沥青老化机理及评价方法分析

沥青老化机理及评价方法分析

胡海学

天津市交通科学研究院天津市300074

摘要：沥青的老化是影响沥青路面使用性能的一个重要因素。本文阐述了沥青在运输、贮存、拌和及使用过程中的老化机理，并针对短期老化、长期老化分析其评价方法，为沥青结合料检测及工程施工提供理论参考。

关键词：沥青；老化机理；评价方法

1引言

沥青老化是指沥青从炼油厂被炼制出来后，在贮存、运输、施工及使用过程中，由于长时间地暴露在空气中，在环境因素如受热、氧气、阳光和水的作用下，会发生一系列的挥发、氧化、聚合，乃至沥青内部结构发生变化，同时发生性质变化，导致路用性能劣化的过程。沥青老化是一个逐渐发生的过程，它的速率直接影响路面的使用寿命，因而是影响沥青路面耐久性的主要因素。

2沥青老化过程分析

沥青的老化过程，可以分为三个阶段，如图1所示。

图1沥青在拌和、贮存、运输及使用过程中的老化

（1）运输、贮存、加热过程中的老化

沥青自从炼油厂炼制出来以后，直至拌制沥青混合料之前，一直装在保温的沥青罐内，沥青的热态贮存、热态运输、在储油罐内预热、配油釜内调配等过程，往往经历很长时间。由于温度升高加速分子的运动，除引起沥青蒸发外，还能引起沥青发生某些物理化学变化。在这个时期，沥青老化的机理主要是：

①由于受热使沥青中的轻质油分不断挥发，使沥青变硬变脆，降低粘结性；

②储罐表面的沥青与空气接触，与空气中的氧气会发生一些聚合反应，沥青也会发生一定程度的老化。

③沥青在管道内不断运行并由储罐顶处洒落到罐内时，沥青的表面积增大，沥青将发生氧化反应。

由于这段时间内沥青还贮存在储油罐中，沥青的数量多、深度深，接触加热源及空气的面积较小，所以老化并不会很严重。

（2）沥青在加热拌和及铺筑过程中的老化

沥青最主要也是最常规的使用方式，是采用热拌沥青混合料的施工方式，此时沥青将经历一个比贮存过程严重得多的老化过程。拌和过程中的老化是最重要的，通常称之为热老化。

集料和填料混合揽拌时被沥青薄膜所裹覆，其薄膜厚度一般在5～15μm。沥青在拌和机内与热矿料混合，其温度一般高达160～180℃，直接影响到沥青的氧化和组分挥发。除了加热温度影响外，拌和时间、沥青用量也会造成拌和过程中沥青的老化。一般来说，拌和温度越高、沥青膜越薄，沥青的老化也越严重。

（3）沥青在路面使用过程中的老化

沥青在路面使用过程中由于环境因素及荷载因素，特别是在水分、紫外线、氧气的长期作用下，亦会引起老化，但老化的进程是一个比较缓慢的长期的过程，在路面开放交通2-3年间稍快一些，以后变慢。导致沥青老化的因素除了水分与紫外线作用外，还与三个化学成分的因素有关，①由于挥发或骨料的吸收使低分子油分含量减少；②由于同大气中的氧发生反应使沥青的化学结构发生变化；③分子间形成可导致触变效应的结构。

相关研究表明，即使是550μm波长的紫外线，射入沥青的深度也只有0.1mm左右。沥青只有与空气接触才会发生老化。沥青路面的压实度和空隙率对老化的影响至为重要，空隙率大就容易进去空气、水、光线，当然就容易发生老化。沥青膜的厚度对沥青老化也很重要，沥青膜越薄，老化越快。

3沥青老化评价方法

3.1沥青短期老化评价方法

沥青的短期老化，主要是指沥青在拌和和铺筑过程中的老化。评价沥青在拌和过程中热老化程度的试验方法，是薄膜加热试验（TFOT）及旋转式薄膜加热试验（RTFOT）。

试验规程对薄膜加热试验方法有具体的规定，它是将50g沥青试样放入直径140mm、深9.5mm的不锈钢盛样皿中，沥青膜的厚度为3.2m，在163℃通风烘箱的条件下以5，5r/min的速率旋转，测定经过5h后的质量损失及针入度等各种性质指标的变化的试验方法。TFOT的加热时间越长，沥青老化越严重，TFOT的标准加热时间规定为163℃、5h，是为了模拟沥青混合料拌和过程中沥青的老化程度，

试验规程对旋转薄膜加热试验规定：沥青试样35g装入高140mm、直径64mm的开口玻璃瓶中，盛样瓶插入旋转烘箱中，接受以4000mL/min流量吹入的热空气，在163℃的高温下以15r/min的速度旋转，经过75min的老化后，测定沥青的质量损失及针入度、粘度等各种指标的变化。据推算，沥青在玻璃瓶中的膜厚仅5-10μm左右，所以沥青老化的过程不仅有轻质油分的挥发，还含有氧化作用的发生，老化的进程要比TFOT快得多。

3.2沥青长期老化评价方法

相对于拌和和铺筑过程的短期老化而言，沥青在路面使用过程中的老化是一个漫长的过程，称为长期老化。

美国SHRP成果SUPERPAVE提出压力老化试验，简称PAV。SHRP研究认为，沥青结合料老化主要是基于两种不同的机理：沥青中轻质油分的挥发和与环境中的氧起反应。在热拌和铺筑过程中，由于有高温热气流的存在，结合科的老化按这两种机理发生老化，采用旋转薄膜加热试验是适宜的。在路面竣工后，虽然老化仍继续进行，但使用温度较低，挥发已经不再是主要的了，氧化机理将占主要的地位。沥青结合料是由有机高分子组成的，能同环境中的氧气发生氧化反应使沥青变硬变脆，形成时间性氧化硬化或老化硬化，虽然在温暖气候条件下氧化较快，但氧化硬化的过程相当缓慢，且与路面的压实情况和空隙率关系甚大。

压力老化试验标准的老化温度视标号的不同规定为90～110℃，老化时间为20h，容器内的充气压力为2.1MPa。试验数据表明，PAV试验对沥青老化的影响相当于使用路面表层沥青老化5年的情况，对不同老化条件的试样进行针入度和四组分含量试验，并按SHRP方法进行DSR试验，评价沥青老化性能。

3.3SHRP评价沥青的老化性能

SHRP评价沥青结合料的老化性能，主要是确定一个模拟实践状态的老化条件，使沥青结合料经受模拟生产过程的短期老化和模拟使用过程的长期老化，然后采用不同老化程度的沥青结合料进行试验。例如，在SHRP沥青结合料路用性能规范中，考虑到沥青路面的车辙等永久变形主要发生在沥青路面铺筑的初期（对车辙变形来说是最不利季节），所以采用原样沥青和RTFOT后的沥青结合料的两次动态剪切试验（DSR）的复数劲度模量来评价；而沥青路面的低温开裂和疲劳开裂主要发生在沥青路面已经老化的后期（对开裂来说是不利的），所以采用经过RTFOT又经过PAV的沥青结合料，通过动态剪切试验（DSR）、弯曲蠕变试验（BBR）、直接拉伸试验（DDT）等各种指标来评价。也就是说，沥青结合料的老化是制造一个标准的过程，不是通过老化前后的性质变化来评价，而是直接通过老化以后的各种路用性能：抗永久变形、抗裂性能（低温开裂、疲劳开裂）来评价的。

4结论

沥青的老化是影响沥青路面使用性能的一个重要因素。沥青在热拌、施工及使用过程中受到温度、光照、空气和降水等外界环境因素的影响以及车辆荷载的作用而发生挥发、氧化等一系列不可逆的物理变化和化学变化，使沥青性质发生较大的变化，导致沥青性能劣化。通过分析沥青老化机理以及针对不同的老化过程进行评价，为沥青结合料检测及工程施工提供理论参考。

参考文献：

[1]杨磊.长期光氧老化对沥青性能的影响[J].北方交通，2009（2）：53-56.

[2]陈华鑫，陈栓发，王秉纲.基质沥青老化行为与老化机理[J].山东大学学报（工学版），2009，39（2）：125-131.

[3]赵志军，陈明宇，吴少鹏等.沥青的老化机理与性能研究[J].建材世界，2009，30（2）：159-162.