引起沥青路面老化的不同原因！

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，在外力作用下极易开裂破碎，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，最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[1]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，软化点增大，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[2]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，热氧老化的最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，沥青质的分子量最大，温度敏感性最小，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最为重要的因素，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劲度模量这两个指标的研究来看，叶奋等[3]利用TFOT、PAV和人工强紫外光照射试验对沥青进行光老化和热老化，通过对比发现沥青热氧老化对沥青性能的影响是不如光老化的。同时沥青在光老化后流变性能也会发生变化：粘度增大，感温性能降低。紫外光老化增大了沥青的复数剪切模量，降低了相位角，从而使沥青劲度增大。

光老化过程中沥青的针入度和延度变小，软化点升高，沥青变硬变脆易于开裂。沥青在光阳老化后与集料的粘附变差，在遇到水的侵蚀时易于从集料表面分离脱落，在路面上出现坑槽、龟裂等现象。

3.2沥青的光老化机理

沥青经过紫外线照射，其中光子的能量引发沥青中生成初始自由基。沥青的紫外光老化属于自由基链锁反应，包括链引发、链增长和链终止三个阶段。沥青分子生成游离自由基的原因是在紫外光的辐射作用下吸收了光子的能量。

4、沥青的水老化

沥青为憎水性材料，其内部的可溶性物质会由于水的长期渗透作用下而减少，从而发生老化反应。由于水等液体可以渗透到沥青内部，而这类液体的PH值不同，对于沥青中沥青质以及油水界面张力的影响很大。

国内外对于水老化的研究相对较少，Tarefder等[4]列出引起沥青老化的15种原因中包含了水的作用，并发现水会在时间、加热、氧气及阳光等因素的综合作用下加速沥青的老化。李海军等人在沥青的压力老化试验中加入水分因子，并采用美国战略性公路研究计划中的高温车辙因子和低温劲度模量等参数指标，表征在沥青路面使用过程中的雨水和地下水等潮湿因素对沥青老化性状的影响。

随着老化程度的加深，沥青的复数模量增加、相位角减小。有水参与的作用使得沥青的复数模量较无水参与的增量更大，其相位角更小。有水参与使得沥青的疲劳极限温度下降，降低了沥青的抗疲劳性能。有水压力老化沥青的劲度模量大于常规压力老化沥青的，表明水分的作用使沥青变硬、低温劲度增加及老化程度加深，降低了沥青的低温抗裂性能。