沥青老化与再生机理

【摘要】沥青在施工与长期使用过程中，因受外界环境影响会逐渐老化，本文从沥青组分和胶体结构的变化来分析沥青的老化机理。沥青再生是沥青老化的逆过程，本文分别从组分调节理论和相容性理论来解释沥青的再生机理。

【关键词】化学组分；沥青老化；胶体结构；沥青再生

中图分类号：TF526+.3 文献标识码：A 文章编号：

引言

由于沥青老化影响到沥青路面的耐久性，所以沥青老化问题一直是国内外道路工作者研究的重点。特别是在50年代后期，美国、加拿大、日本、北欧等国家和地区的学者对沥青老化进行了深入研究，探讨了沥青老化原因及老化模拟方法，并开发了相应的沥青老化仪器设备。近年来，随着我国公路事业的发展，我国许多学者也积极加入到沥青老化研究的行列，并取得了丰硕的成果。

沥青路面的再生利用最早可回溯到1915年的美国，当时研究成果或经验极少。直到20世纪70年代石油危机后，国外发达国家开始大规模地进行沥青再生技术的研究，现已形成了一套比较完善的沥青再生技术。而我国对于沥青再生技术的研究起步较晚，相应的技术标准和工艺规程不够完善，严重滞后于道路建设与社会发展的需要。为应对那些十几年前甚至几十年前铺筑的已超期服役、严重老化的沥青路面，以及随时可能爆发的新一轮石油危机等问题，如何处理和利用好废旧沥青混合料变得越来越紧迫.。

为了解沥青材料的老化机理和再生机理，首先需要知道沥青的化学组成。

一、沥青的化学组分

鉴于沥青组成结构的复杂性以及目前分析技术的限制，要将沥青分离为纯粹的单体，存在许多困难，因此许多研究者致力于沥青组分的研究。当前我国最为常用的是四组分分析，即将沥青分为饱和分、芳香分、胶质和沥青质。一般认为，沥青的化学组分与沥青的物理、力学性质以及路用性能有着密切的关系。其中饱和分对沥青起和软化作用；芳香分是沥青质的分散介质，与饱和分共同赋予沥青流动性；胶质对沥青的粘结力、可塑性、延度有很大的影响；沥青质是沥青液态组分的增稠剂，其含量的多少影响到沥青的粘滞性及温度稳定性。

根据当前对沥青的认识，研究者普遍认可沥青的胶体结构理论，该理论认为沥青之所以能成为稳定的胶体系统，是因为沥青质分子对极性强的胶质具有很强的吸附力，形成了以沥青为核心的胶团，而极性相当的胶质吸附在沥青质周围形成中间相。由于胶团的胶溶作用，使胶团弥散并溶解于分子量较低、极性较弱的芳香分和饱和分组成的分散介质中，形成稳定的胶体。在沥青胶体结构中，从沥青质到胶质，乃至芳香分和饱和分，它们的极性是逐步递变的，没有明显的分界线。所以，只有在各组分的化学组成和相对含量相匹配时，才能形成稳定的胶体。根据沥青中各组分的化学组成和相对含量的不同可以形成不同的胶体结构。沥青的胶体结构可分为溶胶型、溶一凝胶型以及凝胶型三种胶体结构。

二、沥青的老化机理

（一）沥青化学组分变化

一般认为，沥青老化过程中，其饱和组分是比较稳定的，在整个老化过程中变化不大，芳香分较易发生氧化聚合反应，胶质中含极性官能团的组分通过分子间的聚合与缩和作用转变为沥青质。即，沥青组分大致按芳香分一胶质一沥青质的路线向重质化的方向转化。因此，沥青老化的过程可以认为是沥青化学组分移行的结果，由此引起沥青物理、力学性质的变化，通常表现为针入度变小、延度降低、软化点和脆点升高，沥青变硬、变脆、延伸性降低。

（二）胶体结构变化

随着沥青路面使用年限的延长，沥青质的浓度相对增大，老化加重，沥青材料各组分之间配伍失调，其胶体结构发生了变化。根据胶体结构理论，沥青老化之后其结构从溶胶型逐渐向溶一凝胶转变，若继续老化将会向凝胶型转化。凝胶型沥青中沥青质含量很多，并有相当数量芳香度较高的胶质来形成胶团，他们之间的相互吸引力增强，使胶团靠得很近，形成空间网状结构，此时，油分分散在网络空间中，导致沥青流动性和塑性降低。同样根据相容性理论，作为溶剂的软沥青质和作为溶质的沥青质的溶度参数也发生变化，这就破坏了它们之间的兼容性，造成沥青性质的变化。老化严重的沥青结合料和性能优良的初始沥青结合料相比，在常规路面性能上的差距主要体现在两方面：一是粘性过高；二是柔韧性不足。其中，柔韧性不足是沥青结合料路用性能不良的主要原因。

综上所述，沥青的老化过程发生了一系列化学反应，这些反应破坏了原有沥青组成和结构的平衡，特别是使得芳香分和胶质向沥青质转化，沥青体系中芳香分和胶质减少，沥青质含量增加，破坏了沥青的胶体结构，沥青胶体对沥青质胶溶能力下降，使得沥青的相对分子质量增加，粘度、软化点上升，延度衰减显著，各种性质均发生变化，最终表现为沥青路用性能衰降。

三、沥青的再生机理

从化学组分的角度来看，沥青再生就是老化的逆过程。

旧沥青再生的机理研究目前有两种理论，这是基于对沥青溶液有两种不同的认识。一种观点认为,沥青溶液表现出一系列的胶体性质，沥青溶液中存在着三种成分；即憎液的沥青质颗粒；包围着憎液颗粒避免其发生聚合的亲液的胶质颗粒，胶质包围着沥青质形成胶团；悬浮胶团的油相。当它们的相对含量和性质相配伍时，就形成了相对稳定的胶体溶液。另一种观点则认为，沥青是以沥青质为溶质，而以软沥青质（沥青中除沥青质以外组分的总称）为溶剂的高分子浓溶液。但对于沥青再生，这两种理论并没有冲突，而是相互补充的。

组分调节理论是从化学组分出发，认为如将老化沥青和原沥青的化学组分进行比较，向老化沥青中加入所失去的组分(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。

相容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、油分构成的软沥青质)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。

由于相容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，采用相容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。

四、结语

沥青老化与再生原理关系到新建沥青路面的养护与废旧沥青路面的再生，特别是沥青再生在实际工程中的有效应用对我国沥青路面的可持续发展有重要的现实意义。

【参考文献】

吕伟民.沥青路面再生技术[M].北京:人民交通出版社,1989.

申爱琴.道路工程材料[M].北京：人民交通出版社，2009.

栗培龙. 道路沥青老化行为与机理研究[D].西安：长安大学，2007

耿九光. 沥青老化机理及再生技术研究[D].西安：长安大学，2009

吕伟民.沥青再生原理与再生剂的技术要求[J].石油沥青，2007，21(6)

黄煜镔,周小平，吕伟民. 沥青路面再生技术的原理与应用[J]. 重庆建筑大学学报，2004，26(6)

谭忆秋,王佳妮,徐慧宁. 沥青结合料紫外老化机理[J]. 中国公路学报，2008，21(1)

【作者简介】石伟（1988—），男，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道工程专业。