引起沥青路面老化的不同原因
2023-01-04
沥青目前广泛运用在道路工程中，但沥青路面长期暴露在外在环境下，受到许多不同因素，如：紫外线、水分、氧化等影响。为研究各个因素作用下对沥青老化的影响，在不同沥青老化分类下从物理性质、化学组成结构及老化机理方面进行讨论。
1背景及研究现状
沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑、褐色复杂混合物，物理形态表现为高粘度有机液体，表面呈黑色。沥青在生产到使用过程中与空气长时间接触，会发生一系列的物理化学变化，如蒸发、脱氢、氧化、缩合等。此时沥青的物理性能表现为逐渐硬化变脆，在外力作用下易开裂破碎，不能继续发挥其原有的粘结、密封等作用。这种受到外界环境影响而导致内部结构、化学性质发生的不可逆转的变化叫作老化。由于无法将沥青内的成分分化为各个纯净物，对沥青的研究基本是按照族组分分离后分类研究，常用的方法是将其分为饱和分、芳香分、胶质和沥青质。
自上世纪开始，国内外相关的学者就开始了沥青路面损害的相关研究。李海军、黄晓明等学者认为在沥青的使用过程中，引起沥青变质、促进沥青老化、影响沥青老化程度的主要原因分别是氧、热以及老化时间的长短。同时，水、紫外线也是引起沥青老化的重要因素。根据引起沥青老化的不同原因，可将沥青材料的老化分为热氧老化、光老化及水老化。
2沥青的热氧老化
沥青的老化主要发生在与外部环境接触的过程中，主要因素是氧和温度。在生产到投入使用过程中，沥青就开始发生不同程度的热氧老化反应，目前普遍认为热氧老化可分为三个阶段：第一阶段是生产后的运输和储存环节，该阶段沥青与空气的接触面积很小，热氧老化并不严重；第二阶段是沥青和集料的拌合及摊铺、碾压过程，该过程中拌合沥青温度将达170°C左右，性能指标会剧烈降低并产生严重的热氧老化反应，该阶段是热氧老化的主要阶段；第三阶段是沥青路面铺筑完成后，路面在温度变化、紫外线照射等因素的影响下发生的老化反应，也是老化的主要过程。
2.1热氧老化对沥青物理性能、化学结构的影响
沥青在发生热氧老化之后其针入度和延度减小，软化点加大，使得沥青变硬变脆，抗温度裂缝和抗疲劳破坏能力下降是在大量的试验研究下得出的一般结果。钟一研究了不同程度的老化对沥青性能的影响后发现，随着老化时间的不断增加沥青的高温稳定性提升而低温变形能力变差。不同种类的沥青在经过热氧老化后，原本差异巨大的性能指标随着老化程度增加逐渐变小。
国内外学者的研究认为沥青的热氧老化包括四个方面：氧化老化、自然硬化、轻组分挥发和渗流硬化，热氧老化的主要的原因就是氧化老化。沥青在热氧老化的过程一般表现为四组分之间的转变：芳香分转化为胶质，胶质转化为沥青质，饱和分的变化较小，即按照芳香分—胶质—沥青质的顺序转化。一般认为芳香分和胶质的化学稳定性比较差，沥青质的分子量大，温度敏感性小，而饱和分的化学性质相对稳定。之所以这个转化过程发生是因为沥青中的芳香分在热氧老化中较易发生氧化缩合，继而产生缩聚、氧化等化学反应。经过这一过程的变化使得沥青族组分含量发生改变，使沥青的胶体结构也发生变化，从而带来沥青物理性能的劣化。
2.2热氧老化机理
对于沥青的热氧老化机理方面，大量研究借助对沥青热氧老化前后的结构进行表征和分析，从而推测出沥青的热氧老化机理。沥青分子在热和氧的作用下生成游离自由基，游离自由基可与氧分子结合，生成过氧化游离自由基，过氧化游离自由基，进一步与沥青分子反应，即生成氢过氧化物。随着自由基反应的进行，沥青分子不断被氧化，同时生成更多的氧过氧化物，氢过氧化物在不断生成的同时，也会发生歧化反应，从而形成新的游离自由基。这些新生成的游离自由基又会引发沥青分子发生进一步的化学反应，由于歧化作用，游离基还可能发生断链反应，同时氧过氧化物发生分解反应，沥青分子中的双键也会参与氧化反应。此可见，沥青分子老化后生成了大量含有羰基官能团的物质，随着反应进行到一定程度，游离自由基就会发生终止反应，意味着沥青的老化过程减缓或停止。
3沥青的光老化
太阳光透过大气层照射在地表的紫外线波长为290-400nm，其能量高于沥青中与苯环等稳定基团相连的C-C键和C-H键键能，所以紫外线对沥青结构将会产生破坏作用并形成自由基，使得沥青分子发生缩合及脱氢等化学反应，从而部分芳香分转化为胶质，部分胶质转化为沥青质，最终沥青质的比重明显增加。老化后的沥青逐渐变脆变硬，路面的低温抗裂性、疲劳耐久性显著降低。影响沥青光老化的因素有许多，包括：紫外光辐照强度、辐照时间、沥青膜厚等，其中紫外光辐照强度是影响光老化速率为重要的因素，沥青光老化的速率随着紫外光辐照强度的增加和辐照时间的增长而加快。沥青在拌合之后，包裹在集料上的沥青膜很薄（一般只有10μm左右），在紫外光照射下，越薄的沥青膜更容易发生老化且老化越严重。
3.1光老化对沥青物理性能、化学结构的影响
紫外光照射后沥青的老化和热氧老化对沥青老化性能的影响并不完全相同。对应于沥青路面低温开裂的延度和
1背景及研究现状
沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑、褐色复杂混合物，物理形态表现为高粘度有机液体，表面呈黑色。沥青在生产到使用过程中与空气长时间接触，会发生一系列的物理化学变化，如蒸发、脱氢、氧化、缩合等。此时沥青的物理性能表现为逐渐硬化变脆，在外力作用下易开裂破碎，不能继续发挥其原有的粘结、密封等作用。这种受到外界环境影响而导致内部结构、化学性质发生的不可逆转的变化叫作老化。由于无法将沥青内的成分分化为各个纯净物，对沥青的研究基本是按照族组分分离后分类研究，常用的方法是将其分为饱和分、芳香分、胶质和沥青质。
自上世纪开始，国内外相关的学者就开始了沥青路面损害的相关研究。李海军、黄晓明等学者认为在沥青的使用过程中，引起沥青变质、促进沥青老化、影响沥青老化程度的主要原因分别是氧、热以及老化时间的长短。同时，水、紫外线也是引起沥青老化的重要因素。根据引起沥青老化的不同原因，可将沥青材料的老化分为热氧老化、光老化及水老化。
2沥青的热氧老化
沥青的老化主要发生在与外部环境接触的过程中，主要因素是氧和温度。在生产到投入使用过程中，沥青就开始发生不同程度的热氧老化反应，目前普遍认为热氧老化可分为三个阶段：第一阶段是生产后的运输和储存环节，该阶段沥青与空气的接触面积很小，热氧老化并不严重；第二阶段是沥青和集料的拌合及摊铺、碾压过程，该过程中拌合沥青温度将达170°C左右，性能指标会剧烈降低并产生严重的热氧老化反应，该阶段是热氧老化的主要阶段；第三阶段是沥青路面铺筑完成后，路面在温度变化、紫外线照射等因素的影响下发生的老化反应，也是老化的主要过程。
2.1热氧老化对沥青物理性能、化学结构的影响
沥青在发生热氧老化之后其针入度和延度减小，软化点加大，使得沥青变硬变脆，抗温度裂缝和抗疲劳破坏能力下降是在大量的试验研究下得出的一般结果。钟一研究了不同程度的老化对沥青性能的影响后发现，随着老化时间的不断增加沥青的高温稳定性提升而低温变形能力变差。不同种类的沥青在经过热氧老化后，原本差异巨大的性能指标随着老化程度增加逐渐变小。
国内外学者的研究认为沥青的热氧老化包括四个方面：氧化老化、自然硬化、轻组分挥发和渗流硬化，热氧老化的主要的原因就是氧化老化。沥青在热氧老化的过程一般表现为四组分之间的转变：芳香分转化为胶质，胶质转化为沥青质，饱和分的变化较小，即按照芳香分—胶质—沥青质的顺序转化。一般认为芳香分和胶质的化学稳定性比较差，沥青质的分子量大，温度敏感性小，而饱和分的化学性质相对稳定。之所以这个转化过程发生是因为沥青中的芳香分在热氧老化中较易发生氧化缩合，继而产生缩聚、氧化等化学反应。经过这一过程的变化使得沥青族组分含量发生改变，使沥青的胶体结构也发生变化，从而带来沥青物理性能的劣化。
2.2热氧老化机理
对于沥青的热氧老化机理方面，大量研究借助对沥青热氧老化前后的结构进行表征和分析，从而推测出沥青的热氧老化机理。沥青分子在热和氧的作用下生成游离自由基，游离自由基可与氧分子结合，生成过氧化游离自由基，过氧化游离自由基，进一步与沥青分子反应，即生成氢过氧化物。随着自由基反应的进行，沥青分子不断被氧化，同时生成更多的氧过氧化物，氢过氧化物在不断生成的同时，也会发生歧化反应，从而形成新的游离自由基。这些新生成的游离自由基又会引发沥青分子发生进一步的化学反应，由于歧化作用，游离基还可能发生断链反应，同时氧过氧化物发生分解反应，沥青分子中的双键也会参与氧化反应。此可见，沥青分子老化后生成了大量含有羰基官能团的物质，随着反应进行到一定程度，游离自由基就会发生终止反应，意味着沥青的老化过程减缓或停止。
3沥青的光老化
太阳光透过大气层照射在地表的紫外线波长为290-400nm，其能量高于沥青中与苯环等稳定基团相连的C-C键和C-H键键能，所以紫外线对沥青结构将会产生破坏作用并形成自由基，使得沥青分子发生缩合及脱氢等化学反应，从而部分芳香分转化为胶质，部分胶质转化为沥青质，最终沥青质的比重明显增加。老化后的沥青逐渐变脆变硬，路面的低温抗裂性、疲劳耐久性显著降低。影响沥青光老化的因素有许多，包括：紫外光辐照强度、辐照时间、沥青膜厚等，其中紫外光辐照强度是影响光老化速率为重要的因素，沥青光老化的速率随着紫外光辐照强度的增加和辐照时间的增长而加快。沥青在拌合之后，包裹在集料上的沥青膜很薄（一般只有10μm左右），在紫外光照射下，越薄的沥青膜更容易发生老化且老化越严重。
3.1光老化对沥青物理性能、化学结构的影响
紫外光照射后沥青的老化和热氧老化对沥青老化性能的影响并不完全相同。对应于沥青路面低温开裂的延度和
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