环境因素对沥青老化的影响及预防措施综述

公路对一个国家或地区的经济发展起着很大的促进和辐射作用。作为修建路面重要材料的沥青在使用过程中存在老化现象，从而引起沥青路面产生松散、开裂和水损害等路面破坏。沥青及沥青混合料的老化与其所处的环境有关。一般来说，对沥青老化起作用的因素有阳光、氧气、雨水、温度及机械应力，且主要发生在路面施工阶段和使用阶段。

国内外的道路工作者对沥青混合料的老化过程及老化后的性能做了很多研究，并且成果颇多。学者们研究发现沥青的老化对其物理指标、化学组分、微观结构会产生影响。田小革等对沥青进行了长期老化试验研究并比较老化前后沥青的一系列指标的变化，总结出老化对常规指标的影响。研究发现沥青先后经RTFOT和PAV老化后，各项指标变化明显，且试验时间越长变化越明显：针入度下降、延度降低、粘度升高、软化点升高。此外，经老化后的沥青路面会变脆变硬，抗疲劳破坏和温度裂缝的能力会下降。对路面沥青取样回收后发现回收沥青的粘度和延度变化最显著，且在投入使用后的几年间路面老化最快。亓玉台等考察了老化时沥青极性分子间发生的缔合与缩聚。他提出的连串反应动力学模型把沥青老化时组分间的变化值量化，且各组分的理论计算含量与实测含量的差值一般小于3%：芳香分向胶质转变，胶质向沥青质转变，沥青质最终转化为甲苯不溶物。利用凝胶色谱测试了沥青老化前后分子量分布的变化。对比老化前后沥青分子量分布后提出其老化是沥青分子间发生缔合造成的。现在普遍认为是沥青中极性分子组分增加，分散度也增加，其中最可能的原因是沥青老化使胶质和沥青质含量增加。该文对环境因素对沥青产生的影响及相应的解决方案进行文献回顾和综述。

氧气是最常见的氧化剂，大部分有机物都会与之反应。沥青老化发生在混合料拌和、摊铺和路面投入使用后的全过程，氧与沥青多种成分发生反应后使沥青的结构和组分产生变化。沥青的氧化可以在没有光照情形下发生，只是比有光照射时缓慢。沥青在常温且不见光的情形下会老化，虽然只发生在沥青与空气接触的表层，但有时也会影响到一定深度的沥青。一定量的光照会激发沥青中稳定性较大的自由基，而氧化是由自由基引起的。

与氧反应是沥青老化的主要原因。氧气首先会溶解在沥青中与之反应并进一步在内部扩散，其反应的产物是含氧基团。沥青发生吸氧反应后分子量水平会有显著提高，其最终结果是缔合生成大分子，原有的胶体结构和相应的性能也会改变。

沥青与氧发生反应时受温度的影响很大，若氧与热同时作用于沥青老化时，不饱和键等基团会和氧原子结合生成极性大分子，如羟基、羧基或羰基等，使沥青劣化，沥青路面的柔性降低、硬化、开裂，从而使沥青路面产生更多病害。

按照普通沥青拌和厂的操作流程，拌和好的沥青混合料常常会储存在热储料仓以满足取料需要。因卸料时不可避免地会把空气带入储料仓，会有长时间的老化，所以一些国家为防止高温沥青混合料的氧化，往储料仓中充入惰性气体隔绝氧气与沥青的接触；为减小沥青路面在使用过程中沥青的老化，可选用较密实的路面结构，以减小路面结构的空隙率，尽量减少路面内部沥青与空气接触的面积。建议在结合料中加入如维生素E、炭黑等抗氧化剂减缓结合料的时效硬化。

toch在一个世纪前就已经提出光氧化理论，他认为光能够加快氧化降解的进程。后来的许多研究者们同样发现辐射对沥青氧化有促进作用，并进一步认识到辐射时的温度、辐射强度和沥青的化学组成会不同程度地影响光氧化进程。沥青中的大分子结构主要由碳、氢、氧、氮等元素形成，需要一定的键能来维系它们之间稳定的结构。当所吸收的能量比相应的键解离能大时，高分子链会发生断裂。现在普遍认为：C-C、C-h、C=C等是沥青中的高能键，在波长为290~400nm的紫外光照射下能引起高分子链中的化学健断裂。若经受长时间的紫外光作用后，沥青的组分和结构会发生变化，路用性能也会变差。谭忆秋等在热环境和紫外辐射环境下分别进行了5种沥青的老化对比试验，结果表明：沥青对两种老化方式的敏感度不同且老化后的三大指标排序存在较大差异，紫外光老化后沥青的流变特性变化较热老化的更为显著，同时指出引起沥青紫外老化的主要因素是芳香分和胶质。研究后发现沥青结合料经光降解后其热稳定性下降明显。经紫外光老化后，混合料的动稳定度和低温劈裂强度降低，抗压回弹模量增加。紫外线老化后，疲劳寿命也会显著降低。温度敏感性显著降低，但改性沥青表现出较小的衰减。

辐射强度能在很大程度上影响光氧化速度。正常阳光强度照射下，温度对紫外光老化不会有很大影响，因为沥青路表温度一般不会超过80℃。路面在浸水状态下沥青光氧化也没有明显影响。当沥青膜厚增加时紫外线的渗透会急剧衰减。由于沥青老化后低温劲度模量会增加，破坏应变相应减小，最终路表开裂。光照会进一步影响内部混合料，特别是缝壁处混合料，随之而来的将是龟裂、水损害等进一步的破坏。

为减小紫外线辐射对沥青的老化作用，可以选用一些改性沥青作为混合料的材料，如SBR改性沥青、SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青等，因为改性沥青中聚合物大分子的分解会延缓老化造成的沥青变硬，因而具有较好的流变性能和低温性能。温拌沥青混合料在一定程度也可以延缓老化。其次，在混合料中加入一些具有遮盖力和分散性的材料也是可行的，如炭黑、二氧化钛(铯)等纳米材料，这些材料可以将吸收的光能转化为内能散失，或将有害的光波反射来起到保护作用。有的新材料还具有抗光氧化和聚合物激发态能量转移的作用。纳米CeO2能够吸附轻组分不使其挥发，使沥青具有抗氧化、抗老化等功能，还能够吸收阳光中绝大部分的紫外线，能很好地改善沥青的抗老化性能。纳米材料tiO2具有能够改善沥青混合料的高、低温性能和吸收紫外线的作用。

沥青在储存、拌和及摊铺过程中都需要加热到一定的温度，即使在使用过程中黑色路面吸热也有较高的温度，这会导致沥青中的芳香分等轻质油分蒸发和沥青的加速劣化。

对普通的化学反应，较高的温度会使反应速率增加。

反应温度可决定沥青与氧作用后的产物。一般认为温度大于100℃和小于100℃时沥青与氧反应的产物不同：前者反应属于脱氢反应，产物是h2O和CO2；而后者几乎都会生成极性大分子含氧基团。温度对沥青吸氧量也有很大影响，研究表明：温度增加1倍沥青的吸氧量就会增加约4倍。若想降低氧化速率，改善其耐久性能，可以设法改善反应环境。杨侣珍等研究认为混合料拌和温度升高时，沥青的老化程度也增加，温度升高到一定值时，老化速度急剧增加。四组分中，饱和分的化学性质最稳定，沥青质的温度敏感性最小。

即使在长时间高温缺氧的情形下，沥青也会发生绝氧热老化。沥青处于绝氧状态的情形并不少见，比如沥青加热到流淌状态的内部沥青和路面内部沥青都处于绝氧状态。因为沥青受热时只有表面的薄膜与氧接触，路面一定深度的沥青很难与空气接触。高温会使分子布朗运动加剧，使之具有较高活性。沥青在缺氧状态下也能使高聚物发生降解、脱氢以及交联聚合等反应。降解使沥青材料的分子量降低，交联聚合则会使分子量增加。对绝氧热状态下的沥青而言，是降解与交联聚合共存的过程，前者使沥青变得柔软，而后者会提高沥青的粘性和刚性，宏观性能之所以会表现出来是其中的一种反应占优势。热、氧对沥青的共同作用就是热氧化作用，研究绝氧热老化可以区分热与氧各自的作用，有利于更深入地研究热与氧是如何对沥青老化产生影响的。

如前所述，在温度较低时，对紫外光老化没有显著影响；但在较高温度下的光热耦合老化以及各自的贡献率还没有进行系统的研究。张杰文等利用光热耦合老化研究对沥青性质的影响，认为光热因素对沥青老化具有耦合效应，沥青的老化效果随着紫外光强度增加越发明显，且沥青劣化程度随时间延长而增加。

施工过程中常添加抗车辙剂等改性材料预防路面的车辙病害。因它的使用效果显著，已经推广到了很多地区。但使用后粘度增加，所以其施工温度要比普通混合料高20℃左右，这给沥青造成了更大的老化。何兆益等通过模拟高温生产过程研究沥青老化性能的变化，试验结果表明：高温生产会削弱沥青的抗老化性能，并提出在评价掺抗车辙剂的混合料的老化性能时，应把常规短期老化试验中的老化温度由135℃替换为155℃。

由于热拌沥青混合料施工时必须达到很高温度，会造成沥青老化加剧。采取一些方法可以有效延缓沥青的劣化：适当减少沥青在高温状态的时间；合理安排路线，在运输沥青混合料的过程中减少其与空气接触的机会(如加盖篷布等)；不影响施工的前提下尽可能采用较低温度，绝不超高温施工拌和；尽量安排施工在空气温度较高时进行。

沥青的水老化研究在中国比较少。最近几年，才有人把水的因素考虑到老化试验中。ShＲＰ试验中模拟长期老化的压力老化试验也只是模拟热和氧对沥青的老化，没有考虑水对沥青的老化作用。

有学者尝试在PAV试验中加入水分因子，测试沥青在水、氧、热的共同作用下各项指标的变化，使沥青长期老化模拟试验的准确度提高。如李海军等在压力老化试验中考虑水分的影响，测试沥青老化后的低温蠕变劲度S(t)和高温车辙因子G＊/sinδ，研究有水情况下沥青指标在老化前后的变化。结果表明：加入水分后的压力老化试验对沥青性质有显著影响：沥青硬化且弹性提高；高温性能增强，且改性沥青比基质沥青的效果更明显。加入水分老化后的沥青低温性能变化不如高温性能明显，但改性沥青S(t)指标减小较基质沥青明显。

可以看出：S(t)没有很好地把水分对沥青老化后的低温性能变化表示出来，而这可能与水老化机理有关。此外，S(t)对水老化的适用性也值得商榷，毕竟水老化与氧化、热老化、光老化等常规老化的机理不同。试验还比较了同一种沥青在有水、无水两种情形下同种老化温度时G＊/sinδ指标随时间增长的规律，对于G＊/sinδ值，在同样的老化水平下，考虑水分的作用效果时，老化时间可减少5~10h。

虽然沥青是憎水性材料，但其中溶于水的成分可以被水冲刷掉，这将导致沥青劣化。同时，水的酸碱性对沥青质与酸性分的油-水界面的界面张力有显著效果，酸雨的存在使人们不得不考虑水的pH值。杨小莉提出，沥青质可使沥青-水的界面张力减小，沥青质中的-OH、-COOH、-NH2等大量极性基团能使沥青质分子向沥青-水界面迁移，集聚成结构较强的膜。试验还得出结论：由于沥青质的自缔合倾向与自身较复杂的分子结构，使得沥青-水界面的结构膜硬化，在氧与热的作用下硬化速率随时间延长会加剧，使老化更加严重。耿九光等认为有光与热时，水的存在加速沥青的老化，这与沥青成分和羰基基团有关。此外，经过水老化后的沥青若再经紫外光照射，老化会严重加剧。氯盐质量分数和水的pH值也会影响沥青老化后的性能。认为PAV试验中水对沥青氧化率和流变性能没有显著影响。

肖鹏等通过改变水的作用阶段和用水量研究不同的水老化方式对老化后橡胶沥青的蠕变劲度S(t)、蠕变速率m、疲劳因子G＊·sinδ等指标的影响。结果表明：在压力老化前1/3阶段进行加水压力老化试验，压力老化后2/3阶段进行无水压力老化试验，这样的水老化作用方式效果比较明显，也最具可行性；试验还表明水可以使橡胶沥青的热氧老化进程加快：随用水量增加，沥青的软化点、粘度升高，低温性能和抗疲劳开裂能力降低。徐波等研究了湿度对SBS改性沥青和70#道路石油沥青的影响，发现两种沥青的高、低温性能以及抗疲劳性能都有所下降，但SBS改性沥青受湿度影响较小。

水可以使沥青老化加速，因此路面设计时要兼顾材料和结构的防排水，不使水分集聚并使路面结构内部水分尽快排出。可以采取下列措施：在沥青路面下面层或连接层处采用嵌挤作用较好、空隙率很大的沥青碎石，使水尽快流走；合理设置防水层及层位；在不影响高温性能的前提下，适当增加细集料用量和减小空隙率；采用抗老化性能较好的改性沥青；从管理角度加大对施工现场摊铺碾压控制的力度。

综上所述，在沥青路面施工和使用阶段导致沥青性质劣化的主要因素是氧气，温度影响了老化的速率，而时间则决定了老化程度。此外，紫外线、水都能使沥青加速老化。路面处于复杂的环境中，沥青的氧老化、光老化、热老化和水老化是交互作用的。

(1)氧老化是沥青中不饱和键等基团与氧发生聚合与化合，产物是极性大分子，使原有结构和组分变化，降低沥青的柔性。延缓氧老化的措施有：往沥青及沥青混合料储料仓中充入惰性气体；选用较密实的路面结构。

(2)沥青的紫外光老化受辐射强度影响显著，与氧含量和温度也有关联。它和热老化的效果不同，紫外光老化后的流变性能变化比热老化更为显著。延缓紫外光老化的措施有：选用优质沥青；添加具有分散性和抗老化的新材料。

(3)温度对沥青老化的影响体现在加速了沥青吸氧反应的进程，因为高温使得分子运动加速，也使得小分子物质(如饱和分、芳香分等轻质油分)挥发，导致沥青中组分发生迁移，组分间结构链接发生变化，加速了沥青性质的劣化。延缓热老化的措施有：减少热料储存时间；加盖篷布；使用改性沥青；在空气温度较高的时段施工。

(4)水分可以将沥青中溶于水的成分带走，且其pH值对沥青质与酸性分的油-水界面的界面张力有显著影响，水的存在会在很大程度上加剧沥青的老化，水老化对沥青老化后的高、低温性能影响不同，通常是前者大于后者，对水老化的试验操作和低温性能指标的适用性还需进一步研究。延缓水老化的措施有：科学设置防水层和连接层；使用改性沥青；适当减小路表空隙率；规范施工。