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沥青的老化

类别:常见问答 文章出处:未知发布时间:2018-05-29 15:56 浏览人次:

  沥青路面在使用过程中受到自然因素日光、空气、气温、降水和交通荷载的综合作用,产生一系列的物理和化学变化,使其使用性能逐渐衰减,逐步脆硬老化,其实质是沥青混合料中的沥青结合料发生老化。引起沥青组分老化的原因是多方面的,如沥青中的轻质组分(饱和分和芳香分)挥发、聚合、脱氢等作用,其中主要是沥青中的各种成分发生了氧化,即与空气中的氧产生了化学反应。沥青的氧化程度与所处的温度有关,温度越高,氧化越快,也就是说沥青的老化速度越快。这也就是为什么沥青混合料在高温下拌和时老化特别严重的原因。有研究认为,当沥青在160~170℃的高温下以薄膜状态与灼热的碎石接触时,其老化速度几乎相当于沥青路面在自然状态下历经19年的老化。温度越高,沥青氧化越剧烈,老化越严重。这就是为什么对沥青混合料拌和温度与拌和时间要求严格控制的缘故。在光照条件下,沥青中的油分、胶质、沥青质都能很快发生氧化反应而老化。同时沥青在雨水洗淋作用下所含的可溶性物质被冲洗掉,也会引起沥青的老化。汽车交通荷载对沥青路面的重复作用,引起沥青材料不可逆的塑性变形,进而导致结构性破坏,因此机械力的疲劳作用也是导致沥青老化的原因。

沥青路面

  沥青的老化过程

     运输、贮存过程中的的老化

  沥青从炼油厂炼制出来以后,直至拌和沥青混合料之前,一直装在保温的沥青罐内,沥青的热态贮存和热态运输等过程,往往经历很长时间,其间由于温度的升高,加速分子的运动,轻油质不断挥发,并引起聚合等化学反应。沥青在贮存和运输的过程中,全部是在储油罐中,沥青的数量多,深度大,只有其表面的沥青能和空气接触并发生反应,因此,在此过程中沥青老化程度很小。

  施工过程中的老化

  沥青最常规的施工方法是热拌热铺,此时沥青将经历一个比贮存过程要严重得多的老化过程。沥青在拌和机内与热矿料混合,温度一般高达160~180"C,且沥青裹附在矿料上,形成1~3mm厚的沥青薄膜,受热面积加大。这时沥青的老化比较严重。因此,拌和时间越长,拌和温度越高,沥青膜越薄,沥青的老化也越严重。

  路面使用过程中的老化

  沥青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,也会引起老化,但其进程是一个比较缓慢的长期过程,在路面开放交通2~3年间稍快一些,以后变慢。沥青老化程度因以下三个因素的不同而有所不同:

  1)路面使用年限。使用年限越长,沥青受各种因素影响的时间越长,所以沥青路面老化越厉害。

  2)沥青路面不同深度。沥青路面随着深度不同,其老化程度有明显差别。在路面行车道上,由于行车的压密作用,一般仅在0.5~1cm深度内产生严重的老化现象,而在1cm以下,则老化要缓慢得多,其针入度与原沥青相比,虽有所减少,但这主要是在混合料拌和时因加热所引起的老化。

  3)沥青路面不同位置。在同一使用年限和同一深度的行车道和路肩(边)上,其老化程度也有所不同。在承受重交通载荷的行车道上,沥青老化速度反而较不承受交通载荷的路肩要慢些,这主要是由于行车道上路面在交通载荷作用下,密实度有所提高,空隙减少,受空气、水、光的作用而减少的缘故。

  沥青的老化机理

  组分调节理论

  组分调节理论是基于沥青胶体结构理论的。沥青胶体结构理论认为沥青老化是沥青在受到热、氧等多种因素的影响后,沥青组分发生迁移,表现为:芳香分→胶质→沥青质,使沥青结构发生变化,沥青向凝胶体结构转变,从而使沥青的使用性能降低,产生老化现象。

  组分调节理论是从沥青化学组分出发,认为如将老化沥青和原沥青的组分进行比较,向老化沥青中加人所失去的组分(沥青再生剂),使组分重新协调,就能恢复沥青的原有性能。这一过程是根据石油工业中生产调和沥青的工艺原理,所以再生沥青实际上是一种调合沥青。尽管从理论上讲调节组分是再生的基本途径,然而根据旧沥青组分,对照优质沥青的组分,来确定旧沥青应该补充的组分及其数量,以获得品质优良的再生沥青的生产工艺却难以实现,并且最佳组分比例事实上也难于确定。

  相溶性理论

  相溶性理论从化学热力学出发,认为如能掺入一定的再生剂使沥青组分间溶度参数差减小,则沥青就可实现再生。这一由希尔布兰德提出的“溶度参数理论”也常被作为沥青再生的理论依据。这种理论认为,当溶质的溶度参数与溶剂(由胶质、油份构成的软沥青质)的溶度参数的差值小于某一定值时,沥青即能形成稳定的溶液。以公式的形式:

  式中:—溶质与溶剂的溶度参数差值,(J/m3)0.5

  —沥青质(溶质)的溶度参数,(J/m3)0.5

  —软沥青质(溶剂)的溶度参数,(J/m3)0.5

  K—规定的溶度参数差值的限值,(J/m3)0.5

  由于相溶性理论所采用的溶度参数指标与沥青的宏观物理性能(如流变参数指标等)有较好的相关性,前者从沥青化学结构的角度来阐述再生的机理,物理化学意义明确;后者从沥青力学行为的角度来描述再生的机理,在实际应用中可操作性强。所以,采用相溶性理论作为老化沥青再生的指导理论具有很高的研究和应用价值。

  通过以上分析可知沥青老化的实质是:沥青中各组分化合物化学结构的变化,引起沥青中沥青质与软沥青质溶解度参数的变化,导致沥青质与软沥青质之间的溶解度参数差值增大,因而相容性降低,胶体结构遭到破坏,最终表现为沥青路用性能衰减。

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