席晗、孔令云（重庆交通大学土木工程学院）在《重庆交通大学学报(自然科学版)》（Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science)）2024年12月第43卷第12期上发表了题为“紫外老化对沥青宏观性能及微观组成的影响”（Effect of Ultraviolet Aging on Macroscopic Properties and Microscopic Composition of Asphalt）的研究论文。
本研究的学术领域属于道路工程与建筑材料科学，具体聚焦于沥青材料的老化机理与性能评价。研究背景在于，沥青路面长期暴露于自然环境中，不可避免地受到紫外线辐射的影响，导致其宏观性能衰变，进而损害路面的服役寿命和使用品质。尽管已有大量研究从宏观或微观单一角度探讨沥青老化，但将宏观流变性能与微观化学组成变化系统关联，并从中提炼出可用于评价老化程度和抗老化能力的关键指标的研究尚不充分。因此，本研究旨在通过综合运用宏观流变测试与多种微观分析技术，系统揭示沥青在紫外辐射作用下的老化行为规律，并试图建立连接宏观性能劣化与微观结构演变的关键评价指标体系，以期为沥青材料的抗老化设计与性能评估提供更全面的理论依据和数据支持。
研究的详细工作流程包含以下几个主要环节，环环相扣，从材料准备、老化模拟、性能测试到微观表征，构成了一个完整的分析链条。
首先，研究选取了四种不同类型的AH-70基质沥青作为研究对象，分别为TPKAH-70(TPK)、中海AH-70(ZH)、东海AH-70(DH)和昆仑AH-70(KL)，以确保研究结果具有一定的普适性。所有沥青均进行了基本物理性能（针入度、软化点、延度）测定，确认其符合规范要求。
其次，进行室内模拟紫外老化试验。研究采用500W高压汞灯作为紫外光源，在步入式环境箱中控制老化温度为60°C。将沥青样品制备成厚度为1±0.5 mm的薄膜，以模拟路面表层沥青的受光状态。老化时间设置为2、4、8、10、16天，进行全天候不间断照射，以获取不同老化程度的样品。这一步骤模拟了自然环境中的紫外老化过程，为后续性能与组成测试提供了不同老化状态的样本。
第三，对老化前后的沥青样品进行宏观流变性能测试。这部分采用了两种主要的流变学试验方法：动态剪切流变试验（Dynamic Shear Rheological Test, DSR）和多重应力恢复蠕变试验（Multiple Stress Recovery Creep Test, MSCR）。DSR试验采用温度扫描模式（频率10 rad/s，应变1%），测定沥青的相位角（Phase Angle, δ）和车辙因子（G*/sinδ），用于评价沥青的高温抗变形能力和弹性恢复能力。MSCR试验则在60°C下，依次施加0.1 kPa和3.2 kPa的应力，测定沥青的不可恢复柔量（Jnr）和恢复率（R），用于评价沥青抵抗永久变形和弹性恢复的性能。这两种试验从不同应力响应角度全面表征了沥青高温流变性能的变化。
第四，对老化前后的沥青样品进行系统的微观组成分析。这一部分是研究的重点，采用了四种互补的分析技术： 1. 组分组成试验：采用棒状薄层色谱-氢火焰离子探测仪，测定沥青中饱和分（S）、芳香分（Ar）、胶质（R）和沥青质（As）四种组分的含量变化，并计算凝胶指数（Ic），以分析沥青胶体结构类型的转变。 2. 元素组成试验：采用元素分析仪，测定碳（C）、氢（H）、氮（N）、硫（S）元素的含量，并通过差分法计算氧（O）元素含量，分析老化过程中元素组成的变迁。 3. 凝胶渗透色谱试验（Gel Permeation Chromatography, GPC）：采用凝胶色谱仪，以四氢呋喃为溶剂，分析沥青的分子量分布（Molecular Weight Distribution）、数均分子量（Mn）、重均分子量（Mw）和分散系数（D），揭示老化过程中分子尺寸和分布的变化。 4. 红外光谱试验（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）：采用红外光谱仪，在400-4000 cm-1波数范围内扫描，通过特征峰的变化识别官能团的生成与演变，并定量计算羰基指数（Ic=O）和亚砜基指数（Is=O），以量化氧化程度。 所有微观试验均采用平行试验（至少3-4次）取平均值的方法，以确保数据的可靠性。整个工作流程的数据分析基于对比原样与不同老化时间样品的测试结果，探寻变化规律，并将宏观性能指标与微观组成参数进行关联分析。
研究取得了系统性的结果，这些结果清晰地揭示了紫外老化对沥青从宏观到微观的多层次影响。
在宏观流变性能方面，DSR和MSCR试验结果表明，随着紫外老化时间的延长，沥青的车辙因子（G*/sinδ）显著增加，而相位角（δ）减小。这说明老化后沥青的弹性成分比例提高，高温抗变形能力和稳定性增强。同时，MSCR试验显示，不可恢复柔量（Jnr）减小，恢复率（R）增大，进一步证实了老化后沥青抵抗永久变形能力提升，弹性恢复性能改善。研究特别指出，车辙因子和恢复率这两个指标的变化具有较好的鉴别性和全面性，可作为评价沥青紫外老化高温流变性能的关键指标。
在微观组成变化方面，结果揭示了宏观性能变化的深层次化学与物理原因。组分分析显示，紫外老化后，沥青中的轻组分（芳香分和少量饱和分）减少，重组分（沥青质）增加，胶质含量因转化速率不同而有增有减。这导致凝胶指数（Ic）增大，表明沥青的胶体结构从溶胶型向凝胶型转化，宏观上表现为硬度增加、弹性增强。元素分析发现，老化后C、H原子含量下降，O原子含量显著上升，S、N原子含量相对增加，H/C原子比（AH/AC）下降。这证实了紫外老化本质上是氧化和脱氢过程，氧原子掺入沥青分子中形成了极性官能团。
GPC分子量分析提供了分子层面的证据。结果显示，老化后沥青的数均分子量（Mn）增加，重均分子量（Mw）和分散系数（D）减小，分子量分布曲线向大分子方向移动且分布变窄。这表明在紫外光作用下，沥青内部的小分子化合物（可能来自化学键断裂产生的碎片）发生了“团聚”现象，不断聚集形成大分子化合物，从而导致分子整体尺寸增大且分布更集中。这一过程与组分分析中轻组分向重组分转化的结论相互印证。
红外光谱分析则直接捕捉到了氧化反应的具体产物。研究发现，老化后在1700 cm-1和1030 cm-1附近出现了新的特征峰，分别归属于羰基（C=O）和亚砜基（S=O）的伸缩振动峰。定量计算得到的羰基指数（Ic=O）和亚砜基指数（Is=O）均随老化时间延长而显著增加，且增长趋势呈现前期快、后期缓的特点，这与宏观性能的变化规律一致。研究特别指出，羰基指数在老化早期（2天）即发生明显变化，敏感性高；而亚砜基指数在老化后期变化幅度更大。因此，提出羰基官能团可作为表征沥青老化发生（氧化开始）的灵敏指标，而亚砜基官能团因其在深度老化中的显著变化，可作为评价沥青抗老化能力（抵抗深度氧化）的指标。
本研究的结论可归纳为以下几点：1）紫外老化显著提升了沥青的高温流变性能（弹性增强、抗永久变形能力提高），车辙因子和恢复率是评价该性能变化的有效指标。2）紫外老化的微观机理是复杂的光氧化和分子重组过程：紫外光导致沥青分子化学键（尤其是长链、支链）断裂，断裂产物在氧参与下发生氧化反应，生成羰基、亚砜基等极性官能团；同时，小分子不断聚集形成大分子，使得沥青质含量增加，胶体结构向更稳定的凝胶型转变，分子量分布变窄。3）微观上，羰基和亚砜基官能团的生成是老化发生的直接化学证据，可分别作为老化发生初期和抗深度老化能力的关键评价指标。
本研究具有重要的科学价值与应用价值。在科学价值方面，它系统地将沥青的宏观性能（流变学）与微观组成（化学组分、元素、分子量、官能团）在多时间尺度老化下的演变规律关联起来，构建了一个从化学结构变化到胶体物理性质改变，最终导致宏观力学性能演变的较为完整的解释链条，深化了对沥青紫外老化机理的理解。在应用价值方面，研究提出的关键评价指标（如车辙因子、恢复率、羰基指数、亚砜基指数）为沥青材料抗紫外老化性能的实验室快速评价、新型抗老化改性剂的开发与效果验证提供了具体、可量化的依据和标准，有助于提升沥青路面的耐久性设计水平。
本研究的亮点在于：1）研究方法的系统性与综合性：并非单一角度，而是采用了宏观流变学与多种先进微观分析技术（色谱、元素分析、GPC、FTIR）相结合的研究策略，对同一样品群进行全方位、多尺度的表征，数据相互支撑，结论更为坚实。2）提出了连接宏观与微观的关键评价指标体系：不仅描述了现象和规律，更致力于提炼出具有鉴别性、全面性和实用性的指标（车辙因子、恢复率、羰基指数、亚砜基指数），建立了性能与组成之间的桥梁。3）对微观机理的深入揭示：特别是通过GPC明确了“小分子团聚形成大分子”这一分子量演变的具体路径，通过FTIR量化了两种关键含氧官能团随老化时间的变化规律，并对它们的指示意义进行了区分和界定，使老化过程的化学图像更加清晰。4）研究对象的对比性：选取四种不同来源的基质沥青，虽然其主要成分相似，但细微差异使得研究结论更具普遍参考价值，也观察到了如TPK沥青芳香分含量高、老化损失率也高等具体差异，增加了研究的深度。