老化瀝青物理力學性能與化學組分變化預估研究綜述

李強　熊智翔

【摘 要】本文按建立老化瀝青預估方程理論基礎的不同分三類來綜述。對各預估方程使用的老化方式和瀝青品種進行整理并分析。根據老化瀝青預估方程可以快速準確地選擇路用瀝青并在恰當的時機對瀝青路面進行預防性養護。此外，在已有研究的基礎上提出三個研究方向。

【關鍵詞】瀝青；熱氧老化；紫外老化；預估方程

中圖分類號： TE626.86 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）15-0089-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.15.041

瀝青從一生成就會老化，在有氧環境下，瀝青常發生熱老化和光老化。對于熱氧老化，國內外的學者包括Lu Xiaohu[1]，Mill[2]，金鳴林[3]等通過研究指出瀝青經有氧老化作用生成類似羰基和亞礬官能團等化學原子團。Van[4]等通過研究指出瀝青熱氧老化溫度的不同其老化機理也有差異，當老化溫度不高于100℃時氧化反應占主導位置，合成含有氧的化合物；但是老化溫度超過100℃時，將脫氫生成H20和CO2。已有的光氧老化研究[5-10]表明雖然瀝青在有氧條件下光老化和熱老化生成的相應原子團占比都將上升，但光老化更能改變瀝青的流變性能。

瀝青物理力學等性能的變化就是瀝青老化發生化學反應的結果。這種變化對路面的使用性能將會造成不容忽視的影響，如何適時的對路面進行養護可以通過研究道路工程用瀝青老化過程中的性能變化來指導。從已有的老化瀝青性能預估研究來看，根據理論基礎的不同可分為三類。

1 基于阿倫尼烏斯（Arrhenius）公式的預估

Arrhenius基于實踐經驗，總結出化學反應速率公式[11]：

k=Ae-Ea/RT（1）

式中：k為反應速率；A為指前因子或頻率因子；R為摩爾氣體常量；T為熱力學溫度；Ea為表觀活化能。

文獻[12]通過研究證實隨著瀝青老化的進行，羰基的占比將持續上升，因此建議用瀝青中羰基的占比來衡量瀝青熱氧老化程度。Jin等[13]將基質瀝青和改性瀝青（共15種）在溫度低于100℃下選取四個溫度進行不同時間長度的老化，然后測試老化后瀝青的羰基占比，建立瀝青有氧老化反應羰基占比預估模型，模型表達式如式（2）。該瀝青羰基占比的預估模型是建立在Arrhenius公式的基礎上，將老化反應分為快反和慢反，能更接近實際并精確地預測老化瀝青羰基含量的變化。

CCA=CCA，tank+M（1-e-kft）+Kct（2）

式中：CCA為老化瀝青中羰基的占比；CCA，tank為未老化瀝青中羰基的占比；M為瀝青中羰基占比變化值；t為老化時間；Kf和Kc分別為劇烈老化下反應速率和常速老化下反應速率。該文獻是通過PG分級標準對瀝青分類，結果表明兩種反應速率與瀝青的等級并無明顯關聯；不同廠家生產的同等級瀝青老化速率也有較大差異。

文獻[14]等發現特定動力學方程可以用來描述瀝青的老化速率，用正戊烷瀝青質占比評價老化。通過對AH-70和AH-90路用瀝青在150℃、163℃和180℃三個溫度，分別老化0h、5h、10h、15h、20h、25h、30h，將老化過程中瀝青質的占比視為變量x（未老化時x=x*），基于瀝青中正庚烷瀝青質的占比建立預估方程：

In（1-x）=In（1-x*）-Ae-Ea/RTt（3）

隨著基質瀝青等級提高，A和Ea逐漸降低并且不同瀝青對應的值相差較大，但老化反應速率k（式1）逐漸增大。

文獻[15]提出以瀝青PG上限溫度值TPG為指標來評價老化，研究一種基質瀝青和兩種改性瀝青在溫度不超過100℃的熱氧老化條件下TPG的變化規律，通過對3種瀝青進行4種溫度下不同時間段的老化處理，建立基于指標TPG的瀝青熱氧老化預估方程。

式中：M=PG0-TPG，tank，與壓強和瀝青品種有關且與老化溫度無關；TPG，tank為未老化瀝青PG上限溫度值，PG0是常速老化下化學反應直線的截距；Af指劇烈老化下的頻率因子；Ac指常速老化下的頻率因子；Eaf為劇烈老化下化學反應活化能；Eac常速老化下化學反應的活化能。研究結果表明不同瀝青其參數有較大的差異，參數Af、Ac、Eaf和Eac 隨著瀝青PG等級的提高逐漸降低。

基于阿倫尼烏斯公式的預估方程可以很好的用來預測老化瀝青的羰基含量、正庚烷瀝青質含量和TPG，各預估方程都至少選用兩種瀝青來驗證模型的普遍適用性，對于具體的文獻其老化溫度都選擇在瀝青老化溫度界限（100℃）的一側，進一步的研究可驗證老化溫度界限兩側是否能用同一模型方程表達。上述模型都是建立在熱氧老化基礎上，這主要是由于阿倫尼烏斯公式的兩個自變量為溫度和摩爾氣體常量。所以暫時并沒有應用到紫外老化預測中。

2 基于線性或乘冪函數的預估

由于規范中瀝青的老化試驗不能完全體現其在使用過程中的變化[16]，研究者通過延長旋轉薄膜烘箱試驗時間并設定多個力學指標檢測點結合數學基本函數建立用來描述瀝青性能變化趨勢的方程。

文獻[17]利用旋轉薄膜烘箱對70號，90號基質瀝青及對應的改性瀝青分別進行30min、60min和90min的老化，測試瀝青試件135℃旋轉粘度等指標。建立老化瀝青粘度預估方程：

上述基于線性或乘冪函數的老化瀝青性能預估方程表明對于不同種類的瀝青只是模型參數值不同，該類模型方程對各種瀝青有普遍的適應性且其參數計算相對簡單。就這類預估方程所考慮的老化方式而言，老化溫度比較單一，可增加不同溫度的老化。在這類模型中沒有紫外老化下的預測，此類模型是否對紫外老化適用仍需要進一步研究。

3 基于瀝青老化初始速率最大且最終趨于0的預估

此類非線性預估方程的建立是基于老化時間t=0時有最大的瞬時老化速率，隨著老化的進行最終老化速率將接近于0，即假設老化速率與時間的關系符合[20]：

文獻[21]通過對克拉瑪依90#瀝青進行RTFOT試驗，首次運用模型10來預估163℃熱氧老化下瀝青三大指標以及60℃粘度的變化。文獻[22]根據5種基質瀝青不同時間RTFOT、60℃烘箱老化試驗結果和野外自然老化回收瀝青所測粘度，對于RTFOT老化方式下不同種類的瀝青其參數A、B有差異，其中參數A從5.11-5.71變化，參數B從0.0035/min-0.0062/min變化；60℃下老化較慢，參數A降至1.2-1.3，參數B在0.155/d-0.205/d范圍內變化；此外對于野外老化參數A=5.4176，B=0.2939/a，出于野外老化條件下A值在室內RTFOT老化參數A取值范圍內，栗培龍提出可用RTFOT老化來模擬野外長期老化。該文獻的預估方程不僅囊括了多種瀝青和不同溫度的老化，還結合了工程實際下的老化，在一定程度上將室內與室外的老化聯系起來，注意到預估方程表示的是瀝青粘度這一個指標在老化過程中的變化，進一步可研究其余指標RTFOT老化與野外老化的相關程度。文獻[23]選取常見的四種瀝青（70#、90#、成品改性和自制改性瀝青），通過RTFOT老化在文獻21的基礎上進行拓展研究，基于三大指標和135℃布氏黏度建立老化瀝青預估方程。不同瀝青的預估方程參數A相差不大，A針入度在0.37-0.55范圍內變化，A軟化點在1.3-1.4范圍內變化，A延度在0.02-0.04范圍內變化；參數B表示老化過程性能的變化快慢，成品改性瀝青延度指標在老化過程中變化較其他三種瀝青快，70#基質瀝青軟化點、135℃布氏黏度和針入度增長速度最快而其余瀝青增長速度相差無幾。文獻[24-25]通過向SK90#基質瀝青中添加 TPS制得高粘改性瀝青，進行163℃不同時間的老化，解決了高粘瀝青熱氧老化過程中三大指標和粘度動態描述方面的不足等問題。分析得到基質瀝青和高粘瀝青對于不同指標其模型參數A的大小順序并不固定，高粘瀝青的軟化點、針入度在老化過程中的增長或衰減速率B要大于基質瀝青，而延度衰減速率B基本持平，粘度增長速率B相對基質瀝青要低好幾倍。上述老化研究都通過延時RTFOT并設定老化過程性能檢測點來建立老化預估方程，研究的瀝青種類豐富。但老化溫度基本為163℃，溫度對參數的影不明確。

在光氧老化研究中，為了把室內老化與野外紫外老化聯系起來，所以室內紫外老化時間的確定常通過等量原則來完成的，即保證室內外紫外輻射量相同。文獻[26]對90#A級瀝青進行不同時間的紫外老化，首次建立紫外老化瀝青針入度、延度和60℃粘度預估方程。文獻[27]出于橡膠瀝青在紫外老化后性能預估的不足，對實驗室自制橡膠瀝青進行不同時間的紫外老化，首次建立老化瀝青不同溫度下動力學參數G*/sinδ的預估模型，模型表達式見式（11），通過指標G*/sinδ動態形象地描述老化過程中瀝青流變性能的變化。文獻26和27都是研究紫外老化下瀝青性能的變化規律，都與野外實際紫外輻射量關聯。由于預估方程只描述了一種瀝青，拓展研究可通過不同種類的瀝青老化來具體化不同瀝青模型參數值的差異。

4 結語

文章根據建立預估方程理論基礎或前提的不同，分三類綜述已有的老化瀝青預估模型，并對建立模型所用的老化方式和瀝青種類進行整理分析，三類模型各有其優缺點。各文獻的具體模型都可以精確的預估瀝青老化過程中相應指標的變化并量化老化速率，對實際道路工程瀝青的選擇以及預防性養護有一定的指導意義。

基于已有的研究成果，提出以下研究方向：①由于紫外燈強度對瀝青性能的變化影響不明確，考察不同強度紫外燈相同紫外輻射累積量下瀝青老化程度以及性能的變化趨勢。②瀝青光熱條件下的老化并沒有相應的預估模型，單一因素下的模型結構是否適用于預測多因素耦合作用下性能的變化還有待進一步研究。③從現有的研究來看，較少有對老化瀝青混合料的性能進行預測，預測老化瀝青混合料性能的變化對路面預防性養護具有更積極的意義。

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