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道路瀝青老化及影響
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道路瀝青老化及影響
2021年05月18日    閱讀量:22335    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

摘要

瀝青目前廣泛運用在道路工程中,但瀝青路面長期暴露在外在環境下,受到許多不同因素,如:紫外線、水分、氧化等影響。為研究各個因素作用下對瀝青老化的影響,在不同瀝青老化分類下從物理性質、化學組成結構及老化機理方面進行討論。


關鍵詞:瀝青老化;熱氧老化;光氧老化;水老化

道路瀝青老化及影響 瀝青網,sinoasphalt.com

1 背景及研究現狀


瀝青是由不同分子量的碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的黑、褐色復雜混合物,物理形態表現為高粘度有機液體,表面呈黑色瀝青網sinoasphalt.com。瀝青在生產到使用過程中與空氣長時間接觸,會發生一系列的物理化學變化,如蒸發、脫氫、氧化、縮合等。此時瀝青的物理性能表現為逐漸硬化變脆,在外力作用下極易開裂破碎,不能繼續發揮其原有的粘結、密封等作用。這種受到外界環境影響而導致內部結構、化學性質發生的不可逆轉的變化叫作老化。由于無法將瀝青內的成分分化為各個純凈物,對瀝青的研究基本是按照族組分分離后分類研究,最常用的方法是將其分為飽和分、芳香分、膠質和瀝青質。


自上世紀開始,國內外相關的學者就開始了瀝青路面損害的相關研究。李海軍、黃曉明等[1]學者認為在瀝青的使用過程中,引起瀝青變質、促進瀝青老化、影響瀝青老化程度的主要原因分別是氧、熱以及老化時間的長短。同時,水、紫外線也是引起瀝青老化的重要因素。根據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


瀝青的老化主要發生在與外部環境接觸的過程中,主要因素是氧和溫度。在生產到投入使用過程中,瀝青就開始發生不同程度的熱氧老化反應,目前普遍認為熱氧老化可分為三個階段:第一階段是生產后的運輸和儲存環節,該階段瀝青與空氣的接觸面積很小,熱氧老化并不嚴重;第二階段是瀝青和集料的拌合及攤鋪、碾壓過程,該過程中拌合瀝青溫度將達170°C左右,性能指標會劇烈降低并產生嚴重的熱氧老化反應,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生的老化反應,也是老化的主要過程。


2.1 熱氧老化對瀝青物理性能、化學結構的影響


瀝青在發生熱氧老化之后其針入度和延度減小,軟化點增大,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研究下得出的一般結果。鐘一[2]研究了不同程度的老化對瀝青性能的影響后發現,隨著老化時間的不斷增加瀝青的高溫穩定性提升而低溫變形能力變差。不同種類的瀝青在經過熱氧老化后,原本差異巨大的性能指標隨著老化程度增加逐漸變小。


國內外學者的研究認為瀝青的熱氧老化包括四個方面:氧化老化、自然硬化、輕組分揮發和滲流硬化,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程一般表現為四組分之間的轉變:芳香分轉化為膠質,膠質轉化為瀝青質,飽和分的變化較小,即按照芳香分—膠質—瀝青質的順序轉化。一般認為芳香分和膠質的化學穩定性比較差,瀝青質的分子量最大,溫度敏感性最小,而飽和分的化學性質相對穩定。之所以這個轉化過程發生是因為瀝青中的芳香分在熱氧老化中較易發生氧化縮合,繼而產生縮聚、氧化等化學反應。經過這一過程的變化使得瀝青族組分含量發生改變,使瀝青的膠體結構也發生變化,從而帶來瀝青物理性能的劣化。


2.2 熱氧老化機理


對于瀝青的熱氧老化機理方面,大量研究借助對瀝青熱氧老化前后的結構進行表征和分析,從而推測出瀝青的熱氧老化機理。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合,生成過氧化游離自由基,過氧化游離自由基,進一步與瀝青分子反應,即生成氫過氧化物。隨著自由基反應的進行,瀝青分子不斷被氧化,同時生成更多的氧過氧化物,氫過氧化物在不斷生成的同時,也會發生歧化反應,從而形成新的游離自由基。這些新生成的游離自由基又會引發瀝青分子發生進一步的化學反應,由于歧化作用,游離基還可能發生斷鏈反應,同時氧過氧化物發生分解反應,瀝青分子中的雙鍵也會參與氧化反應。此可見,瀝青分子老化后生成了大量含有羰基官能團的物質,隨著反應進行到一定程度,游離自由基就會發生終止反應,意味著瀝青的老化過程減緩或停止。

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3 瀝青的光老化


太陽光透過大氣層照射在地表的紫外線波長為290-400nm,其能量高于瀝青中與苯環等穩定基團相連的C-C鍵和C-H鍵鍵能,所以紫外線對瀝青結構將會產生破壞作用并形成自由基,使得瀝青分子發生縮合及脫氫等化學反應,從而部分芳香分轉化為膠質,部分膠質轉化為瀝青質,最終瀝青質的比重明顯增加。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:紫外光輻照強度、輻照時間、瀝青膜厚等,其中紫外光輻照強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度的增加和輻照時間的增長而加快。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生老化且老化越嚴重。

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3.1 光老化對瀝青物理性能、化學結構的影響


紫外光照射后瀝青的老化和熱氧老化對瀝青老化性能的影響并不完全相同。對應于瀝青路面低溫開裂的延度和勁度模量這兩個指標的研究來看,葉奮等[3]利用TFOT、PAV和人工強紫外光照射試驗對瀝青進行光老化和熱老化,通過對比發現瀝青熱氧老化對瀝青性能的影響是不如光老化的。同時瀝青在光老化后流變性能也會發生變化:粘度增大,感溫性能降低。紫外光老化增大了瀝青的復數剪切模量,降低了相位角,從而使瀝青勁度增大。


光老化過程中瀝青的針入度和延度變小,軟化點升高,瀝青變硬變脆易于開裂。瀝青在光陽老化后與集料的粘附變差,在遇到水的侵蝕時易于從集料表面分離脫落,在路面上出現坑槽、龜裂等現象。


3.2瀝青的光老化機理


瀝青經過紫外線照射,其中光子的能量引發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,包括鏈引發、鏈增長和鏈終止三個階段。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,其內部的可溶性物質會由于水的長期滲透作用下而減少,從而發生老化反應。由于水等液體可以滲透到瀝青內部,而這類液體的PH值不同,對于瀝青中瀝青質以及油水界面張力的影響很大。


國內外對于水老化的研究相對較少,Tarefder等[4]列出引起瀝青老化的15種原因中包含了水的作用,并發現水會在時間、加熱、氧氣及陽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中加入水分因子,并采用美國戰略性公路研究計劃中的高溫車轍因子和低溫勁度模量等參數指標,表征在瀝青路面使用過程中的雨水和地下水等潮濕因素對瀝青老化性狀的影響。


隨著老化程度的加深,瀝青的復數模量增加、相位角減小。有水參與的作用使得瀝青的復數模量較無水參與的增量更大,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。


參考文獻:

[1]李海軍,黃曉明,王宏暢.道路瀝青在使用過程中的水老化[J].石油學報,2005.

[2]鐘一.道路瀝青的老化機理研究及其影響[J].交通科技,2009.

[3]葉奮,孫大權,黃彭等.瀝青強紫外線光老化性能分析[J].中國公路學報,2006.


作者:趙晨晨(1996-),男,漢族,河南汝州人,重慶交通大學碩士研究生,研究方向:建筑與土木工程。

來源:《城鎮建設》 2021年3期


標簽:道路建設施工案例技術中心瀝青混凝土
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