沥青在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,亦会引起老化,但老化的进程是一个比较缓慢的长期的过程,在路面开放交通2~3年间 稍快一些,以后变慢。由于环境因素的复杂性,因而使用期的老化过程是一种非常复杂的现 象,它将引起沥青流变学性质发生根本的变化,直接影响到路面的耐久性。
据认为、导致沥青老化的因素除了水分与紫外线作用外,还与三个化学成分的因素有关. 它们是:
(1)由于挥发或骨料的吸收使低分子油分含量减少;
(2)由于同大气中的氧发生反应使沥青的化学结构发生变化;
(3)分子间形成可导致触变效应的结构(位阻硬化)。
但是对已经经过高热拌和的沥青混合料来说,轻质油分的挥发损失已不是沥青老化的主 要原因,而与大气中氧的反映及分子结构的变化将是沥青路面使用期老化的主要原因。
但根据Martin的研究结果, 即使是550um波长的紫外线, 射人沥青的深度也只有0.1mm 左右。就算考虑到老化了的沥青分子会向内部扩散,紫外线对沥青老化的影响也只能发生在 沥青表层的1mm²。因此,沥青只有与空气接触才会发生老化。沥青路面的压实度和空隙 对老化的影响至为重要,空隙率大就容易进去空气、水、光线,当然就容易发生老化。沥青膜的 厚度对沥青老化也很重要,沥青膜越薄,老化越快。由于沥青表层的老化产生的脆性,将使冬 季低温劲度大大增加,破坏应变变小,因而极容易成为温缩裂缝的致命弱点,导致路面开裂。
根据Valle rga和Fin等人长期的研究, 沥青在拌和、铺筑、使用过程中的老化过程中, 是由 于下列六种因素的作用s1:
(1)氧化作用,即氧气与沥青发生化学反应的过程,它的速率取决于环境温度;
(2)挥发作用,轻质油分从沥青组分中逐渐逸出,它也与温度有关,一般发生很慢,是一个长时间的过程:
(3)聚合作用;
(4)触变作用;
(5)胶体的脱水收缩作用;
(6)分离和析出作用。
由于以上因素的共同作用,沥青在老化过程中逐渐变硬,最直接的结果是沥青的针人度变小,粘度变大。
据K and hal的研究, 图 2-5-6中当沥青老化后针人度减小到20时,路面开 始出现裂缝,也有的发生在针人度20~30的情况 3 下,针入度在30以上时,一般有较好的抗裂性能。 图2-5-7表明,6种不同沥青品种的老化过程有明 显的差别,但所有沥青在拌和过程及开放交通初 10 期,沥青的粘度急剧增大,1~2年后老化速率渐上 趋平缓。
沥青路面使用过程中老化与空隙率的关系十 分密切,空隙率大,空气、水分进入结构层内部,严 重加速沥青老化的发展。表2-5-3表明三种不同 空隙率的沥青混合料在使用15年后的回收沥
青 的性能变化。在表中,拌和摊铺后回收的沥青性能,与空隙率关系不大。
但经过15年使用后,空拌和隙率大的混合料,劲度模量和针人度指数PI大幅 使用时间(月) 度增加,老化指数明显提高。
总的来说,在使用期,沥青混合料的空隙率是影响沥青老化的主要因素。一般说来,使用 性能良好压实度达到要求,空隙率小于5%的沥青路面,沥青的老化很小。如图2-5-8显示使 用5年路龄不同空隙率路面回收沥青的针人度结果,空隙率5%以下时在使用期老化甚微、而 空隙率在9%以上时,其针人度由70降至25以下,路面将开裂。
沥青路面长时间处于日光之下,光对沥青的耐久性影响是非常明显的。据能谱分析可见, 紫外线占5%,可见光占43%.红外线占52%。其中紫外线和红外线对酒青老化作用最大,可 见光影响较小。