沥青的老化机理及评价方法浅析

2022-11-24李飞扬

四川水泥 2022年10期

李飞扬

（重庆建设工程质量监督检测中心有限公司，重庆401336）

0 引言

沥青路面在道路建设中十分普遍，其耐久性备受重视。沥青的老化现象是导致沥青路用性能严重劣化根本原因，会因此产生路面病害，降低沥青路面的耐久性。研究沥青的老化机理，分析判断沥青老化性能评价方法，对混合料组成的设计和施工、沥青路面的养护等具有重要的指导意义。

1 沥青的老化机理与生命周期

当前的相关研究认为，沥青生命周期内的老化进程与所处环境有关，不同时间段内进行着不同情况的老化[1]。沥青在生产、加工、拌合、运输、摊铺、碾压、使用、回收等多个生命周期阶段，所经历的环境条件并不相同，使其老化的因素也不一样。因此要分析沥青生命周期内的老化机理，必须先明确沥青生命周期内各个阶段所处的环境，找到引起沥青老化的主要因素。目前各学者的研究表明，沥青的老化主要表现为物理性老化和化学性老化[2]。

1.1 物理性老化

物理性老化主要是指沥青中的各种组分在物理作用下发生比例改变的老化现象。当前的研究表明，物理性老化主要是轻组分挥发和集料的吸收。当沥青受热时，组成沥青的分子布朗运动速率远大于常温时，而轻组分较于大分子更容易因为高速率的布朗运动而散失挥发在空气中。另一方面，集料的孔隙会吸附一定量的轻组分，使得沥青的各种组分间的比例发生改变，最终导致沥青的路用性能劣化，这种变化就是沥青的物理性老化[3]。从物理性老化的原理来看，这种老化发生的主要阶段是沥青受热时，即沥青的生产加工、混合料的生产摊铺等过程。

1.2 化学性老化

沥青的化学性老化是指沥青中的某些分子的化学键发生断裂，分子结构发生改变。这种改变往往是长期的、缓慢的，并且需要一定的条件才能发生。主要是一些沥青中的大分子物质在热和空气的长期作用下，与空气中的氧结合，发生缓慢氧化的过程；亦或是沥青中的大分子受高热而产生化学键断裂的过程；另外一类是大分子物质由于阳光（主要是紫外线）的作用而发生化学键断裂，裂解成小分子物质的过程。最终使沥青中的各种组分发生改变，并劣化了沥青的路用性能[4-5]。从这种沥青老化的原理来看，化学性老化主要发生在沥青混合料路面的长期使用过程中。

1.3 基质沥青与改性沥青的老化

1.3.1 基质沥青的老化

基质沥青的老化包括物理性老化和化学性老化两个方面。基质沥青的生命周期经历着各个阶段，物理性老化和化学性老化相互贯穿、同时进行，使得基质沥青的路用性能劣化，最终表现为沥青路面产生病害。

1.3.2 改性沥青的老化

改性沥青的老化包括基质沥青的老化和改性剂的老化两个方面。其中基质沥青的老化与普通情况下的基质沥青老化行为基本一致，但改性剂的老化也存在轻组分的挥发和化学键的断裂两类主要的作用。一方面改性沥青中的基质沥青发生了老化使改性沥青性能劣化，另一方面是改性剂的老化也加速了改性沥青性能的劣化。

1.4 沥青在生命周期中的老化

沥青在生命周期内，根据其所处的温、湿度等环境大致分为3个阶段。

第1阶段，即沥青的生产、加工、拌合、运输、摊铺、碾压过程。在生产、加工时，沥青往往被加热到较高的温度进行提炼，并最终形成相应标号、相应性能的不同等级的沥青产品，再根据使用需求进行改性加工，也同样处于较高的温度下，才能使改性剂与沥青充分融合，发挥改性剂的效用。在拌合、运输、摊铺、碾压等施工工序中，广泛使用热拌沥青混合料技术，通常将沥青加热至160～190℃范围进行拌合，以保证沥青与集料的充分混合，并且至碾压成型前均保持较高温度。这样的高温环境使得沥青中的轻组分挥发，并且存在少量的大分子被破坏成小分子的过程，在高温环境下，氧气的作用也不可忽略。这样的老化过程，一般称为短期老化。

第2阶段，即沥青以沥青混合料的形式，长期铺筑在道路上作为面层与行车荷载、水、氧、光（主要是紫外线）等因素作用的阶段。一般的沥青路面设计使用寿命为15年，在此过程中，沥青与上述不利因素广泛接触，沥青中的轻组分进一步挥发，大量的大分子物质被破坏成小分子，并且集料所存在的各种孔隙将持续对沥青中的成分进行渗透吸收，沥青的胶凝结构从溶胶型、溶-凝胶型向凝胶型转变，沥青中的沥青质显著增加。这样的阶段一般称为长期老化。

第3阶段，沥青路面的使用周期结束后，面临铣刨、再生等加工过程，沥青混合料中的老化沥青在铣刨机械和集料的共同作用下，与矿粉等物质进一步混合，铣刨的RAP料基本丧失了沥青的性质，必须再添加新沥青和再生剂后才能发挥效用。在此阶段中，沥青的生命周期终结，不再发挥应有的胶黏作用。

而对于沥青路用性能的影响主要来自于第1阶段和第2阶段的老化行为。

2 老化性能评价方法

由于沥青的老化主要发生在前两个阶段，那么对于沥青老化评价方法的研究就可以从两个方面着手。第一种是从沥青的老化机理角度出发，以物理和化学两个方面分别对沥青进行老化，并通过一定的手段评价其老化前后的性能。第二种是从老化周期的角度出发，以短期老化和长期老化两种阶段着手，分别引入不同的老化因素，并通过一定的手段评价老化前后的性能。本文主要是以第二种方法来研究沥青的老化性能。

2.1 模拟短期老化

现行的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的TFOT、RTFOT方法均属于短期热、氧老化，模拟的是沥青在沥青混合料拌合、运输、摊铺、碾压过程中的老化行为，主要是以物理性老化为主。然后再针对回收的老化沥青进行常规性能试验，通过对比老化前后的性能来判断该沥青的抗老化的能力。

然而此试验法方法存在较大的局限性。沥青的老化一方面发生在沥青路面的施工阶段，另一方面发生在沥青路面的使用过程中。此方法仅能对施工阶段情况进行模拟，无法对沥青在使用过程中的老化行为进行预判。且该试验方法的试验温度仅为163℃，针对普通道路石油沥青而言，尚且具备一定的操作性，若是针对上面层常用的SBS改性沥青、PE改性沥青、橡胶改性沥青、高黏改性沥青等黏度较大的改性沥青来说，在规定的试验温度下黏度较大，无法对其成型，后续的试验操作便无从进行。

2.2 模拟长期老化

PVA压力容器老化属于长期热、氧老化，模拟的是沥青在沥青路面的使用过程中受热和氧气作用而发生老化的行为。通过采用薄膜烘箱或者旋转薄膜烘箱老化后的样品进行PVA压力容器老化，从一定程度上可以模拟沥青全生命周期内的老化行为，但对老化条件的选择过于局限，老化后的性能评价仍采用常规性能试验。此方法的局限性在于没有综合考虑光（主要是紫外线）、水、行车荷载等因素对沥青老化行为的影响。

2.3 沥青混合料的老化后性能

沥青的老化性能评价是其中的一种研究方向，而研究沥青混合料在一定条件下老化后的性能，对于评价其路用性能更为直接。将沥青的老化行为直接与沥青混合料的性能相关联，不必通过沥青的老化后性能间接的评价，可以更为直观地了解沥青混合料老化后，沥青路面的性能特征，对沥青路面的耐久性进行直接评价[6]。

3 研究沥青老化性能中的要点

3.1 老化条件的选择

模拟沥青老化的条件既要能模拟沥青在沥青混合料拌合、运输、摊铺、碾压过程中的老化，又要能够反映沥青在沥青路面使用过程中受到的光、氧、热、水、行车荷载等条件下的综合作用。设计完整的老化试验程序是研究沥青老化行为的基础，但基质沥青和改性沥青由于使用部位不一样，其受到老化的条件也不一样，不能一概而论，需要区别试验程序和老化条件。当前的道路建设中，中下面层多以基质沥青为主，而上面层以改性沥青为主，因此沥青的老化条件应根据所使用的部位不同而做出相应的改变。应用于中下面层的沥青应选择以物理性老化为主、化学性老化为辅的试验条件；应用于上面层的沥青应以化学性老化为主、物理性老化为辅的试验条件。

3.2 老化后的性能评价

老化后的性能试验方法首先要满足于能够完整地表征出老化前和老化后的性能对比，其次也要考虑试验操作的便利性和经济性。针对于学术研究的试验方法可以多种角度进行评价，而针对于工程实际，则需要准确、便于实施、经济等，方能进行推广。

黄旭[2]等主要通过DSR试验、BBR试验、四组分试验、傅里叶红外光谱试验等方法研究了老化沥青的性能，这些试验方法开展起来较为复杂，不利于在工程中推广使用。祝海折[6]等直接通过沥青混合料试验来评价沥青的老化性能，通过常规的标准车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和浸水车辙试验等，得出了国内常规试验评价老化后的沥青混合料性能具有局限性，而汉堡车辙能较好地反映短期老化后改性沥青混合料的综合路用性能的结论。李晶[7]等则是从微观方面分析了沥青的老化行为，通过GPC试验结合红外光谱分析、元素分析的方式对比了PVA老化和RTFOT老化在基质沥青的老化性能评价中的适用性，为沥青老化性能的评价方法提出了另外一种研究角度。

本文认为，在对比沥青老化前后性能的研究方向中，沥青的三大指标目前仍是沥青性能评价体系中非常重要的指标，可以根据老化试验前后的三大指标变化来描述沥青的抗老化性能。例如可以用老化前后的针入度比、延度比、软化点差值等参数来表征，亦可建立针入度、延度、软化点的多维度量化方程，以老化系数的方式来评价沥青的抗老化性能。