沥青的老化与表征方法研究

在高温下沥青与石料拌和时，形成的沥青膜与空 气接触时在氧气作用下发生 的老化。沥青路面服
务过程 中的老化称 为 长期老 化 ，是指 沥青路 面在 使用过 程 中 ，与 空气 、阳光 、雨 水等 接触 ，同 时 受到外 界交 通负荷 影 响所产 生 的性质 劣化 。 道 路 沥青 的老化研 究可 分 为两大类 ：一 是 自 然老化 法 ，另一个 是模 拟老 化法 。 自然 老化 法又 分为大 气老 化试验 和路 用沥 青跟踪 试验 ，此 法研 究 自然 环境 和交通 量综 合作 用下 沥青性 能 和组成 的变化 ，以推测 沥青路 面 的寿命 ，能得 到 比较真 实 、可靠 的结果 ，但 它 的研 究周 期过 长 ，受 干扰
老 化 特征 峰 ，延 缓 沥 青 老化 ，提 高其 路 用性 能 。 陈莉 研 究 了胶 粉 和 Ｓ Ｓ复 合 改 性 沥 青 的抗 老 Ｂ
化 性 能 ，从 沥青 的针 入 度 比 、软 化点 比、质 量损
青经 老化后 高 低温性 能的好 坏 主要取 决 于改性 沥
青体 系 的相 容性 。基 质 沥青是 影 响改性 沥 青效果
的主要 原 因是基 质 沥青 的变脆 硬化 而 非聚合 物 的 降解 。Ｍｏ ｙｋ Ｓｇｎ 等 研 究 了 聚 合 物 改 性 ｔ ｕ ｉ ｕａｏ ｏ
沥青 中共 聚 物 Ｓ Ｓ的 热 分 解 和沥 青 组 分 之 间 的 Ｂ
改 性沥 青 由于改 性剂 的介 入 而使改 性 沥青 的 老 化过 程变 得较 为复 杂 。改性 沥青 的老 化 同时存 在 着 聚合物 的 降 解 （ 交 联 ） 和 基 质 沥 青 的 氧 或 化 ，因而 ，影 响基质 沥青 老化 过程 的 因素 同样也
均匀 分散在 沥青 中 ，使 沥青 的组 分构成 比例发 生
变化 ，从 而使 改性 沥青 体系 的路 用性 能得 到大 幅 度 的提 高 。众 多 研 究 ¨表 明 Ｓ Ｓ与基 质 沥青 Ｂ 只是 简单 的物理 共混 共容 ，只是一 种分 子 问作用
力 ，并 没有 发生 化学 作用 。
度在 １０℃ 以下 时 ，处于 氮气 氛 围 中的 Ｓ Ｓ无 降 ６ Ｂ 解 断链 反 应 发 生 ；而 在 氧 气 环 境 中 ，Ｓ Ｓ的 Ｐ Ｂ Ｂ 段 由于含 有活性 双 键容 易发 生热 氧化 降解 和无 规
则 断链 ；Ｐ Ｓ段 有 着 良好 的抗 老 化 性 能 ，在 ３ ０ ０ ℃ 以下 时 ，其不 发 生氧 化反 应 。Ｓ Ｓ热 氧老 化 是 Ｂ
和抗 老化 性 能 的关 键 ，而 改 性 剂 Ｓ Ｓ的类 型影 Ｂ
响较 小 。 Ｃ ｒｚ ｌ ｏｔｏ２ 用 Ｓ Ｃ研 究 了 不 同 结 构 和分 子 ｉ 等 Ｅ 量 的 Ｓ Ｓ热 分 解 对 改 性 沥 青 物 理 和 流 变 性 能 的 Ｂ
失 等指 标分 析 ，发现 胶 粉复合 改性 沥青 的抗 老化
会 影 响改性 沥青 。除 此之 外 ，改性 剂 的种类 、改 性 剂 的加 入 量 、改性 沥青 体系 的粘 度 、加工 方式
关 系 ，研究 发现 ，在 改性 沥青 热分 解过 程 中 ，随 着 Ｓ Ｓ的热 分 解 ，极 性 组 分 （ 青 质 ） 的含 量 Ｂ 沥 逐渐 增 加 ，一 方 面沥 青 中的低 分子 量组 分如 芳香 分促 进 Ｓ Ｓ的 降 解 ，而 另 一 方 面 沥 青 质 能 抑 制 Ｂ
性 沥青 的高 、低温 性 能进行 了研 究 ，发 现改性 沥
青老 化 ，沥青 老化 组分 含 量 的变换 使得 沥青 由溶 胶型 逐步 向溶 胶 一凝胶 型 和凝胶 型转 化 。环 氧树 脂 虽 然对 抑制 沥青 老化 有一 定作 用 ，但其 并不 能
避 免 沥青 老化 出现 特征 峰 ，所 以要 寻求有 效技 术 途 径 （如在 沥 青 中 加 入 添 加 剂 ）避 免 沥 青 出 现
等；②纤维类改性剂；③固体颗粒改性剂 ；④硫
磷类 改性剂 等 。
聚合 物改性 是 一种 物理 改性 。改性 剂 经机 械 方式 逐渐分 散 到沥青 中 ，基本 是 以粒 子或 拉丝 状 分布 于沥青 中。Ｓ Ｓ加 入 到沥 青 中以后 ，Ｓ Ｓ微 Ｂ Ｂ
诱 导期 后 ，Ｓ Ｓ迅 速 被 氧 化 同 时 发 生 严 重 的 降 Ｂ 解 。Ｘａｈ ｕ２ 等 通 过 傅 里 叶 红 外 光 谱 发 现 ， ｉｏｕＬ ［ ５ Ｓ Ｓ没有 阻止 老化 过程 中羰 基 的生成 ，但 老 化 前 Ｂ
失 、针 人度 比、延 度评 价沥 青 的耐老 化性能 。此
法相对 于蒸 发 损 失 试 验 ，沥青 与 空 气 接 触 面积 大 ，综 合考 虑热 与 空气 的作 用 。 （ ）旋 转 薄膜 ３
烘箱试 验 。 以上是 评 价 沥青 短 期 耐 老 化 性 能 的 试 验 方
法 ，而沥青 在路 面服务 期 间也会 受到 氧化 ，评价
性 能要 远优 于基 质沥 青 和单一 Ｓ Ｓ改性 沥青 。 Ｂ 王 寿治 、朱 国军 等 用 红 外 光 谱 法 研 究 了 Ｓ Ｓ改性 沥青 在真 实环境 中太 阳光 紫外 光 的光 氧 Ｂ
影响，研究发现聚合物的热氧化分解和纯聚合物
老化 。研 究 发现 ，虽 然热 氧与光 氧 老化 的方 式不
性 能及 组分 的影 响 。 １ ４ 沥青老 化性 能评价 方 法 ．
浇筑式沥青混凝土存在 明显 的超热老化现象 ，老
化后疲 劳 因子和 车辙 因子 明显升 高 ，羰基 吸收 峰 明显增 强 ，Ｓ Ｓ分 子断链 明显 。 Ｂ
１ ３ 沥 青老 化试验 方 法 ． 沥青拌 和过程 中的老化 称为 短期 老化 ，是指
①聚 合物 类 改性 剂 ，橡胶 类 如 Ｎ Ｒ、Ｓ Ｒ 等 ；热 Ｂ 塑性 橡胶类 如 Ｓ Ｓ Ｉ Ｂ 、ＳＳ等 ；树 脂 类 如 Ｐ 、Ｅ Ａ Ｅ Ｖ
自由链 式 反应 ，反 应级 数 主要是 一级 和二 级 。反 应 的主要 特征是 自动氧 化反 应 ，反应 过程 包括链
引发 、链增 长 和链 终止 ，反 应初 期经 过 自由基 的
后 ，改 性 沥 青 的 流 变 性 能 要 优 于 基 质 沥 青 。 Ｗｏ ＿ ｏ２ 等 通 过 对 改 性 沥 青 老 化 前 后 的 Ｄ Ｒ、 Ｓ Ｇ Ｃ、延度 和测 力延 度试 验 发 现 ，改性 沥 青 老化 Ｐ
粒 受 到沥青 中饱 和分 、芳 香 分 的作 用 发 生 溶胀 ，
的关 系可表 示为 ：
７＝ ｔ １ ｂ ’ 为老化 时 间 ； （） ２
与数据 的重 现 性 好 。 目前 常 用 的模 拟 试 验 方 法
有 ：吸氧量 法 、Ｔ Ｏ Ｆ Ｔ、Ｒ Ｆ Ｔ以及 Ｐ Ｖ等 。 ＴＯ Ａ ＴＯ Ｆ Ｔ和 Ｒ Ｆ Ｔ常 用 来 模 拟 沥 青 的 短 期 老 ＴＯ 化 。Ｒ Ｆ Ｔ在 １７ ＴＯ ９ ３年 由 Ｓｈ ｉｔ 出 ，美 国 ｃｍｄ 提
沥青 长期 老化 的方法 有 以下 几种 ：
律 ，人们 提 出 了模 拟老 化试 验 。 模 拟老 化试验 是 为了较 快获取 沥青 老化 试验 数据 ，在实 验室 内模拟 自然 环境对 沥青 进行 强制 老化 。其特 点是 ：排 除 了非 试验 条件 的干扰 ，可
以根据 研究 目的需 要来 设计 试验 条件 ，实验 现象
的 因素较 多 ，不 同 国家和地 区获 取 的试 验数 据之 间 的可 比性 较差 。为 了在短 期 内得到 较理想 的规
目前我 国有 ３种方 法可 用于评 价 沥青 的短期
老化性 能 ¨： （ ） 沥青 蒸 发损 失 试 验 。根 据 沥 １ 青受热 后质 量损 失 、残 留物 的针 人度 占原试 样针 人度 的百分 率 以及 其 他 指 标 ； （ ） 薄 膜烘 箱 试 ２ 验 。现行 沥青技 术标 准 中作 为评 价耐 老化性 能 的 指标 ，对 于重交 通道 路沥青 ，以试验后 的质 量损
第 ５期
李振海 等 ．沥青 的老化与表征方法研究
３
应 ，产物 为水 和 Ｃ Ｏ ，在低 于 １ ０℃ 时 ，主要 是 ０ 氧化 反应 ，生 成 含 氧 化 合 物 。 朱 静 、周 安 娜 ¨ 研究 了沥 青在 不 同温度 下老 化后 温度 敏感 性 的变 化 ，研究 发现 ，沥青 在 筑 路 初 期 性 质 变 化 较 大 ， 而后 逐渐 趋于 稳定 。沥 青老 化温 度越 高 ，老化 时 间越 长 ，沥青 的温 度敏 感性 越低 ，沥青性 质越 稳 定 ，沥青 性质 越差 。 １２ 改性 沥青 老化 研 究 ． 采用 在基 质沥 青 中加入 改性 剂 的方法 可 以提 高沥 青 的性 能 。我 国 目前 常用 的改 性 剂 主 要 有 ：
式 中 ：田 —— 为沥 青粘 度 ；
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战略 公 路 研 究 计 划 （ ｔ ｔ ｉ ＨｇｗｙＲ ｓａｃ Ｓｒ ｅ ｃ ｉｈ ａ ｅｅｒｈ ａ ｇ
Ｐｏｒ ｒｇａ ｍ，简称 Ｓ Ｐ计 划 ）认 为 用
拟基 质沥青 在拌 和 、铺 筑过 程 中的短 期老化 非 常 有效 。众 多研 究认 为 ，两种 试 验 结 果 大体 相 当 ， 可 以互相 代替 ，均 能很好地 反 映沥青 在施 工 阶段 即热拌 和 阶段 的性 质 变 化 。但 由于 Ｒ Ｆ Ｔ制 备 ＴＯ
Ｓ Ｓ的降解 。 Ｂ 罗斌 、杨 平 用 Ｉ Ｒ研究 了环 氧树 脂 改性 沥
等 都是考 虑 的 因素 。总体来 说 ，改性 沥 青经 过老 化 后 ，劲 度增 大 、针 入度减 小 、延度 降 低 、粘度 上 升 ，但 对 于 其 它 的性 能 由 于 研 究 的体 系 不 一 样 ，所得 的结 果也 不一 致 。 张争 奇 等 采 用 Ｓ Ｐ指 标对 老 化 Ｓ Ｓ改 ＨＲ Ｂ
Ｒ Ｆ Ｔ，特别 是适 用于改 性 沥青 。 ＴＯ 由ＳＲ Ｈ Ｐ历 时 ５ａ ，耗 资 １５亿 美 元 研 究 的 ．
Ｐ Ｖ 已经成 为 国 内外 公认 的 模 拟 沥 青 长 期 老 化 Ａ