沥青老化指标的分析与研究

沥青老化指标的分析与研究n沥青在贮运、加工、施工及使用过程中，由于长时间地暴露在空气中，在风雨、温度变化等自然条件的作用下，会发生一系列的物理及化学变化，如蒸发、脱氢、缩合、氧化等等。

此时，沥青中除含氧官能团增多外，其它的化学组成也有所变化，最后使沥青逐渐硬化变脆开裂，不能继续发挥其原有的作用。

沥青所表现出的这种胶体结构、理化性质或机械性能的不可逆变化称为老化。

n沥青是由多种极其复杂的碳氢化合物和它们的非金属衍生物组成的混合物，属于热塑性的高分子树脂材料，受热时会发生分解或聚合反应，并改变分子结构和分子量，引起内部化学组分的转化，最后使沥青逐渐硬化变脆开裂，导致性能下降从而不能继续发挥其原有的作用。

沥青混合料中沥青作为骨料的粘结剂，在储存、运输、施工及使用过程中，由于长时间地暴露在空气中，受环境因素如氧气、阳光、水及温度变化等自然条件的作用下，会发生一系列的物理及化学变化，如挥发、氧化、聚合等，乃至沥青内部结构发生变化。

随着组分的慢慢转化，沥青的流动性变小，稠度逐渐增大并变硬，直到粘结料完全失去塑性没有固结矿料的能力，从而导致路面破损严重影响路用性能。

沥青的老化过程n运输、贮存、加热过程中的老化沥青从炼油厂炼制出来以后，直至拌制沥青混合料之前，沥青的热态贮存、热态运输、在储油罐内预热、配油釜内调配等过程，往往要经历很长时间。

在此过程中，由于温度升高加速分子的运动，除引起沥青蒸发外，还能引起沥青发生某些物理化学变化。

这一时期沥青老化的机理主要是：（1）由于受热使沥青中的轻质油分不断挥发，使沥青变硬变脆，粘结性降低；（2）储油罐表面的沥青与空气接触，与空气中的氧气发生一些聚合反应，沥青也会发生一定程度的老化；（3）沥青在管道内不断运行并由储罐顶处洒落到罐内时，沥青的表面积增大，沥青将发生氧化反应。

由于这一段时间内沥青还贮存在储油罐内，沥青的数量多、深度深，接触加热源及空气的面积较小，所以老化并不严重，一般不予考虑。

而且试验证明，如果沥青是被密闭封存，不加热，在冷态贮存的情况下可以贮存多年也不会有明显的老化。

只有对于供喷洒使用的沥青，如沥青表面处治、沥青灌入式或透层油和粘层油等施工方式，沥青加热后立即进入路面使用期，这一阶段的老化是主要的，不容忽视。

沥青的老化过程n沥青在加热拌和及铺筑过程中的老化，即短期老化沥青最主要也是最常规的使用方式，是采用热拌沥青混合料的施工方式，此时沥青将经历一个比贮存过程严重得多的老化过程。

拌和过程中的老化是最重要的，通常称之为热老化。

在此过程中，老化主要是沥青的氧化和组分挥发。

集料和填料搅拌时被沥青薄膜所裹覆，其薄膜厚度一般在5μm～15μm，温度一般高达160℃～180℃。

除了加热温度影响外，薄膜厚度、拌和时间、沥青用量等也会影响拌和过程中的老化。

一般来说，拌和温度越高、沥青薄膜越薄、拌和时间越长，沥青的老化也越严重。

沥青的老化过程n沥青在路面使用过程的老化，即长期老化在路面使用过程中，由于环境因素及荷载因素，特别是在水分、紫外线、氧气的长期作用下，也会引起沥青的老化，导致沥青老化的因素除了水分与紫外线作用外，还与三个化学成分的因素有关：（1）由于挥发或骨料的吸收使低分子油分含量减少；（2）由于同大气中的氧发生反应使沥青的化学结构发生变化；（3）分子间形成可导致触变效应的结构（位阻硬化）。

但是对于已经经过高热拌合的沥青混合料来说，轻质油分的挥发损失不再是沥青老化的主要因素，而与大气中氧的反应及分子结构的变化将是沥青路面使用期老化的主要原因。

但老化的进程是一个比较缓慢的长期的过程，在路面开放交通2～3年间稍快一些，以后变慢。

由于环境因素的复杂性，因而使用期的老化过程是一种非常复杂的现象，它将引起沥青流变学性质发生根本的变化，直接影响到路面的耐久性。

沥青的老化试验方法在三个老化阶段中，第一阶段由于与空气、阳光的接触面积小、时间短，因此其老化程度很小，一般不作为主要研究内容，所以评价老化的指标也主要分两个阶段：施工期间的短期老化和使用过程中的长期老化。

模拟短期老化的室内试验在国际上多用薄膜烘箱试验TFOT或旋转薄膜烘箱试验RTFOT。

所用方法也不外为用老化前后常规指标的变化程度来描述抗老化能力，包括针入度比、残留延度、软化点增值及老化前后的粘度比等。

我国普通沥青的老化试验通常采用TFOT，但对于改性沥青来说，最好采用RTFOT。

对于老化试验来说如果采用TFOT，某些改性沥青的试样离析会在表面发生“结皮”，从而是老化条件降低，防碍老化的进行。

如果采用RTFOT，使其在试验过程中始终保持旋转和搅拌的状态，将比较接近老化的实际情况，故技术上对所有改性沥青都要求在人工老化条件后仍保留有较小的残留针入度和延度、弹性恢复等其它参数。

用试验来模拟长期老化还是从SHRP计划开始的。

SHRP用压力老化容器PAV在2.1MPa、100℃的环境下老化20小时以模拟沥青在道路使用过程当中前5年的性能变化。

老化指标n短期老化指标残留针入度比：反映了沥青在薄膜加热试验前后稠度的变化。

残留延度：温度为10℃，拉伸速率为5cm/min的延度值。

软化点增值：老化后沥青的软化点明显增加。

质量损失：在老化过程中，轻质油分的挥发将使沥青变轻，但与空气中的氧化发生化学反应，又使沥青增重。

所以选用质量的损失来评价沥青的抗老化性能不理想。

粘度比：老化前后60℃粘度的比值。

老化指数:n长期老化指标SHRP作为性能级规范与针入度级规范不同，它提出了自己的抗老化指标，包括动态剪切试验、蠕变劲度、直接拉伸试验及物理硬化指数。

沥青老化指标的分析与研究n我国沥青老化指标的分析与评价v残留针入度比由于老化使针入度变小，因此残留针入度比反映了沥青在老化前后的变化。

残留针入度比越大，说明沥青的抗老化性能越好。

化时间的变化规律图4.1 5℃针入度比随老化时间的变化规律沥青老化指标的分析与研究图4.3 25℃针入度比随老化时间的变化规律由不同针入度试验温度下的针入度比随老化时间的变化规律可以知道，老化对针入度的影响很大，而且随着老化时间的推移针入度减小的幅度很大，说明用针入度比作为评价沥青的老化性能指标可以较精细地区分不同沥青之间的差别。

而且短期老化后沥青的针入度比可以预示沥青的长期抗老化性能。

从图4.1~4.3可见，试验沥青在不同温度下的针入度比大小不一样，而且顺序也会发生变化，这就要求在指定针入度比为抗老化指标时，还应该说明针入度试验的温度。

就本次试验数据来说，15℃针入度比似乎更好。

沥青老化指标的分析v残留延度沥青老化后，沥青变硬，延度变小，因此残留延度能部分反映沥青老化后的抗低温能力。

图4.4 10℃延度随老化时间变化的规律从图4.4可以看出，沥青的老化程度与老化时间基本成线性关系。

沥青老化指标的分析v软化点增值老化后沥青的软化点明显增加。

但不同的沥青提高幅度不同，并且升高程度差别不太大（少数例外），又加上试验误差，因此常常不列入。

从图4.5可以看出，不同沥青的残留软化点相差很近，并且排列顺序有可能发生变化。

由于在工程中选用沥青一般性能相差不是很明显，所以软化点之间的差距不一定很大，这就给本文的评价带来影响。

原本沥青之间的较小差距很可能被淹没在软化点试验所允许的误差范围内。

因此用老化后的软化点指标来评价沥青性能是不恰当的。

图4.5 残留软化点随老化时间的变化沥青老化指标的分析v质量损失在老化过程中，轻质油分的挥发将使沥青变轻，但与空气中的氧化发生化学反应，又使沥青增重。

一个变轻，一个增重，从整体上来讲很难判断沥青的性能起了多大程度的变化，所以选用质量的损失来评价沥青的抗老化性能不理想。

图4.6 质量增加百分比随老化时间的变化规律沥青老化指标的分析v针入度指数PI老化对沥青的PI影响也很明显，而且短期老化对PI的影响效果与长期老化对沥青的影响趋势一致，所以也可以用短期老化前后PI的变化情况来说明沥青的抗老化性能。

PI随老化时间的变化规律大部分沥青PI值增大，而有的几乎没变化或减小。

因此，其试验结果只对各自的沥青适用，对不同油源的沥青则存在问题。

沥青老化指标的分析v 粘度比及老化指数老化前后60℃粘度的比值能比较明显的反映老化程度。

式中——沥青薄膜加热试验的老化指数；——薄膜加热试验前60℃粘度，；Pa ·s ；——薄膜加热试验后60℃粘度，Pa ·s 。

)10lg(lg )10lg(lg 3132×−×=ηηCv残留粘度比老化对60℃粘度的影响很大，而且同一种沥青在不同老化阶段的粘度比一致，所以60℃粘度比可以作为沥青抗老化指标。

v老化指数C老化指数随老化的变化很明显，而且不同沥青在不同老化阶段的老化指数大小一致，所以认为老化指数可以控制沥青的抗老化性能。

只要测定短期老化后的老化指数就可以预示长期抗老化能力。

从这些指标可以看出，并不是所有指标均能说明老化性能的变化，而且众所周知，老化后的沥青抗高温的能力是增加的，因此原样沥青能满足其高温要求，那么老化后则更没有问题。

由于高温性能的变化幅度并不能说明其低温性能的变化大小。

因此，从这个角度上来说，高温指标的变化是没有任何意义的，而应该以低温指标的变化为准，才能说明沥青在老化后是否适用于实际路面的使用。

而在这些指标中仅仅只有延度部分反映了老化后沥青的抗低温能力变化，但是由于延度本身存在的局限性，从而影响到其评价效果。

沥青老化指标的分析v沥青的老化原因分析在沥青路面施工过程中，沥青始终处于高温状态，受热会产生短期老化（或称施工期老化或热化）。

当沥青路面投入使用后，沥青长期裸露在自然环境中，受到光、氧、水的作用，同时还要受到汽车交通等机械应力的作用而产生长期老化（或称使用期老化或光候老化）。

根据Vallerga和Finn等人长期的研究，沥青在拌和、摊铺、使用过程中的老化过程中，是由于以下六种因素的作用：1、氧化作用，即氧气与沥青发生化学反应的过程，它的速率取决于环境温度；2、挥发作用，轻质油分从沥青组分中逐渐逸出，它也与温度有关，一般发生很慢，是一个长时间的过程；3、聚合作用；4、触变作用；5、胶体的脱水收缩作用；6、分离和析出作用沥青老化主要理论n组分移行理论沥青的老化过程是一个十分复杂的物理化学过程，难以用结构式进行描述。

一般认为，沥青老化过程中，其饱和组分是比较稳定的，在整个老化过程中变化不大。

沥青中其它组分大致按芳香芬－胶质－沥青质的路线向重质化的方向转化，而沥青质本身则聚合成更大的分子。

因此，沥青老化的过程可以认为是沥青化学组分移行的结果。

沥青老化主要理论n溶液相容性理论研究表明，溶液中溶质的溶度参数与溶剂的溶度参数的差值小于某一定值时，即能形成稳定的溶液。

老化沥青的该差值一般在1.0 以上，优质沥青的差值一般在0.7 以下。