瀝青老化規律及機理

【摘要】通過查閱國內外相關資料，闡述瀝青及改性瀝青老化規律和老化機理，分別從物理性能變化規律、化學組分變化規律、分子結構變化等四個方面來闡明瀝青的老化規律和老化機理，通過上述理論分析得出，瀝青中輕質組分的揮發和被吸收，各組分的氧化、聚合、以及改性劑SBS的裂解才是使瀝青組分發生變化及老化的機理。

【關鍵詞】分子結構；老化機理；裂解

1、物理性能變化規律

瀝青老化過程是相當復雜的，早在1903年Dow就提出了瀝青混合料中的瀝青由于加熱導致質量損失和針入度減小。截止到目前為止，對瀝青老化研究最為廣泛的依然是物理性能的變化。道路研究者們[1-2]研究了瀝青老化對路面使用性能的影響，通過對瀝青進行不同程度的老化，分析針入度、軟化點、延度、60℃動力粘度、蠕變勁度S及斜率m參數的變化。研究者們對瀝青老化后物理指標的變化、性能的衰減已經有了較為深刻地認識。普遍認為不同瀝青有不同程度的抗老化性能，但性能變化規律基本一致。即隨老化時間的增加，瀝青的針入度逐漸減小，針入度指數PI逐漸增大，軟化點升高，延度逐漸減小，而粘度、復數剪切模量、蠕變勁度逐漸增大，表明老化使瀝青彈性增強，感溫性減弱，抗疲勞開裂能力變差，從而縮短了路面使用壽命。

1984年Petersen研究了瀝青在長期老化過程中物理化學變化。并研究了道路瀝青老化過程中60℃動力粘度隨老化時間的變化。叢玉鳳等[3]以軟化點為參數建立了瀝青老化動力學模型，并用該動力學模型對這兩種瀝青的抗老化性能進行研究，求得了動力學參數，從而為研究瀝青老化提供了一種簡便可行的分析方法。

2、化學組分變化規律

老化過成中，從瀝青各組分的變化可以看出，隨著老化時間的加長正戌烷瀝青質和膠質含量增多，油分的含量減少，油分的減少除了受空氣中的氧和臭氧的光化學氧化作用以外，輕組分的蒸發損失可能也是重要的原因。由于瀝青是極其復雜的多組分混合物，給瀝青老化的研究帶來很大的困難。戴躍玲等[4]通過薄膜烘箱老化試驗研究了瀝青老化后化學組分與路用性能的關系，瀝青老化時，飽和分幾乎不變，芳香分和膠質減少，瀝青質明顯增加，主要變化的組分是膠質和瀝青質。亓玉柱等[5]研究認為瀝青在老化時各組分間的變化屬于順序連串反應，即芳香分轉化為膠質，膠質轉化為瀝青質，瀝青質轉化為甲苯不溶物，還研究了瀝青老化過程中極性分子之間的締合與縮聚作用。

金鳴林等[12]采用薄膜熱老化方法考察了道路瀝青族組成與性質的變化.老化試驗結果表明芳香分與膠質含量減少，瀝青質含量增加，且這種變化符合宏觀一級動力學規律。閆鋒等[6]根據老化過程中正戌烷瀝青質的變化得到了瀝青老化動力學方程。

綜上研究表明，隨著老化時間的加長芳香族的量逐漸減少，雜原子化合物的量增多，到最后增加的速度漸慢，烷一環烷族化合物含量的增加。這可能是瀝青在老化過程中長側鏈的芳香族化合物斷裂生成低分子化合物的原因。

3、分子結構變化

目前對瀝青老化前后的組分變化有相對清楚的了解，但瀝青老化的過程相當復雜，對光、氧、熱等因素作用下瀝青老化的具體化學反應機理還缺乏深層次的研究。隨著化學分析技術的發展，對瀝青老化的研究逐漸從宏觀指標的變化轉向對微觀的認識，許多學者通過分析分子結構的變化來探究瀝青老化機理。

Traxler得出瀝青老化的主要原因是輕組分揮發、氧化、內部結構變化、光聚合和熱縮聚。劉忠安[8]利用模擬老化方法考察了國產道路瀝青老化過程中分子量分布的變化，測試結果表明平均分子量與分散度顯著增加。水恒福等[9]通過H-NMR結合紅外光譜對瀝青老化進行了探究。亓玉臺[10]對單家寺和勝利直溜道路瀝青及其組分在吸氧老化中化學族組成和平均結構參數的變化，認為老化后瀝青的各組分變重，平均分子量增大各種試樣平均分子的總碳數、總環數、縮合指數和芳香度增加。Soon-Jea-Lee等采用了GPC測試方法研究了老化瀝青的分子量及其分布情況，其他研究者們的研究結果大多數認為瀝青老化后大分子量比例增多且分子量增大。周安娜等[11]通過薄膜烘箱老化試驗，認為瀝青在老化過程中平均分子量與分散度顯著增加。金鳴林等[12]通過試驗測定了韓國瀝青薄膜熱老化前后的特征官能團變化，認為引起該瀝青老化的主要原因是瀝青分子中的活性基團與空氣中的氧反應生成極性分子。瀝青分子中氧、硫原子主要以羰基、亞砜基官能團以及硫醚、硫醇的形式存在。

綜合以上研究表明，道路瀝青的老化是由于瀝青中活性基團與空氣中氧反應的結果，氧化的產物主要以羰基與亞砜基官能團，深度老化有可能生成羧基官能團，改性瀝青可能生成羥基，由于分子間的締合與縮聚作用使得老化后瀝青的平均分子量增加。從組成和結構分析，老化后瀝青中膠質減少，瀝青質增加，軟化點升高，粘度增大，針入度與延度下降。

4、改性瀝青老化研究

隨著改性瀝青在國內的廣泛應用，對改性瀝青老化規律的研究也受到了相應的重視。龐凌等[13]對70#基質瀝青及PG70-28改性瀝青分別進行了室內旋轉薄膜烘箱老化、壓力老化及室外光氧老化試驗，采用針入度、針入度指數、延度、軟化點等指標分析考察了室內熱氧老化對瀝青高溫穩定性、低溫開裂性及溫度敏感性能的影響，結果表明改性瀝青的抗老化性能明顯優于基質瀝青。xiaohu Lu等[7]通過紅外光譜研究發現，雖然不能阻止瀝青老化過程中碳基的生成，但是。老化后改性瀝青的流變性能優于基質瀝青。劉東杰[14]分析SBS改性瀝青老化后的動態力學性能、粘度變化和低溫性能，結果表明SBS改善了瀝青老化后的性能，改性瀝青長期使用性能良好。王仕峰[15]考察了SBS改性瀝青的薄膜烘箱老化行為，表明SBS改性瀝青老化后增加了羰基和亞砜基，SBS和瀝青的相對分子質量都發生了變化，改性瀝青老化程度小于基質瀝青。陳華鑫[16]計算得出經過相同壓力老化后改性瀝青老化的紅外光譜圖上的1700cm-1/1600cm-1之比由基質瀝青得0.5增加至0.77，說明改性瀝青老化后羰基增多，且認為是SBS聚丁二烯被氧化的結果。

結論：

瀝青在老化過程中，除了發生氧化以及輕組分的揮發及聚合反應，還有改性劑的裂解等一系列反應。本文從上述幾個方面分析基質瀝青的老化規律及機理研究，得出主要是基質瀝青通過氧化，聚合等反應導致瀝青中組分的改變，而改性瀝青主要是通過氧化以及改性劑的降解等反應導致SBS改性瀝青的改性性能發生變化。