本文是一篇发表于Fuel期刊（第326卷，2022年，文章号125045）的综述论文，题为《State of the art: Multiscale evaluation of bitumen ageing behaviour》。作者包括来自英国诺丁汉大学土木工程系诺丁汉交通工程中心（NTEC）的Yongping Hu、Tony Parry、Gordon Dan Airey，以及与中国长安大学公路学院、广西道路结构与材料重点实验室等单位有合作关系的Wei Si、Xingxiang Kang、Yu Xue和Haopeng Wang。该论文在线发表于2022年6月27日，是一篇系统回顾与评述沥青老化行为多尺度评价技术的学术综述。
论文的主题聚焦于沥青（Bitumen） 老化这一严重影响沥青路面性能和寿命的普遍现象。老化是一个复杂的物理化学反应过程，涉及到时间、温度、氧气、紫外线、水分等多种内外因素的耦合作用，导致沥青硬化、变脆，进而引发路面开裂等病害。尽管前人已从不同角度对沥青老化进行了广泛研究，但大多局限于单一尺度（如宏观流变或微观化学）。因此，本文的核心目标是提供一个全面的、多尺度（从宏观到纳米尺度） 的视角，系统回顾现有的老化评价技术，并强调不同尺度间（宏观-细观-微观-纳米）的内在联系与关联性，以深化对沥青老化机理的理解，从而为未来的抗老化及再生（Rejuvenation） 技术研究提供科学指导。
论文首先从学术背景出发，阐述了沥青老化的基本概念、老化发生的三个阶段（存储、施工短期老化、服务期长期老化）以及老化的两种主要机制：不可逆的氧化老化（Oxidative ageing） 和可逆的空间硬化（Steric hardening）。文章追溯了自20世纪中期以来Petersen等人的开创性工作，指出氧化老化主要形成极性羟基（Hydroxyl）、羰基（Carbonyl） 和羧基（Carboxylic） 官能团，尤其是亚砜（Sulfoxide） 和酮（Ketone） 被认为是老化的化学“指纹”。此外，文章详细列举了历史上发展出的数十种沥青老化模拟试验方法，从早期的薄膜烘箱试验（TFOT）、旋转薄膜烘箱试验（RTFOT），到目前作为标准的压力老化容器（PAV） 试验，再到近年来考虑紫外线（UV）、臭氧（O3）和氮氧化物（NOx）等复杂环境因素的维也纳沥青老化（VBA） 等新型定制老化方法。这一部分明确了老化研究的演进历程和当前面临的挑战：即如何更真实、更全面地模拟和评估老化。
文章的主体部分按照从宏观到纳米的尺度顺序，逐一阐述了各尺度下评价沥青老化行为的关键技术与发现，构成了论文的核心观点。
第一，宏观尺度（Macroscale）的评价。 宏观尺度主要关注沥青老化后整体物理、流变和热学性能的变化。在物理与流变表征方面，传统指标如针入度降低、软化点升高、延度下降、粘度增加。更先进的流变学方法，如动态剪切流变仪（DSR） 测试的复数模量（G*）增大、相位角（δ）减小，表明老化后沥青的弹性成分增加、粘性成分减少，抗车辙能力可能提升但抗疲劳开裂能力下降。多重应力蠕变恢复（MSCR） 试验显示非恢复蠕变柔量（Jnr）显著降低。弯曲梁流变仪（BBR） 测试则表明低温蠕变刚度（S）增大、蠕变速率（m值）减小，意味着低温抗裂性能恶化。论文特别指出，采用4mm平行板几何结构的DSR作为BBR的潜在替代方法，在测试回收沥青等少量样品时具有优势。作者通过重新分析已有数据，进行了皮尔逊相关系数（PCC） 分析，发现软化点与车辙因子（G*/sinδ）、复数模量等流变参数有强正线性相关，而与相位角、Jnr呈负相关，但针入度与流变参数无明显线性关系，强调了结论的材料依赖性和需谨慎验证的必要性。在热学表征方面，差示扫描量热法（DSC） 显示老化导致沥青及其四组分（饱和分、芳香分、胶质、沥青质）的玻璃化转变温度（Tg） 升高，使沥青更易发生脆性转变。热重分析（TGA） 表明老化后沥青的热降解起始温度降低，残炭量减少，说明其热稳定性下降。
第二，细观尺度（Mesoscale）的评价。 细观尺度深入到沥青的化学组成和分子结构变化。在分子量分布方面，凝胶渗透色谱（GPC） 分析表明，老化过程中小分子通过缩合聚合等反应形成大分子，导致沥青的平均分子量增大、分子量分布（多分散性，PDI）变宽，且PDI参数与流变性能有强相关性。研究显示，随着老化时间延长，大分子尺寸（LMS）组分比例趋于稳定，但不同老化模式（如RTFOT、PAV及其组合）对分子尺寸分布的影响程度不同。在组分分析方面，常用的SARA四组分分析法（饱和分Saturates、芳香分Aromatics、胶质Resins、沥青质Asphaltenes）显示，老化通常导致饱和分和芳香分减少，胶质和沥青质增加（尽管有研究指出饱和分可能不变）。薄层色谱-氢火焰离子化检测器（TLC-FID） 是一种快速的组分分析替代方法。研究表明，维也纳沥青老化（VBA） 方法比传统的RTFOT+PAV老化更能显著降低芳香分、增加胶质和沥青质，表现出更严重的老化程度。老化导致的沥青质含量增加是沥青硬化和脆化的主要原因。在特征官能团分析方面，傅里叶变换红外光谱（FTIR） 是研究老化化学机理的关键工具。老化会生成新的含氧官能团，特别是羰基（C=O，约1700 cm⁻¹）和亚砜（S=O，约1030 cm⁻¹）。研究者提出了羰基指数（CI）、亚砜指数（SI） 等量化指标来评价老化程度。论文指出，RTFOT老化对SI、芳香度指数（AI）等影响较大，而PAV老化则对CI影响更显著，说明高温高压环境更有利于羰基的形成。这些官能团的变化与沥青的宏观流变性能存在显著的相关性，例如有研究建立了基于官能团含量的老化模型来预测沥青的动态剪切模量。
第三，微观尺度（Microscale）的评价。 微观尺度利用显微技术观察沥青老化后的形态和结构变化。原子力显微镜（AFM） 在此领域应用最广，它能清晰显示沥青表面的“蜂状结构”（“Bee-like” structure）。研究表明，这种结构与沥青质密切相关，老化导致“蜂状结构”的比例减少、单个结构长度变短、表面粗糙度增加，同时微观杨氏模量增大。这些微观形貌和力学性质的变化与宏观流变性能（如储能模量）存在线性关系，验证了老化效应在宏微观尺度上的一致性。此外，光学显微镜和荧光光谱（FM） 也被用于老化研究。荧光光谱的激发-发射三维图谱显示，老化导致荧光强度整体降低，并且光谱发生红移/蓝移，其变化程度与老化水平（RTFOT+PAV < VBA < 现场老化）相关。荧光显微镜图像显示，老化后沥青中产生了更多的颗粒，VBA老化产生的颗粒数量最多、尺寸最大、密度最高，这些颗粒可能与特定的化学反应有关。
第四，纳米尺度（Nanoscale）的评价。 纳米尺度探索老化在分子、原子和离子层面的本质。核磁共振（NMR） 可用于分析老化前后沥青中质子分布的变化。研究表明，老化导致甲基和亚甲基质子比例增加，而芳香族和α-烷基质子比例减少。¹H NMR作为一种非破坏性方法，有潜力通过与粘度的关联，快速检测在役沥青路面的老化程度。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS） 通过分析样品表面被高能离子轰击后产生的二次离子来提供化学信息。结果显示，老化显著增加了含硫氧离子（SOx⁻）的信号强度，这与FTIR中S=O的增加相一致；同时老化降低了芳香族离子和CN⁻的强度。分子动力学（MD）模拟 是揭示实验无法直接观测的分子运动规律的有力工具。研究者通过构建沥青分子模型（如SHRP AAA-1模型），模拟氧化老化过程，定量分析酮、亚砜等产物的生成，其结果与实验数据吻合。模拟还表明，老化增强了分子间相互作用，减慢了分子扩散，从而提高了玻璃化转变温度，从纳米尺度解释了宏观性能的演变。
论文的最后部分进行了总结与展望。作者指出，沥青老化研究经历了从宏观物理性能评价、到化学组分与官能团分析、再到微观结构观测、最后到纳米尺度分子模拟的四个阶段。本文通过系统回顾多尺度评价技术，强调了不同层级尺度之间错综复杂的关联性。例如，纳米尺度离子（SOx⁻）的变化导致了细观尺度官能团（S=O）的增加，进而引起宏观尺度性能的改变。这种跨尺度的关联理解对于全面把握老化机理至关重要。本文的重要价值在于：它为沥青老化研究提供了一个集成的多尺度框架，指明了不同评价技术之间的内在联系和互补性。这不仅深化了对沥青老化这一复杂现象的科学认识，而且对推动再生沥青路面（RAP） 的高效回收利用、开发新型抗老化添加剂和再生剂、以及评估各类环保型温拌或冷再生技术具有重要的指导意义。最终，这种全面的理解将有助于延长沥青路面的服务寿命，促进道路行业的可持续发展。本文的亮点在于其系统性、前沿性和关联性，成功地将分散在不同尺度上的研究成果整合到一个连贯的叙事中，为未来该领域的深入研究奠定了坚实的理论基础并指明了方向。