的依然是物理性能的變化。道路研究者們[1-2]研究了瀝青老化對路面使用性能的影響，通過對瀝青進(jìn)行不同程度的老化，分析針入度、軟化點、延度、60℃動力粘度、蠕變勁度S及斜率m參數(shù)的變化。研究者們對瀝青老化后物理指標(biāo)的變化、性能的衰減已經(jīng)有了較為深刻地認(rèn)識。普遍認(rèn)為不同瀝青有不同程度的抗老化性能，但性能變化規(guī)律基本一致。即隨老化時間的增加，瀝青的針入度逐漸減小，針入度指數(shù)PI逐漸增大，軟化點升高，延度逐漸減小，而粘度、復(fù)數(shù)剪切模量、蠕變勁度逐漸增大，表明老化使瀝青彈性增強(qiáng)，感溫性減弱，抗疲勞開裂能力變差，從而縮短了路面使用壽命。

1984年P(guān)etersen研究了瀝青在長期老化過程中物理化學(xué)變化。并研究了道路瀝青老化過程中60℃動力粘度隨老化時間的變化。叢玉鳳等[3]以軟化點為參數(shù)建立了瀝青老化動力學(xué)模型，并用該動力學(xué)模型對這兩種瀝青的抗老化性能進(jìn)行研究，求得了動力學(xué)參數(shù)，從而為研究瀝青老化提供了一種簡便可行的分析方法。

2、化學(xué)組分變化規(guī)律

老化過成中，從瀝青各組分的變化可以看出，隨著老化時間的加長正戌烷瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量增多，油分的含量減少，油分的減少除了受空氣中的氧和臭氧的光化學(xué)氧化作用以外，輕組分的蒸發(fā)損失可能也是重要的原因。由于瀝青是極其復(fù)雜的多組分混合物，給瀝青老化的研究帶來很大的困難。戴躍玲等[4]通過薄膜烘箱老化試驗研究了瀝青老化后化學(xué)組分與路用性能的關(guān)系，瀝青老化時，飽和分幾乎不變，芳香分和膠質(zhì)減少，瀝青質(zhì)明顯增加，主要變化的組分是膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。亓玉柱等[5]研究認(rèn)為瀝青在老化時各組分間的變化屬于順序連串反應(yīng)，即芳香分轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)，膠質(zhì)轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲苯不溶物，還研究了瀝青老化過程中極性分子之間的締合與縮聚作用。

金鳴林等[12]采用薄膜熱老化方法考察了道路瀝青族組成與性質(zhì)的變化.老化試驗結(jié)果表明芳香分與膠質(zhì)含量減少，瀝青質(zhì)含量增加，且這種變化符合宏觀一級動力學(xué)規(guī)律。閆鋒等[6]根據(jù)老化過程中正戌烷瀝青質(zhì)的變化得到了瀝青老化動力學(xué)方程。

綜上研究表明，隨著老化時間的加長芳香族的量逐漸減少，雜原子化合物的量增多，到最后增加的速度漸慢，烷一環(huán)烷族化合物含量的增加。這可能是瀝青在老化過程中長側(cè)鏈的芳香族化合物斷裂生成低分子化合物的原因。

3、分子結(jié)構(gòu)變化

目前對瀝青老化前后的組分變化有相對清楚的了解，但瀝青老化的過程相當(dāng)復(fù)雜，對光、氧、熱等因素作用下瀝青老化的具體化學(xué)反應(yīng)機(jī)理還缺乏深層次的研究。隨著化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展，對瀝青老化的研究逐漸從宏觀指標(biāo)的變化轉(zhuǎn)向?qū)ξ⒂^的認(rèn)識，許多學(xué)者通過分析分子結(jié)構(gòu)的變化來探究瀝青老化機(jī)理。

Traxler得出瀝青老化的主要原因是輕組分揮發(fā)、氧化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化、光聚合和熱縮聚。劉忠安[8]利用模擬老化方法考察了國產(chǎn)道路瀝青老化過程中分子量分布的變化，測試結(jié)果表明平均分子量與分散度顯著增加。水恒福等[9]通過H-NMR結(jié)合紅外光譜對瀝青老化進(jìn)行了探究。亓玉臺[10]對單家寺和勝利直溜道路瀝青及其組分在吸氧老化中化學(xué)族組成和平均結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，認(rèn)為老化后瀝青的各組分變重，平均分子量增大各種試樣平均分子的總碳數(shù)、總環(huán)數(shù)、縮合指數(shù)和芳香度增加。Soon-Jea-Lee等采用了GPC測試方法研究了老化瀝青的分子量及其分布情況，其他研究者們的研究結(jié)果大多數(shù)認(rèn)為瀝青老化后大分子量比例增多且分子量增大。周安娜等[11]通過薄膜烘箱老化試驗，認(rèn)為瀝青在老化過程中平均分子量與分散度顯著增加。金鳴林等[12]通過試驗測定了韓國瀝青薄膜熱老化前后的特征官能團(tuán)變化，認(rèn)為引起該瀝青老化的主要原因是瀝青分子中的活性基團(tuán)與空氣中的氧反應(yīng)生成極性分子。瀝青分子中氧、硫原子主要以羰基、亞砜基官能團(tuán)以及硫醚、硫醇的形式存在。

綜合以上研究表明，道路瀝青的老化是由于瀝青中活性基團(tuán)與空氣中氧反應(yīng)的結(jié)果，氧化的產(chǎn)物主要以羰基與亞砜基官能團(tuán)，深度老化有可能生成羧基官能團(tuán)，改性瀝青可能生成羥基，由于分子間的締合與縮聚作用使得老化后瀝青的平均分子量增加。從組成和結(jié)構(gòu)分析，老化后瀝青中膠質(zhì)減少，瀝青質(zhì)增加，軟化點升高，粘度增大，針入度與延度下降。

4、改性瀝青老化研究

隨著改性瀝青在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用，對改性瀝青老化規(guī)律的研究也受到了相應(yīng)的重視。龐凌等[13]對70#基質(zhì)瀝青及PG70-28改性瀝青分別進(jìn)行了室內(nèi)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化、壓力老化及室外光氧老化試驗，采用針入度、針入度指數(shù)、延度、軟化點等指標(biāo)分析考察了室內(nèi)熱氧老化對瀝青高溫穩(wěn)定性、低溫開裂性及溫度敏感性能的影響，結(jié)果表明改性瀝青的抗老化性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青。xiaohu Lu等[7]通過紅外光譜研究發(fā)現(xiàn)，雖然不能阻止瀝青老化過程中碳基的生成，但是。老化后改性瀝青的流變性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青。劉東杰[14]分析SBS改性瀝青老化后的動態(tài)力學(xué)性能、粘度變化和低溫性能，結(jié)果表明SBS改善了瀝青老化后的性能，改性瀝青長期使用性能良好。王仕峰[15]考察了SBS改性瀝青的薄膜烘箱老化行為，表明SBS改性瀝青老化后增加了羰基和亞砜基，SBS和瀝青的相對分子質(zhì)量都發(fā)生了變化，改性瀝青老化程度小于基質(zhì)瀝青。陳華鑫[16]計算得出經(jīng)過相同壓力老化后改性瀝青老化的紅外光譜圖上的1700cm-1/1600cm-1之比由基質(zhì)瀝青得0.5增加至0.77，說明改性瀝青老化后羰基增多，且認(rèn)為是SBS聚丁二烯被氧化的結(jié)果。

結(jié)論：

瀝青在老化過程中，除了發(fā)生氧化以及輕組分的揮發(fā)及聚合反應(yīng)，還有改性劑的裂解等一系列反應(yīng)。本文從上述幾個方面分析基質(zhì)瀝青的老化規(guī)律及機(jī)理研究，得出主要是基質(zhì)瀝青通過氧化，聚合等反應(yīng)導(dǎo)致瀝青中組分的改變，而改性瀝青主要是通過氧化以及改性劑的降解等反應(yīng)導(dǎo)致SBS改性瀝青的改性性能發(fā)生變化。