关于《沥青老化评价方法的研究进展》的学术报告

本文作者为重庆交通大学材料科学与工程学院及土木工程学院的何丽红、赵智博、徐心碩、專音林、何帆。该文发表于《石油沥青》期刊2023年第37卷第1期。这是一篇关于沥青材料老化评价方法的系统性综述文章，旨在梳理和总结沥青老化领域宏观与微观评价方法的研究现状、分析现有方法的优势与不足，并对未来研究方向提出建议。

论文主题与背景 本文的核心主题是道路工程材料领域中的“沥青老化”问题。沥青作为道路建设的关键胶结材料，在储存、运输、加热、施工及长期服役过程中，会不可避免地受到光、热、氧、水及交通荷载等环境因素的综合作用，发生挥发、氧化、聚合等一系列不可逆的物理化学变化，即“老化”。老化导致沥青变硬、变脆，使其粘弹性能劣化，最终引发路面车辙、开裂、剥落等病害，严重影响路面的使用寿命和行车安全。因此，准确评价沥青的老化程度与性能演变规律，对于预测路面服役寿命、研发抗老化材料及制定养护策略至关重要。

然而，沥青本身是一个由多种烃类及其衍生物组成的复杂多相体系，其老化过程涉及组分、结构与性能的复杂且非线性的变化，具有高度不确定性。这使得采用单一指标或方法难以全面、准确地评价其老化状态。因此，系统梳理现有评价方法，辨析其适用性与局限性，并探索宏观与微观性能之间的内在联系，成为该领域的研究重点和难点。本文正是在此背景下，对沥青老化评价方法的国内外研究进展进行了全面的综述与探讨。

论文主要观点与论据

1. 宏观性能评价方法是评估沥青老化的基础，主要包括物理性能与流变性能两大类指标，但各有其适用范围和局限性。

作者首先系统梳理了基于宏观性能的老化评价体系。宏观性能评价因其测试相对简便、与工程实践联系紧密而被广泛应用。文章将其分为物理性能和流变性能两个层面进行阐述。

• 物理性能指标：主要包括质量损失、三大指标（针入度、延度、软化点）和黏度。

  • 质量损失：主要反映沥青中轻质油分的挥发。但作者指出，该指标存在局限性。老化过程同时包含挥发（质量减少）和氧化（质量增加），二者相互抵消，导致质量变化率（MLR）可能为正值也可能为负值，难以独立、准确地表征老化程度。文中引用姚晓光等和Ye等的研究作为佐证，前者发现SBS改性沥青的质量变化率随老化时间延长而减小，后者则指出氧化和挥发对温度的敏感性不同，高温下挥发占主导，可能导致质量变化从正值转为负值。
  • 三大指标：是我国最常用的经验性评价指标。老化后，针入度、延度减小，软化点升高。常用残留针入度比（PRI）、软化点增量（SPI）和残留延度比（DRR）来量化老化程度。PRI和DRR越小，SPI越大，表明老化越严重。此外，针入度指数（PI）可用于描述沥青的温度敏感性，老化后PI增大，表明感温性降低。申爱琴等的研究证实了这些指标与老化温度和微观结构的相关性。
  • 黏度：老化后沥青黏度显著增大。常用残留黏度比（VRI）或黏度老化指数（VAI）来评价。VRI是老化后与原样沥青黏度的比值，VAI则是黏度曲线向上移动的距离。一般认为VRI或VAI越大，老化越深。但作者指出，当原样沥青黏度本身较大时，计算出的VRI可能偏小，因此VAI的评价可能更为合理。Lin等和季节等的研究支持了黏度指标在评价和预测老化中的有效性。

• 流变性能指标：能更本质地反映沥青的粘弹性力学行为，是当前研究的热点，主要借助动态剪切流变仪（DSR）和弯曲梁流变仪（BBR）进行测试。

  • 高温流变性能：主要评价沥青抵抗永久变形（如车辙）的能力。关键参数包括复数模量（G）、相位角（δ）以及由此计算的车辙因子（G/sinδ）。老化后，沥青弹性成分增加，粘性成分减少，表现为G和G/sinδ增大，δ减小。常用复数模量老化指数（CMAI）和相位角老化指数（PAAI）来表征，CMAI越大、PAAI越小，老化越严重。余琦等和王捃卓等的研究表明，这些指标与老化时间、温度具有良好的相关性，可用于构建老化评价体系。
  • 中低温流变性能：中温性能关注疲劳开裂，通过DSR时间扫描（重复剪切疲劳试验）评价，指标包括疲劳因子（G*·sinδ）和残余疲劳寿命。老化后，G*·sinδ增大，残余疲劳寿命下降，耐疲劳性能变差。低温性能关注低温开裂，通过BBR试验测试蠕变劲度模量（S）和蠕变速率（m）。老化后，沥青变硬变脆，S值增大，m值减小，低温性能恶化。作者特别指出，BBR试验对轻质组分损失和氧化基团形成极为敏感，能较好反映老化过程中的化学变化。

2. 微观性能表征技术能从化学组成、分子结构及形貌层面揭示沥青老化的本质机理，是对宏观性能变化的有力解释和补充。

文章第二部分深入探讨了用于表征沥青老化微观性能的各种现代分析技术及其评价指标。

• 化学组成与结构分析：

  • 四组分法：将沥青分离为饱和分、芳香分、胶质和沥青质。老化过程中，轻质组分（饱和分、芳香分）挥发或被集料吸附而减少，芳香分氧化向胶质转化，胶质又向沥青质转化，导致沥青质含量显著增加。组分变化直观反映了老化进程。
  • 凝胶渗透色谱仪（GPC）：用于分析沥青的分子量及其分布。老化导致大分子比例增多，分子量增大。常用数均分子量（Mn）、重均分子量（Mw）和多分散性指数（PDI， Mw/Mn）来评价，PDI增大表明分子量分布变宽，老化程度加深。Zhou等和Ye等的研究证实了这一点。
  • 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：是定性定量分析官能团变化的强有力工具。沥青老化以氧化反应为主，生成羰基（C=O）和亚砜基（S=O）。通过计算羰基指数（CI）和亚砜基指数（SI）（特征峰面积与参比峰面积之比），可以精确量化老化程度。CI和SI增幅越大，老化越严重。赵永利等和Shojaee等的研究分别建立了FTIR指标与宏观性能的定量关系，并区分了紫外（UV）老化和热氧老化在官能团变化上的差异（UV老化CI较高，热氧老化SI较高）。
  • 核磁共振光谱法（NMR）与元素分析法：NMR通过分析H、C原子的化学位移和含量变化，推断老化过程中发生的聚合、裂解等化学反应。M. N. Siddiqui等通过NMR和X射线衍射（XRD）发现老化后环烷芳烃减少、沥青质增多、芳环结构增多。元素分析法通过测定C、H、S、O等元素含量，计算氢碳摩尔比（H/C）、芳碳率（fa）、环结构综合指数（CI）等结构参数。杨震等的研究发现，老化后O元素含量大幅提升，H/C降低，fa与CI增大，表明沥青内部芳环增多、缩合程度加剧，形成了更复杂的环状结构。

• 微观形貌分析：

  • 扫描电子显微镜（SEM）与环境扫描电子显微镜（ESEM）：用于观察沥青老化前后的微观形貌变化。例如，王岚等通过SEM观察到橡胶粉（CR）改性沥青老化后，沥青在胶粉颗粒表面的包裹情况减弱；使用ESEM则发现，老化后沥青与改性剂（CR、SBS等）的界面处出现不连续图像，表明界面粘结性能下降。作者指出，ESEM无需喷金、可在低真空下观察，对沥青这类非导电、易挥发样品更具优势。
  • 原子力显微镜（AFM）：可在纳米尺度上表征沥青的表面形貌和相态力学性质。研究普遍发现，原样沥青表面存在典型的“蜂形结构”（bee-like structure）。随着老化程度加深，“蜂形结构”数量减少甚至消失，表面粗糙度增大，纳米模量增大，粘附力降低。张冬梅和王明等的研究均支持了这一结论，揭示了老化导致沥青表面微观相态和力学性能的劣化。

3. 当前研究存在宏观与微观评价脱节的问题，未来应致力于建立二者之间的定量关联，并发展多技术联用的综合评价体系。

在总结现有方法的基础上，文章在“结语”部分深刻指出了当前研究的不足并提出了未来展望。作者认为，现有研究大多从单一角度（宏观或微观）出发，通过测试老化前后某一性能或结构特征指标的变化来进行评价。微观性能表征更多停留在定性分析层面，缺乏与宏观性能的深度、系统性定量关联。沥青的化学组成与结构、微观形貌特征及宏观性能三者之间尚未建立起统一、有效的联系，各项老化指标间的相互作用机理仍不明确。

因此，作者提出未来的重要发展方向是：采用宏观测试方法与微观表征技术联用，全面深入地研究沥青老化后化学组成与结构变化对宏观性能和微观形貌的影响规律。通过多角度（化学组分、分子量、官能团、元素组成等）分析，建立起化学-结构-形貌-性能之间的定量相关性，从而明确各老化指标间的相互作用与影响机理。这将有助于提出更科学、有效的综合评价方法，并为沥青抗老化材料的设计与开发提供坚实的理论指导。

论文的意义与价值

本文作为一篇系统性的综述，具有重要的学术价值和指导意义： 1. 系统性梳理：全面、清晰地归纳了沥青老化评价的宏观与微观两大技术路线，涵盖了从传统经验指标到现代分析技术的各类方法，为相关领域的研究人员和技术人员提供了一份详尽的“方法地图”。 2. 深度剖析：不仅介绍了各种方法的原理和指标，更深入分析了其优势、局限性和适用条件（如质量损失指标的双向性、黏度老化指数VAI相对于残留黏度比VRI的合理性、ESEM相对于SEM的优势等），具有深刻的批判性思维。 3. 指出瓶颈与方向：明确指出了当前研究“宏观与微观脱节”、“定性多、定量少”的核心问题，并前瞻性地提出了“宏观-微观联用”和“建立定量关联”的未来研究方向，为该领域的后续研究指明了重点突破路径。 4. 促进学科交叉：文章将材料科学（化学组成、微观形貌）、化学（官能团分析）与土木工程（流变性能、路用性能）的知识紧密结合，体现了多学科交叉在解决复杂工程材料问题中的必要性，有助于推动道路材料研究向更基础、更本质的层面深化。

本文是一篇信息量大、层次分明、见解深刻的优秀综述，对推动沥青老化机理研究及评价技术的进步具有重要的参考价值。