本研究由来自长沙理工大学交通运输工程学院的张冬梅（通讯作者）、郑远明、钱国平、梁波，以及来自广西交通投资集团有限公司的袁广辰和来自湖南省交通规划勘察设计院有限公司的郭浩、周倩共同完成。该研究以题为 “Comparative analysis of rheological and microscopic performance of SBS modified asphalt based on field aging and laboratory aging” 的论文形式，发表于国际期刊 《Fuel》 第352卷（2023年），文章编号128933，并于2023年6月29日在线发表。
本研究属于道路工程材料领域，具体聚焦于沥青材料的老化行为研究。沥青路面在服役过程中，受温度、氧气、紫外线（UV）、水分等多重环境因素影响，会发生老化，导致其流变性能和微观结构劣化，进而影响路面的高温稳定性、低温抗裂性和疲劳寿命。为了在实验室快速评估沥青的长期性能，研究者们开发了多种实验室加速老化方法，如旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）模拟短期热氧老化，压力老化容器（PAV）模拟长期热氧老化，以及紫外线（UV）老化模拟光氧老化。
然而，一个长期存在的核心科学问题是：这些标准化的实验室加速老化方法能否准确模拟和复现沥青在实际道路现场复杂环境下的真实老化行为？已有研究表明，实验室老化与现场老化在化学结构和流变性能上存在差异，现场老化的程度往往更为严重，且影响因素更为复杂。因此，系统性地对比分析现场老化与实验室老化下沥青性能的相关性与差异性，对于改进实验室老化模拟方法、更准确地预测沥青路面服役寿命、优化沥青材料设计具有重要的理论和工程意义。
本研究旨在探究SBS改性沥青在现场老化与实验室加速老化两种模式下的流变性能与微观性能演变趋势、关联性与差异性。具体目标包括：通过回收不同服役年限（施工后、1年、5年）路面芯样上层的SBS改性沥青，获取现场老化样本；同时，对原始SBS改性沥青进行RTFOT、PAV（10h，20h）和UV（1, 4, 8天）等实验室老化处理；综合运用动态剪切流变仪（DSR）、弯曲梁流变仪（BBR）、红外光谱（IR）和荧光显微镜（FM）等测试手段，从宏观流变和微观结构两个层面进行对比分析，以评估现有实验室老化方法模拟现场老化的有效性及其局限性。
本研究包含五个主要步骤：材料获取与制备、实验室加速老化模拟、流变性能测试、微观性能测试以及数据对比分析。
第一步：材料获取与制备。 研究选用SBS I-D改性沥青（外掺法）作为基础材料。现场老化样本来源于中国湖南省某高速公路的AC-13型SBS改性沥青混合料路面。通过钻芯取样获得直径100 mm的圆柱体芯样，并将其锯切成上、中、下三层，每层厚约10 mm，本研究重点关注直接接触外部环境、老化最显著的上层沥青。采用旋转蒸发法和离心分离法（溶剂为三氯乙烯）从混合料中回收沥青，以尽量减少对旧沥青的二次老化。最终获得三种现场老化沥青样本：施工后老化（CA）、1年现场老化（1A）和5年现场老化（5A）。原始SBS改性沥青及回收沥青的相关技术指标均依据中国规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行测定，确保材料性能符合要求。
第二步：实验室加速老化模拟。 对原始SBS改性沥青进行三类实验室加速老化处理：1) 热氧短期老化：采用旋转薄膜烘箱试验（RTFOT），条件为163°C，85分钟，得到样本R。2) 热氧长期老化：采用压力老化容器（PAV），条件为100°C，2.1 MPa，分别老化10小时和20小时，得到样本RP10和RP20。3) 紫外线老化：使用自制的紫外线环境箱，在30°C下，以20 mW/cm²的强度分别照射1天、4天和8天，得到样本RU1、RU4和RU8。所有老化试验均遵循JTG E20-2011规范。
第三步：流变性能测试。 使用动态剪切流变仪（DSR）评价沥青的高温流变性能。测试条件为固定频率10 rad/s，应变1%，温度范围44°C至76°C（间隔4°C），测定复数模量（G）和相位角（δ），并计算车辙因子（G/sinδ）。使用弯曲梁流变仪（BBR）评价沥青的低温流变性能。在-12°C和-18°C下测试沥青梁的蠕变劲度（S）和蠕变速率（m值）。为量化老化程度，研究定义了多个老化指数：复数模量老化指数（CMI）、相位角老化指数（PAI）、车辙因子老化指数（RAI）、劲度模量老化指数（SAI）和蠕变速率老化指数（MAI），均为老化后与老化前对应参数的比值。
第四步：微观性能测试。 1) 红外光谱（IR）测试：将老化前后的沥青样品制成薄膜，在4000~650 cm⁻¹波数范围内进行扫描，分辨率为4 cm⁻¹，扫描64次。通过分析特征峰面积变化来评估化学结构变化。计算了三个关键老化指数：羰基指数（CI）（C=O峰面积1700 cm⁻¹ / C-H峰面积1456 cm⁻¹）、丁二烯指数（BI）（C=C峰面积966 cm⁻¹ / C-H峰面积1456 cm⁻¹）和亚砜基指数（SI）（S=O峰面积1030 cm⁻¹ / C-H峰面积1456 cm⁻¹）。CI和SI反映沥青氧化程度，BI反映SBS聚合物中聚丁二烯链段的降解程度。2) 荧光显微镜（FM）测试：将熔化的沥青滴在载玻片上制成薄膜，在蓝光（波长400-480 nm）激发下，使用200倍放大倍数观察SBS改性剂在沥青相中的形态、分布和相结构。并采用Image-Pro Plus图像分析软件计算荧光区域面积占比，以量化SBS改性剂的相对含量。
第五步：数据对比分析。 将现场老化样本（CA， 1A， 5A）的测试结果，与经历不同实验室老化方法和老化程度的样本（R， RP10， RP20， RU1， RU4， RU8）的测试结果进行系统性对比。对比维度包括：高温复数模量与车辙因子、低温劲度模量与蠕变速率、红外光谱老化指数（CI， SI， BI）、以及荧光显微镜下的形态与SBS含量。通过分析这些性能参数在两种老化模式下的演变趋势、数值大小和关联性，来评估实验室老化模拟现场老化的准确性与局限性。
1. 高温流变性能对比结果： DSR测试表明，就复数模量和车辙因子所表征的高温抗变形能力而言，实验室热氧老化（RTFOT/PAV）与现场老化呈现出了一定的趋势一致性。施工后老化（CA）的复数模量和车辙因子略低于RTFOT老化样本（R），但差异不大。1年现场老化（1A）的高温性能与PAV老化10小时（RP10）在50-52°C范围内相近。5年现场老化（5A）的高温性能则与PAV老化20小时（RP20）较为接近，尤其在52°C以上时，两者复数模量逐渐趋同。这表明，在模拟沥青高温性能的演变方面，PAV老化（特别是20小时）能够在一定程度上对应中长期现场老化的效果。然而，紫外线老化（UV）的影响则不同：在老化初期（RU1），由于SBS改性剂可能发生降解，其复数模量甚至低于RTFOT样本；随着UV时间延长（RU4， RU8），高温性能有所提升，但整体变化幅度远小于现场老化。1A和5A的高温性能（尤其在44-54°C）均显著优于RU8，说明单一的UV老化无法模拟出现场综合因素作用下的高温性能变化。
2. 低温流变性能对比结果： BBR测试结果显示，无论是实验室老化还是现场老化，随着老化程度加深，沥青的蠕变劲度（S）增大，蠕变速率（m）减小，即低温抗裂性能下降。对比具体数值发现，现场老化对低温性能的影响更为显著。在-12°C下，CA的劲度模量与R相当，但蠕变速率更差，表明其低温性能已劣于RTFOT模拟。1A的低温性能（劲度更高，蠕变速率更低）明显差于RP10。5A的低温性能也差于RP20。这一发现与高温性能的对比结论有所不同，提示现场老化（受多种因素综合作用）对沥青低温性能的劣化作用，可能比标准实验室热氧老化（PAV）更为剧烈。UV老化样本（RU8）的低温性能也远优于5A。综合表明，实验室加速老化（无论是热氧还是紫外）在模拟中长期现场老化对低温性能的影响方面存在不足，低估了老化严重程度。
3. 红外光谱（IR）微观分析结果： IR谱图显示，现场老化与实验室老化后，沥青并未产生新的特征峰，说明两者发生的主要化学反应类型相似，均以氧化反应为主。然而，通过量化老化指数发现了显著差异：表征氧化程度的羰基指数（CI）和亚砜基指数（SI），在现场老化样本中增长得更为剧烈。CA的CI值（0.014）已高于R（0.0074）；1A的CI值（0.023）远高于RP10（0.0106）和RU4（0.0115）；5A的CI值（0.044）更是显著高于RP20（0.0191）和RU8（0.0171）。SI值也呈现相同趋势。这清晰地证明，在相同的（或实验室认为等效的）老化时间后，现场实际发生的氧化反应程度比实验室加速老化更为深刻。另一方面，表征SBS聚丁二烯链段降解的丁二烯指数（BI） 在现场和实验室老化下均呈下降趋势。CA与R的BI值相近，说明施工阶段的SBS降解程度与RTFOT模拟相当。但1A的BI值与RP10接近，而5A的BI值（0.014）则远低于RP20（0.036）和RU8（0.024），这意味着经过5年现场老化，SBS改性剂的降解程度远超任何一项实验室加速老化试验，揭示了实验室老化在模拟长期现场老化对聚合物改性剂破坏方面的局限性。
4. 荧光显微镜（FM）形态分析结果： FM图像直观展示了SBS改性剂在沥青中的分布形态变化。未老化的SBS改性剂呈现凝聚的、颗粒较大的连续分布状态。经过RTFOT老化（R）后，颗粒仍然密集，而CA的分布略稀疏但总体相似，这与IR中BI值的结果吻合。随着老化加深，PAV老化样本（RP10， RP20）和现场老化样本（1A， 5A）中的SBS颗粒逐渐变小、分散更均匀，连续相结构减弱，表明SBS发生降解并更好地溶于沥青基质。值得注意的是，PAV老化20小时后（RP20），SBS相几乎不再呈现明显的凝聚现象，降解非常严重；而UV老化8天后（RU8），SBS相也显著减少。图像分析计算的SBS荧光区域占比结果与IR的BI指数趋势基本一致：CA的占比略低于R；1A的占比与RP10相当；但5A的占比却高于RP20，这与IR中BI值（5A低于RP20）的结论看似矛盾。作者指出，FM测试存在一定的随机性和误差，但其揭示的SBS随老化时间增加而降解的总体趋势与IR一致。综合来看，FM结果进一步证实，长期的现场老化（5A）对SBS相结构的改变与实验室老化（RP20， RU8）并不完全相同。
本研究通过系统的对比分析，得出以下核心结论： 1. 实验室加速老化对早期现场老化模拟较好，但对中后期模拟不足：施工后老化（CA）在流变性能和微观性能上与RTFOT老化（R）没有显著差异，表明RTFOT能够较好地模拟沥青在施工铺设过程中的短期热氧老化行为。 2. 在模拟中长期老化时，实验室与现场老化出现显著偏差：PAV老化10小时（RP10）在流变性能上可与1年现场老化（1A）大致对应，PAV老化20小时（RP20）在高温流变性能上与5年现场老化（5A）具有一定相似性。然而，在微观性能层面（IR和FM），1A和5A的老化程度（特别是氧化程度和SBS降解程度）均明显超过对应的PAV老化样本。这表明，加速老化试验可以恢复和模拟现场老化的早期阶段行为，但随着老化时间增长，加速老化无法完全模拟更复杂情况下的老化行为，导致其老化程度低于中后期现场老化。 3. 现场老化的综合性与剧烈性：在实际道路环境中，沥青同时经受温度、氧气、紫外线、水分及交通荷载等多重因素的耦合作用，其老化机理比实验室单一的热氧或紫外老化更为复杂，导致老化速度更快、程度更深，尤其是对低温性能和聚合物改性剂结构的破坏更为严重。
科学价值：本研究为沥青老化研究领域提供了宝贵的直接对比数据，定量化地揭示了标准实验室加速老化方法（RTFOT， PAV， UV）与真实现场老化之间的关联与差距。它明确了现有老化模拟方法的有效范围和局限性，特别是指出了在模拟中长期老化及微观结构变化方面的不足，为未来开发更精确、更贴近实际的路面沥青老化模拟与预测模型提供了实验依据和理论指导。
应用价值：该研究对道路工程实践具有重要指导意义。研究结果提醒道路材料研究人员和工程师，在利用实验室老化数据评估沥青长期性能、预测路面服役寿命时，需要认识到现有标准试验可能低估了沥青在实际环境中的老化速度，尤其是在考虑低温抗裂性和改性沥青耐久性时。这有助于更科学地进行沥青材料设计、优化养护策略、降低全寿命周期成本，并推动更贴合实际的老化试验标准或修正方法的建立。
研究还提及了相关的学术争议和背景，例如指出已有研究认为RTFOT对聚合物改性沥青的短期模拟存在缺陷，PAV老化不能很好地模拟长期现场老化效应等，为本研究的立项提供了充分的学术语境。此外，文中详细描述了从沥青混合料中回收旧沥青的“旋转蒸发法”和“离心分离法”，并强调了其操作简单、重复性好、对旧沥青二次老化影响小的优点，为同类研究提供了方法参考。研究团队也获得了中国国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持，体现了该研究的重要性。