引起瀝青路面老化的不同原因及其影響有哪些？
為研究各個(gè)因素作用下對(duì)瀝青老化的影響，在不同瀝青老化分類下從物理性質(zhì)、化學(xué)組成結(jié)構(gòu)及老化機(jī)理方面進(jìn)行討論。
1 背景及研究現(xiàn)狀
瀝青是由不同分子量的碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘傺苌锝M成的黑、褐色復(fù)雜混合物，物理形態(tài)表現(xiàn)為高粘度有機(jī)液體，表面呈黑色。瀝青在生產(chǎn)到使用過(guò)程中與空氣長(zhǎng)時(shí)間接觸，會(huì)發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，如蒸發(fā)、脫氫、氧化、縮合等。此時(shí)瀝青的物理性能表現(xiàn)為逐漸硬化變脆，在外力作用下極易開(kāi)裂破碎，不能繼續(xù)發(fā)揮其原有的粘結(jié)、密封等作用。這種受到外界環(huán)境影響而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生的不可逆轉(zhuǎn)的變化叫作老化。由于無(wú)法將瀝青內(nèi)的成分分化為各個(gè)純凈物，對(duì)瀝青的研究基本是按照族組分分離后分類研究，常用的方法是將其分為飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。
自上世紀(jì)開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的學(xué)者就開(kāi)始了瀝青路面損害的相關(guān)研究。李海軍、黃曉明等[1]學(xué)者認(rèn)為在瀝青的使用過(guò)程中，引起瀝青變質(zhì)、促進(jìn)瀝青老化、影響瀝青老化程度的主要原因分別是氧、熱以及老化時(shí)間的長(zhǎng)短。同時(shí)，水、紫外線也是引起瀝青老化的重要因素。根據(jù)引起瀝青老化的不同原因，可將瀝青材料的老化分為熱氧老化、光老化及水老化。
2 瀝青的熱氧老化
瀝青的老化主要發(fā)生在與外部環(huán)境接觸的過(guò)程中，主要因素是氧和溫度。在生產(chǎn)到投入使用過(guò)程中，瀝青就開(kāi)始發(fā)生不同程度的熱氧老化反應(yīng)，目前普遍認(rèn)為熱氧老化可分為三個(gè)階段：第一階段是生產(chǎn)后的運(yùn)輸和儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，該階段瀝青與空氣的接觸面積很小，熱氧老化并不嚴(yán)重；第二階段是瀝青和集料的拌合及攤鋪、碾壓過(guò)程，該過(guò)程中拌合瀝青溫度將達(dá)170°C左右，性能指標(biāo)會(huì)劇烈降低并產(chǎn)生嚴(yán)重的熱氧老化反應(yīng)，該階段是熱氧老化的主要階段；第三階段是瀝青路面鋪筑完成后，路面在溫度變化、紫外線照射等因素的影響下發(fā)生的老化反應(yīng)，也是老化的主要過(guò)程。
2.1 熱氧老化對(duì)瀝青物理性能、化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響
瀝青在發(fā)生熱氧老化之后其針入度和延度減小，軟化點(diǎn)增大，使得瀝青變硬變脆，抗溫度裂縫和抗疲勞破壞能力下降是在大量的試驗(yàn)研究下得出的一般結(jié)果。鐘一[2]研究了不同程度的老化對(duì)瀝青性能的影響后發(fā)現(xiàn)，隨著老化時(shí)間的不斷增加瀝青的高溫穩(wěn)定性提升而低溫變形能力變差。不同種類的瀝青在經(jīng)過(guò)熱氧老化后，原本差異巨大的性能指標(biāo)隨著老化程度增加逐漸變小。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究認(rèn)為瀝青的熱氧老化包括四個(gè)方面：氧化老化、自然硬化、輕組分揮發(fā)和滲流硬化，熱氧老化的最主要的原因就是氧化老化。瀝青在熱氧老化的過(guò)程一般表現(xiàn)為四組分之間的轉(zhuǎn)變：芳香分轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)，膠質(zhì)轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，飽和分的變化較小，即按照芳香分—膠質(zhì)—瀝青質(zhì)的順序轉(zhuǎn)化。一般認(rèn)為芳香分和膠質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性比較差，瀝青質(zhì)的分子量最大，溫度敏感性最小，而飽和分的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。之所以這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程發(fā)生是因?yàn)闉r青中的芳香分在熱氧老化中較易發(fā)生氧化縮合，繼而產(chǎn)生縮聚、氧化等化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過(guò)這一過(guò)程的變化使得瀝青族組分含量發(fā)生改變，使瀝青的膠體結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，從而帶來(lái)瀝青物理性能的劣化。
2.2 熱氧老化機(jī)理
對(duì)于瀝青的熱氧老化機(jī)理方面，大量研究借助對(duì)瀝青熱氧老化前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征和分析，從而推測(cè)出瀝青的熱氧老化機(jī)理。瀝青分子在熱和氧的作用下生成游離自由基，游離自由基可與氧分子結(jié)合，生成過(guò)氧化游離自由基，過(guò)氧化游離自由基，進(jìn)一步與瀝青分子反應(yīng)，即生成氫過(guò)氧化物。隨著自由基反應(yīng)的進(jìn)行，瀝青分子不斷被氧化，同時(shí)生成更多的氧過(guò)氧化物，氫過(guò)氧化物在不斷生成的同時(shí)，也會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)，從而形成新的游離自由基。這些新生成的游離自由基又會(huì)引發(fā)瀝青分子發(fā)生進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，由于歧化作用，游離基還可能發(fā)生斷鏈反應(yīng)，同時(shí)氧過(guò)氧化物發(fā)生分解反應(yīng)，瀝青分子中的雙鍵也會(huì)參與氧化反應(yīng)。此可見(jiàn)，瀝青分子老化后生成了大量含有羰基官能團(tuán)的物質(zhì)，隨著反應(yīng)進(jìn)行到一定程度，游離自由基就會(huì)發(fā)生終止反應(yīng)，意味著瀝青的老化過(guò)程減緩或停止。
3 瀝青的光老化
太陽(yáng)光透過(guò)大氣層照射在地表的紫外線波長(zhǎng)為290-400nm，其能量高于瀝青中與苯環(huán)等穩(wěn)定基團(tuán)相連的C-C鍵和C-H鍵鍵能，所以紫外線對(duì)瀝青結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生破壞作用并形成自由基，使得瀝青分子發(fā)生縮合及脫氫等化學(xué)反應(yīng)，從而部分芳香分轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)，部分膠質(zhì)轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，最終瀝青質(zhì)的比重明顯增加。老化后的瀝青逐漸變脆變硬，路面的低溫抗裂性、疲勞耐久性顯著降低。影響瀝青光老化的因素有許多，包括：紫外光輻照強(qiáng)度、輻照時(shí)間、瀝青膜厚等，其中紫外光輻照強(qiáng)度是影響光老化速率最為重要的因素，瀝青光老化的速率隨著紫外光輻照強(qiáng)度的增加和輻照時(shí)間的增長(zhǎng)而加快。瀝青在拌合之后，包裹在集料上的瀝青膜很薄（一般只有10μm左右），在紫外光照射下，越薄的瀝青膜更容易發(fā)生老化且老化越嚴(yán)重。
3.1 光老化對(duì)瀝青物理性能、化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響
紫外光照射后瀝青的老化和熱氧老化對(duì)瀝青老化性能的影響并不*相同。對(duì)應(yīng)于瀝青路面低溫開(kāi)裂的延度和勁度模量這兩個(gè)指標(biāo)的研究來(lái)看，葉奮等[3]利用TFOT、PAV和人工強(qiáng)紫外光照射試驗(yàn)對(duì)瀝青進(jìn)行光老化和熱老化，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)瀝青熱氧老化對(duì)瀝青性能的影響是不如光老化的。同時(shí)瀝青在光老化后流變性能也會(huì)發(fā)生變化：粘度增大，感溫性能降低。紫外光老化增大了瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量，降低了相位角，從而使瀝青勁度增大。
光老化過(guò)程中瀝青的針入度和延度變小，軟化點(diǎn)升高，瀝青變硬變脆易于開(kāi)裂。瀝青在光陽(yáng)老化后與集料的粘附變差，在遇到水的侵蝕時(shí)易于從集料表面分離脫落，在路面上出現(xiàn)坑槽、龜裂等現(xiàn)象。
3.2瀝青的光老化機(jī)理
瀝青經(jīng)過(guò)紫外線照射，其中光子的能量引發(fā)瀝青中生成初始自由基。瀝青的紫外光老化屬于自由基鏈鎖反應(yīng)，包括鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)和鏈終止三個(gè)階段。瀝青分子生成游離自由基的原因是在紫外光的輻射作用下吸收了光子的能量。
4 瀝青的水老化
瀝青為憎水性材料，其內(nèi)部的可溶性物質(zhì)會(huì)由于水的長(zhǎng)期滲透作用下而減少，從而發(fā)生老化反應(yīng)。由于水等液體可以滲透到瀝青內(nèi)部，而這類液體的PH值不同，對(duì)于瀝青中瀝青質(zhì)以及油水界面張力的影響很大。
國(guó)內(nèi)外對(duì)于水老化的研究相對(duì)較少，Tarefder等[4]列出引起瀝青老化的15種原因中包含了水的作用，并發(fā)現(xiàn)水會(huì)在時(shí)間、加熱、氧氣及陽(yáng)光等因素的綜合作用下加速瀝青的老化。李海軍等人在瀝青的壓力老化試驗(yàn)中加入水分因子，并采用美國(guó)戰(zhàn)略性公路研究計(jì)劃中的高溫車轍因子和低溫勁度模量等參數(shù)指標(biāo)，表征在瀝青路面使用過(guò)程中的雨水和地下水等潮濕因素對(duì)瀝青老化性狀的影響。
隨著老化程度的加深，瀝青的復(fù)數(shù)模量增加、相位角減小。有水參與的作用使得瀝青的復(fù)數(shù)模量較無(wú)水參與的增量更大，其相位角更小。有水參與使得瀝青的疲勞極限溫度下降，降低了瀝青的抗疲勞性能。有水壓力老化瀝青的勁度模量大于常規(guī)壓力老化瀝青的，表明水分的作用使瀝青變硬、低溫勁度增加及老化程度加深，降低了瀝青的低溫抗裂性能。
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