本研究由杨兵（江苏高速公路工程技术养护有限公司）、李辉（同济大学，通讯作者）、孙阳（同济大学，通讯作者）、李应涛（江苏高速公路工程技术养护有限公司）、尹龙（江苏交通控股有限公司）和程沐荣（江苏高速公路工程技术养护有限公司）共同完成。该研究论文发表于《Construction and Building Materials》期刊第500卷（2025年），文章编号为144054，已于2025年10月29日在线发表。

学术背景 本研究属于道路工程材料领域，具体聚焦于沥青及沥青混合料的老化行为。沥青老化是影响沥青路面耐久性的关键问题之一。尽管实验室模拟现场老化已取得很大进展，但不同尺度（如沥青胶结料、松散混合料、压实试件）和环境因素（热氧、紫外线、水）耦合作用下的老化梯度分布现象却未得到足够重视。这使得室内老化试验结果难以真实反映服役期沥青路面的实际老化状态。多孔沥青混合料因其开级配结构，更易受环境因素影响，导致加速老化，引发开裂、变形和松散等病害。以往研究多关注沥青胶结料的梯度老化，对沥青混合料，尤其是不同空隙率混合料在多种环境因素耦合下的梯度老化行为研究不足。因此，本研究旨在系统探究不同环境因素和材料状态下沥青材料的老化梯度分布及老化加速效应，并基于氧化动力学原理阐明其影响机制，以期为改进实验室沥青老化方法提供新思路。

详细工作流程 本研究流程严谨，包含多个相互关联的环节，主要研究对象为高粘度改性沥青胶结料以及两种不同空隙率（7%和20%）的沥青混合料。

1. 材料准备与老化方法设定： 首先，制备了标称厚度为1毫米的沥青薄膜，以及空隙率分别为7%（密级配，VV7%）和20%（多孔沥青，VV20%）的松散沥青混合料和压实试件（φ150 × 60 mm）。研究设定了六种不同的实验室加速老化方法进行对比：70℃纯热氧老化、70℃+紫外线（UV）耦合老化、70℃+水（冷凝）耦合老化、70℃+UV+水（循环：4h UV+0.25h喷水+3.75h冷凝）耦合老化、压力老化容器（PAV）老化以及基于AASHTO R30的沥青混合料长期老化（85℃通风烘箱5天）。其中，前四种方法在可控制温度、湿度和UV辐射的室内加速老化设备中进行，UV光源中心波长为340 nm，强度为0.89 W/(m²·nm)。

2. 多尺度梯度提取与分层方法： 这是本研究的核心创新方法之一，旨在获取不同深度材料的老化状态。 * 沥青胶结料梯度提取： 对老化后的沥青薄膜，采用创新的“多阶段分层萃取法”。使用三氯乙烯溶剂，通过控制溶剂用量（每次50 ml）和接触时间（前三层30秒，第四层35秒），分四次逐步溶解并移除表层沥青，从而获得四个近似等厚（约60 μm/层）的沥青层样品，用以代表从表面到内部的不同深度。 * 松散沥青混合料梯度分层： 参考回收沥青混合料（RAP）中新旧沥青融合的研究方法，将松散混合料置于尼龙网袋中浸入三氯乙烯，通过控制浸泡时间（5s, 10s, 20s, 1800s）分四层剥离包裹在集料表面的沥青膜，每层沥青膜厚约3 μm，以此模拟混合料内部沥青的老化梯度。 * 压实试件梯度获取： 将压实试件侧面和底部用铝箔包裹以隔离氧气和辐射，仅允许从顶面发生老化。老化完成后，将试件切割成0-2 cm、2-4 cm和4-6 cm深度的三层，分别回收其中的沥青进行测试。

3. 老化程度表征： 对所有分层回收的沥青样品以及未分层直接老化的对照样品，采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进行测试。通过计算羰基指数（CI）和亚砜基指数（SI）来定量表征沥青的氧化程度。CI和SI分别是光谱中羰基峰（~1700 cm⁻¹）和亚砜基峰（~1030 cm⁻¹）面积与所有选定特征峰总面积之比。

4. 氧化动力学分析： 为了量化不同材料和环境因素下的老化速率差异，研究进一步采用了氧化动力学模型。基于Petersen提出的沥青双重氧化机制（快速反应阶段和恒速反应阶段），建立了动力学方程。对沥青胶结料和松散混合料在40℃、50℃和70℃下进行不同时长（5、10、14、20天）的老化，获取CI+SI随时间变化的数据，用以拟合求解快速反应速率常数（k1）、恒速反应速率常数（k2）、快速反应初始反应物浓度（Cfast,0）等动力学参数，并进一步计算了表观活化能（Ea）。

5. 数据处理与分析： 研究通过对比不同层位、不同材料、不同老化条件下的CI和SI值，直观展示老化梯度。通过对比分层老化与直接整体老化的结果，分析厚度和扩散效应对整体老化评价的影响。利用拟合的动力学参数（k1, k2, Ea）从反应速率和能量壁垒的角度，深入解释紫外线、水等环境因素影响老化程度的机理。所有分析均基于多次重复试验的平均值，确保了结果的可靠性。

主要结果 1. 沥青胶结料的老化梯度： 在所有四种老化条件下（70℃, 70℃+UV, 70℃+W, 70℃+UV+W），沥青薄膜均表现出明显的梯度老化现象。表面层（0-60 μm）的CI和SI值始终最高。在70℃+UV耦合老化下，表面层老化程度最严重，且值得注意的是，其第四层（~180-240 μm）的老化程度甚至超过了纯70℃老化下的第一层。这表明尽管UV辐射仅作用于表面，但表层老化沥青与内部未老化沥青之间的相互扩散，使得UV老化效应能向内部传递超过240 μm。在涉及水的老化条件下，整体老化程度降低，但梯度依然存在。

2. 松散沥青混合料的老化梯度： 即使沥青膜厚仅约13 μm，松散混合料在四种老化条件下也表现出梯度老化。在70℃+UV条件下，各层老化程度均显著高于其他条件。对比直接老化的松散混合料，其老化程度低于分层后的第一层，但随着老化时间延长，两者差距缩小，说明扩散效应使得老化趋于均匀。

3. 厚度与材料状态对老化的影响： 对比不同厚度（3μm, 13μm, 分层沥青层, 1000μm, 3.18mm PAV）的老化程度发现，在相同老化条件下，沥青膜越薄，老化程度越深；松散混合料的老化程度显著高于纯沥青胶结料。70℃+UV老化对材料的加速效应最强，甚至高于PAV老化。而水的存在明显减弱了老化反应。研究明确指出，由于老化梯度的存在，材料整体老化程度受表面老化程度影响很大，直接对厚试样进行老化评价会低估其实际老化程度。

4. 压实沥青混合料的老化梯度： 多孔沥青混合料（VV20%）在各层的老化程度均显著高于密级配混合料（VV7%），尤其是在70℃+UV条件下。UV辐射对多孔沥青的影响深度可达2-6 cm，这归因于其连通的空隙结构促进了UV在内部反射。对于密级配混合料，UV的影响则主要局限于表层（0-2 cm）。在含水的条件下，两种混合料表层（0-2 cm）的老化程度均低于对应的松散混合料，且整体老化程度大幅降低。85℃高温老化5天对多孔沥青表层的老化加速效应非常明显。

5. 氧化动力学参数分析： 动力学拟合结果良好（相关系数>0.95）。松散混合料的k1和k2值普遍高于沥青胶结料，表明其老化反应更快。PAV老化的k1值最高，说明其快速反应阶段加速效应显著。活化能分析显示，四种条件下活化能大小排序为：T+UV < T < T+W < T+UV+W（T代表热氧）。这表明紫外线提供了额外能量，降低了反应能垒，从而加速老化；而水起到了阻隔氧气、反射散射紫外线的作用，提高了反应活化能，增加了反应难度。同时，含水老化条件对温度变化更敏感。

结论 本研究得出以下主要结论： 1. 在不同材料状态和老化条件下均存在显著的老化梯度现象。紫外线与热氧耦合老化加速效应最显著，而水的参与会抑制老化。紫外线通过扩散效应，其影响深度可超过240 μm。 2. 多孔沥青混合料由于其连通空隙结构，内部紫外线反射导致其各层氧化程度显著高于密级配混合料，紫外线影响深度可达6 cm，梯度老化行为更明显。 3. 空隙率、材料状态和环境因素是决定沥青路面老化梯度分布的关键。多孔沥青路面表现出更显著的老化梯度、更高的老化程度和更大的表里层差异。 4. 氧化动力学分析从机理上证实，紫外线为氧化反应补充了能量，降低了活化能；而水则通过阻隔和散射作用提高了活化能，增加了反应难度。尽管水条件下反应速率常数较低，但高温与水的耦合作用可能导致沥青膜损伤并引发内部进一步老化。

研究价值与意义 本研究的科学价值在于系统揭示了多尺度、多因素耦合作用下沥青材料老化梯度的分布规律，并通过氧化动力学理论深化了对环境因素作用机理的理解。其应用价值突出体现在对现有实验室老化方法的反思与改进启示上：研究明确指出，PAV等传统厚膜老化方法不足以准确评价薄沥青膜（如混合料中）的实际老化程度，尤其无法反映紫外线在多孔介质中的深度老化效应。这为发展更贴近实际路面老化状态的实验室模拟方法（如考虑梯度、采用更薄试样、耦合多种环境因素）提供了关键实验依据和理论指导。

研究亮点 1. 多尺度系统性： 首次同时从沥青胶结料、松散混合料和压实试件三个尺度，系统研究热氧、紫外线和水多因素耦合下的老化梯度，研究体系完整。 2. 方法创新性： 开发并整合了适用于沥青薄膜和沥青混合料的梯度分层萃取技术，实现了对微米级老化梯度的实验捕捉。 3. 机理深入性： 不仅描述了梯度现象，更通过氧化动力学模型量化了反应速率和活化能，从能量角度深刻揭示了紫外线加速老化、水抑制老化的内在机理。 4. 结论明确性： 明确指出了材料厚度、空隙结构对老化评价的显著影响，对修正实验室老化试验标准、提高其与现场老化相关性具有重要指导意义。

其他有价值内容 研究还验证了PAV老化过程同样符合双重氧化动力学机制，但其加速效应主要体现在快速反应阶段。此外，研究观察到在高温含水条件下，水对沥青膜的侵蚀可能加剧，这种耦合作用可能导致内部沥青进一步老化，这为理解潮湿高温地区路面老化提供了新视角。论文中详实的实验步骤和参数为其他研究者复现或改进该方法提供了可能。