瀝青的老化機理及評價方法淺析

李飛揚

（重慶建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中心有限公司，重慶401336）

0 引言

瀝青路面在道路建設(shè)中十分普遍，其耐久性備受重視。瀝青的老化現(xiàn)象是導致瀝青路用性能嚴重劣化根本原因，會因此產(chǎn)生路面病害，降低瀝青路面的耐久性。研究瀝青的老化機理，分析判斷瀝青老化性能評價方法，對混合料組成的設(shè)計和施工、瀝青路面的養(yǎng)護等具有重要的指導意義。

1 瀝青的老化機理與生命周期

當前的相關(guān)研究認為，瀝青生命周期內(nèi)的老化進程與所處環(huán)境有關(guān)，不同時間段內(nèi)進行著不同情況的老化[1]。瀝青在生產(chǎn)、加工、拌合、運輸、攤鋪、碾壓、使用、回收等多個生命周期階段，所經(jīng)歷的環(huán)境條件并不相同，使其老化的因素也不一樣。因此要分析瀝青生命周期內(nèi)的老化機理，必須先明確瀝青生命周期內(nèi)各個階段所處的環(huán)境，找到引起瀝青老化的主要因素。目前各學者的研究表明，瀝青的老化主要表現(xiàn)為物理性老化和化學性老化[2]。

1.1 物理性老化

物理性老化主要是指瀝青中的各種組分在物理作用下發(fā)生比例改變的老化現(xiàn)象。當前的研究表明，物理性老化主要是輕組分揮發(fā)和集料的吸收。當瀝青受熱時，組成瀝青的分子布朗運動速率遠大于常溫時，而輕組分較于大分子更容易因為高速率的布朗運動而散失揮發(fā)在空氣中。另一方面，集料的孔隙會吸附一定量的輕組分，使得瀝青的各種組分間的比例發(fā)生改變，最終導致瀝青的路用性能劣化，這種變化就是瀝青的物理性老化[3]。從物理性老化的原理來看，這種老化發(fā)生的主要階段是瀝青受熱時，即瀝青的生產(chǎn)加工、混合料的生產(chǎn)攤鋪等過程。

1.2 化學性老化

瀝青的化學性老化是指瀝青中的某些分子的化學鍵發(fā)生斷裂，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。這種改變往往是長期的、緩慢的，并且需要一定的條件才能發(fā)生。主要是一些瀝青中的大分子物質(zhì)在熱和空氣的長期作用下，與空氣中的氧結(jié)合，發(fā)生緩慢氧化的過程；亦或是瀝青中的大分子受高熱而產(chǎn)生化學鍵斷裂的過程；另外一類是大分子物質(zhì)由于陽光（主要是紫外線）的作用而發(fā)生化學鍵斷裂，裂解成小分子物質(zhì)的過程。最終使瀝青中的各種組分發(fā)生改變，并劣化了瀝青的路用性能[4-5]。從這種瀝青老化的原理來看，化學性老化主要發(fā)生在瀝青混合料路面的長期使用過程中。

1.3 基質(zhì)瀝青與改性瀝青的老化

1.3.1 基質(zhì)瀝青的老化

基質(zhì)瀝青的老化包括物理性老化和化學性老化兩個方面?；|(zhì)瀝青的生命周期經(jīng)歷著各個階段，物理性老化和化學性老化相互貫穿、同時進行，使得基質(zhì)瀝青的路用性能劣化，最終表現(xiàn)為瀝青路面產(chǎn)生病害。

1.3.2 改性瀝青的老化

改性瀝青的老化包括基質(zhì)瀝青的老化和改性劑的老化兩個方面。其中基質(zhì)瀝青的老化與普通情況下的基質(zhì)瀝青老化行為基本一致，但改性劑的老化也存在輕組分的揮發(fā)和化學鍵的斷裂兩類主要的作用。一方面改性瀝青中的基質(zhì)瀝青發(fā)生了老化使改性瀝青性能劣化，另一方面是改性劑的老化也加速了改性瀝青性能的劣化。

1.4 瀝青在生命周期中的老化

瀝青在生命周期內(nèi)，根據(jù)其所處的溫、濕度等環(huán)境大致分為3個階段。

第1階段，即瀝青的生產(chǎn)、加工、拌合、運輸、攤鋪、碾壓過程。在生產(chǎn)、加工時，瀝青往往被加熱到較高的溫度進行提煉，并最終形成相應(yīng)標號、相應(yīng)性能的不同等級的瀝青產(chǎn)品，再根據(jù)使用需求進行改性加工，也同樣處于較高的溫度下，才能使改性劑與瀝青充分融合，發(fā)揮改性劑的效用。在拌合、運輸、攤鋪、碾壓等施工工序中，廣泛使用熱拌瀝青混合料技術(shù)，通常將瀝青加熱至160～190℃范圍進行拌合，以保證瀝青與集料的充分混合，并且至碾壓成型前均保持較高溫度。這樣的高溫環(huán)境使得瀝青中的輕組分揮發(fā)，并且存在少量的大分子被破壞成小分子的過程，在高溫環(huán)境下，氧氣的作用也不可忽略。這樣的老化過程，一般稱為短期老化。

第2階段，即瀝青以瀝青混合料的形式，長期鋪筑在道路上作為面層與行車荷載、水、氧、光（主要是紫外線）等因素作用的階段。一般的瀝青路面設(shè)計使用壽命為15年，在此過程中，瀝青與上述不利因素廣泛接觸，瀝青中的輕組分進一步揮發(fā)，大量的大分子物質(zhì)被破壞成小分子，并且集料所存在的各種孔隙將持續(xù)對瀝青中的成分進行滲透吸收，瀝青的膠凝結(jié)構(gòu)從溶膠型、溶-凝膠型向凝膠型轉(zhuǎn)變，瀝青中的瀝青質(zhì)顯著增加。這樣的階段一般稱為長期老化。

第3階段，瀝青路面的使用周期結(jié)束后，面臨銑刨、再生等加工過程，瀝青混合料中的老化瀝青在銑刨機械和集料的共同作用下，與礦粉等物質(zhì)進一步混合，銑刨的RAP料基本喪失了瀝青的性質(zhì)，必須再添加新瀝青和再生劑后才能發(fā)揮效用。在此階段中，瀝青的生命周期終結(jié)，不再發(fā)揮應(yīng)有的膠黏作用。

而對于瀝青路用性能的影響主要來自于第1階段和第2階段的老化行為。

2 老化性能評價方法

由于瀝青的老化主要發(fā)生在前兩個階段，那么對于瀝青老化評價方法的研究就可以從兩個方面著手。第一種是從瀝青的老化機理角度出發(fā)，以物理和化學兩個方面分別對瀝青進行老化，并通過一定的手段評價其老化前后的性能。第二種是從老化周期的角度出發(fā)，以短期老化和長期老化兩種階段著手，分別引入不同的老化因素，并通過一定的手段評價老化前后的性能。本文主要是以第二種方法來研究瀝青的老化性能。

2.1 模擬短期老化

現(xiàn)行的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）中的TFOT、RTFOT方法均屬于短期熱、氧老化，模擬的是瀝青在瀝青混合料拌合、運輸、攤鋪、碾壓過程中的老化行為，主要是以物理性老化為主。然后再針對回收的老化瀝青進行常規(guī)性能試驗，通過對比老化前后的性能來判斷該瀝青的抗老化的能力。

然而此試驗法方法存在較大的局限性。瀝青的老化一方面發(fā)生在瀝青路面的施工階段，另一方面發(fā)生在瀝青路面的使用過程中。此方法僅能對施工階段情況進行模擬，無法對瀝青在使用過程中的老化行為進行預判。且該試驗方法的試驗溫度僅為163℃，針對普通道路石油瀝青而言，尚且具備一定的操作性，若是針對上面層常用的SBS改性瀝青、PE改性瀝青、橡膠改性瀝青、高黏改性瀝青等黏度較大的改性瀝青來說，在規(guī)定的試驗溫度下黏度較大，無法對其成型，后續(xù)的試驗操作便無從進行。

2.2 模擬長期老化

PVA壓力容器老化屬于長期熱、氧老化，模擬的是瀝青在瀝青路面的使用過程中受熱和氧氣作用而發(fā)生老化的行為。通過采用薄膜烘箱或者旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化后的樣品進行PVA壓力容器老化，從一定程度上可以模擬瀝青全生命周期內(nèi)的老化行為，但對老化條件的選擇過于局限，老化后的性能評價仍采用常規(guī)性能試驗。此方法的局限性在于沒有綜合考慮光（主要是紫外線）、水、行車荷載等因素對瀝青老化行為的影響。

2.3 瀝青混合料的老化后性能

瀝青的老化性能評價是其中的一種研究方向，而研究瀝青混合料在一定條件下老化后的性能，對于評價其路用性能更為直接。將瀝青的老化行為直接與瀝青混合料的性能相關(guān)聯(lián)，不必通過瀝青的老化后性能間接的評價，可以更為直觀地了解瀝青混合料老化后，瀝青路面的性能特征，對瀝青路面的耐久性進行直接評價[6]。

3 研究瀝青老化性能中的要點

3.1 老化條件的選擇

模擬瀝青老化的條件既要能模擬瀝青在瀝青混合料拌合、運輸、攤鋪、碾壓過程中的老化，又要能夠反映瀝青在瀝青路面使用過程中受到的光、氧、熱、水、行車荷載等條件下的綜合作用。設(shè)計完整的老化試驗程序是研究瀝青老化行為的基礎(chǔ)，但基質(zhì)瀝青和改性瀝青由于使用部位不一樣，其受到老化的條件也不一樣，不能一概而論，需要區(qū)別試驗程序和老化條件。當前的道路建設(shè)中，中下面層多以基質(zhì)瀝青為主，而上面層以改性瀝青為主，因此瀝青的老化條件應(yīng)根據(jù)所使用的部位不同而做出相應(yīng)的改變。應(yīng)用于中下面層的瀝青應(yīng)選擇以物理性老化為主、化學性老化為輔的試驗條件；應(yīng)用于上面層的瀝青應(yīng)以化學性老化為主、物理性老化為輔的試驗條件。

3.2 老化后的性能評價

老化后的性能試驗方法首先要滿足于能夠完整地表征出老化前和老化后的性能對比，其次也要考慮試驗操作的便利性和經(jīng)濟性。針對于學術(shù)研究的試驗方法可以多種角度進行評價，而針對于工程實際，則需要準確、便于實施、經(jīng)濟等，方能進行推廣。

黃旭[2]等主要通過DSR試驗、BBR試驗、四組分試驗、傅里葉紅外光譜試驗等方法研究了老化瀝青的性能，這些試驗方法開展起來較為復雜，不利于在工程中推廣使用。祝海折[6]等直接通過瀝青混合料試驗來評價瀝青的老化性能，通過常規(guī)的標準車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和浸水車轍試驗等，得出了國內(nèi)常規(guī)試驗評價老化后的瀝青混合料性能具有局限性，而漢堡車轍能較好地反映短期老化后改性瀝青混合料的綜合路用性能的結(jié)論。李晶[7]等則是從微觀方面分析了瀝青的老化行為，通過GPC試驗結(jié)合紅外光譜分析、元素分析的方式對比了PVA老化和RTFOT老化在基質(zhì)瀝青的老化性能評價中的適用性，為瀝青老化性能的評價方法提出了另外一種研究角度。

本文認為，在對比瀝青老化前后性能的研究方向中，瀝青的三大指標目前仍是瀝青性能評價體系中非常重要的指標，可以根據(jù)老化試驗前后的三大指標變化來描述瀝青的抗老化性能。例如可以用老化前后的針入度比、延度比、軟化點差值等參數(shù)來表征，亦可建立針入度、延度、軟化點的多維度量化方程，以老化系數(shù)的方式來評價瀝青的抗老化性能。

4 結(jié)束語

（1）從瀝青生命周期的角度，對瀝青的老化機理進行了分析，指出了瀝青的老化行為主要分為物理性老化和化學性老化，并分析了瀝青生命周期內(nèi)各階段中主要存在的老化類型，為瀝青老化試驗中的條件選擇和程序設(shè)置提供了理論基礎(chǔ)。

（2）模擬瀝青老化的條件既要能模擬瀝青在瀝青混合料拌合、運輸、攤鋪、碾壓過程中的老化，又要能夠反映瀝青在瀝青路面使用過程中受到的光、氧、熱、水、行車荷載等條件下的綜合作用。

（3）從老化周期的角度出發(fā)，以短期老化和長期老化兩種階段著手，分別引入不同的老化因素，并通過一定的手段來評價老化前后的性能。

（4）瀝青的三大指標目前仍是瀝青性能評價體系中非常重要的指標。