多环境条件下沥青流变性能与老化机理研究学术报告
一、 研究团队与发表信息
本研究由同济大学道路与交通工程教育部重点实验室的孙杨、李辉（通讯作者）、杨兵、韩玉钊，以及江苏高速公路工程养护技术有限公司的杨兵和中国路桥工程有限责任公司的邹泽西共同完成。研究成果以题为“Investigation on rheological properties and aging mechanism of asphalt under multiple environmental conditions”的论文形式，发表于Elsevier旗下的学术期刊《Construction and Building Materials》第443卷（2024年），文章在线发表日期为2024年8月7日，文章编号为137713。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于道路工程与建筑材料领域，具体聚焦于沥青材料的老化行为与性能演变。沥青作为沥青路面最主要的有机粘结料，在服役过程中长期暴露于高温、氧气、紫外线（UV）辐射、水等多种气候因素的耦合作用下，会发生老化，导致其性能衰减，进而引发路面松散、坑槽、开裂等病害，严重影响路面的使用寿命。因此，深入理解沥青在不同环境条件下的老化机理，对于开发抗老化沥青材料、优化路面设计以及实现沥青路面材料的再生利用具有重要的理论与现实意义。
目前，学术界对沥青的热氧老化和紫外光老化已有较多研究，并普遍认为紫外辐射会显著加速沥青老化。然而，关于水（湿度、降雨）对沥青老化性能的影响，现有研究存在诸多争议。部分研究认为水会加速沥青老化，另一部分则认为水的影响不显著，甚至还有研究发现水能减缓老化进程。这些分歧可能与不同的试验条件（如压力、薄膜厚度、模拟方式）有关。此外，实验室常用的标准长期老化方法——压力老化容器（Pressure Aging Vessel, PAV）试验，主要采用高温高压条件，未能考虑紫外线和水等实际气候因素。因此，在更接近路面实际服役状态的多因素耦合气候条件下，沥青性能的衰减趋势、老化机理，以及气候加速老化试验与标准PAV试验之间的关系，均需进一步厘清。
基于上述背景，本研究旨在通过气候加速老化试验箱，系统模拟温度（T）、温度+紫外线（T+UV）、温度+水（T+W）以及温度+紫外线+水（T+UV+W）四种环境条件，对70#基质沥青、SBS改性沥青和高粘度改性沥青（HVMA，文中简写为HN）进行不同时长的老化。研究目标是通过综合评估老化前后沥青的宏观流变性能（高温抗车辙、蠕变恢复）、微观形貌（荧光显微镜）和化学官能团（傅里叶变换红外光谱）变化，阐明不同气候因素（尤其是水）对各类沥青老化行为的影响规律与内在机理，并对比其与标准PAV老化效果的差异，从而为更精准地预测和评价沥青路面材料的长期性能提供科学依据。
三、 详细研究流程与方法
本研究的工作流程系统且完整，主要包括材料准备、多条件老化模拟、性能测试与微观表征、数据分析四个主要阶段。
第一阶段：材料准备与老化方案设计。 研究选用了三种具有代表性的沥青：70#基质沥青、SBS改性沥青和高粘度改性沥青（HN）。首先，通过硅胶模具制备了厚度统一为1毫米的沥青薄膜样品，以控制老化过程中氧气、光和水渗透的深度，减少膜厚对老化程度的影响。这是确保不同老化条件之间可比性的关键步骤。
第二阶段：多因素气候加速老化模拟。 本研究并未使用传统的PAV罐进行单一热氧老化，而是采用了一台可编程的气候加速老化试验箱，该设备能够精确控制并耦合温度、紫外线辐射、冷凝湿度及喷淋降雨等多种环境因素，从而更真实地模拟路面实际服役环境。基于ASTM D4799标准，研究设定了四种老化条件和一种对照条件： 1. 仅温度（T）：恒温70°C。 2. 温度+紫外线（T+UV）：70°C，同时施加波长为UVA-340、辐照度为0.89 W/(m²·nm)的紫外光。 3. 温度+水（T+W）：70°C，100%相对湿度的冷凝模式。 4. 温度+紫外线+水（T+UV+W）：采用循环老化模式模拟日周期变化。每个循环8小时，包括：4小时（70°C + UV辐射）、0.25小时喷淋降雨、3.75小时（70°C，100%湿度）冷凝。 5. 对照条件：标准PAV老化：100°C，2.1 MPa压力，持续20小时。 所有气候老化条件的试验时长均设置了0、2、5、10、14天五个时间点，以研究老化动力学过程。这种多因素、多时长、循环耦合的老化模拟方案是本研究的显著特色，相较于单一或双因素老化，能更全面地反映复杂环境的影响。
第三阶段：多尺度性能测试与表征。 对未老化及各条件老化后的样品，进行了一系列宏观与微观测试： 1. 动态剪切流变（DSR）试验： * 温度扫描：在70°C、10 rad/s条件下，测量车辙因子（G/sinδ），直接评价沥青的高温抗永久变形能力。通过计算老化前后G/sinδ的增长率来量化老化程度。 * 多应力蠕变恢复（MSCR）试验：在70°C下，施加0.1 kPa和3.2 kPa的应力，进行10个周期的蠕变（1秒）与恢复（9秒）测试。计算在3.2 kPa应力下的不可恢复蠕变柔量（Jnr3.2）和恢复率（R3.2），以评价沥青的弹性恢复能力和抗车辙性能，这对改性沥青尤为重要。 * 频率扫描：在15°C至85°C（间隔10°C）、频率0.1-30 Hz范围内进行测试。利用时温等效原理，以35°C为参考温度，通过广义Sigmoidal模型拟合构建复数剪切模量（G*）和相位角（δ）的主曲线。主曲线能完整描述沥青在宽频域（相当于宽温域）下的粘弹性行为，是深入分析老化对材料本质特性影响的有力工具。 2. 荧光显微镜（FM）测试：使用奥林巴斯BX41荧光显微镜（100倍放大）观察SBS和HN改性沥青中聚合物相的分布、形态、尺寸和荧光亮度变化，直观反映老化过程中聚合物降解情况。 3. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）测试：扫描范围4000-400 cm⁻¹。通过计算羰基指数（CI，以1700 cm⁻¹处峰面积为代表）来量化沥青氧化程度；计算聚合物指数（PI，SBS改性沥青以966 cm⁻¹处丁二烯特征峰面积为代表）来量化聚合物降解程度。这是从化学层面揭示老化机理的关键手段。
第四阶段：数据分析与关联。 研究并非孤立地看待各项测试结果，而是进行了深入的关联分析。例如，将流变指标（如G*/sinδ, R, Jnr）的增长或下降率与化学指数（CI, PI）的变化率进行对比，将微观形貌的变化（聚合物相尺寸缩小、亮度变暗）与宏观性能的衰减（弹性变化）相联系，并系统比较了不同气候条件之间、不同沥青类型之间以及气候老化与PAV老化之间的差异。这种“宏观性能-微观结构-化学组成”三位一体的综合分析框架，使得对老化机理的解释更为坚实和透彻。
四、 主要研究结果
本研究取得了系统且具有明确规律的实验结果，清晰地揭示了不同环境因素对沥青老化的影响。
在流变性能方面： 1. 高温抗车辙性能（G*/sinδ）：随着老化时间延长，所有沥青的G*/sinδ均显著增大，表明变硬、抗变形能力增强，但也意味着低温韧性可能下降。关键发现是，在不同老化条件下，老化严重程度排序恒定为：T+UV > T > T+UV+W > T+W。这表明，紫外线是加速沥青老化的最关键因素，而水的存在则显著减缓了老化进程。例如，与14天T老化相比，T+W条件下70#、SBSMA和HN沥青的G*/sinδ分别降低了104%、92%和101%。更值得注意的是，仅经过5天的T+UV耦合老化，三种沥青的G*/sinδ值就已达到甚至超过了标准20小时PAV老化的水平，这对确定实验室加速老化试验周期具有重要参考价值。 2. 蠕变恢复性能（MSCR）：对于70#基质沥青和HN高粘度改性沥青，老化导致R3.2增大、Jnr3.2减小，表明弹性恢复能力增强。然而，SBS改性沥青的R3.2却随老化时间略有下降。FTIR结果显示，这是因为SBS改性沥青在老化过程中聚合物降解程度（PI下降76.25%）远高于HN沥青（PI下降39.36%）。对于SBS沥青，“沥青质增加带来的硬化”与“SBS聚合物降解导致的弹性损失”两种效应相互竞争，后者在一定程度上抵消了前者的影响，导致其弹性恢复率变化趋势与另两种沥青不同。这凸显了不同改性沥青老化机理的差异性。 3. 粘弹性主曲线：老化使所有沥青的G*主曲线上移，表明整体刚度增加，且70#基质沥青上移幅度最大，说明其抗老化能力最差。相位角（δ）主曲线的变化更为复杂：70#和HN沥青的δ主曲线整体下移（弹性成分增加）；而SBS改性沥青在低频区（对应高温条件）的δ主曲线出现上移，这与其聚合物网络结构受损、弹性贡献减弱直接相关，再次印证了MSCR试验中观察到的现象。
在微观形貌方面：荧光显微镜图像清晰显示，未老化的SBS和HN改性沥青中，聚合物相（亮区）尺寸较大、分布连续。随着老化进行，聚合物相尺寸明显减小、亮度变暗、轮廓模糊，这是聚合物链发生断裂、降解的直接证据。对比发现，HN沥青的聚合物相结构比SBS沥青更为丰富和稳定，这解释了为何HN沥青在长期老化后仍能保持相对更优的流变性能。
在化学组成方面：FTIR数据定量证实了上述观察。CI值随老化时间增加而上升，氧化程度排序与流变性能排序完全一致：T+UV条件最高，有水的条件较低。研究给出了更精确的量化关系：与单纯热氧老化相比，每日紫外线辐射可使基质沥青和改性沥青的老化程度分别增加约5%和1.5%。而水的耦合作用（T+W和T+UV+W）则分别能使老化程度降低3.5%和2.6%以上。 PI值的下降则直接证明了改性沥青中聚合物的降解，且SBS的降解速率远高于HN。
五、 研究结论与价值
本研究通过系统的多因素气候加速老化实验，得出以下核心结论： 1. 环境因素的影响明确：紫外线辐射是加速沥青老化的主导因素，而水分（以冷凝或降雨形式）对沥青老化主要起减缓作用。其机理在于，水在沥青表面形成的水膜，阻碍了氧气的扩散，并对紫外线产生了反射和散射，从而降低了老化反应的速率和程度。 2. 老化程度对比清晰：在温度与紫外线耦合作用下，仅需5天老化即可达到甚至超过标准PAV试验20小时的老化效果。这为建立更高效、更贴近实际的气候模拟老化试验方法提供了时间参考。 3. 沥青性能演变规律：老化导致沥青硬化，复数模量主曲线上移。对于基质沥青和高粘度改性沥青，相位角主曲线下移（弹性增强）；但对于SBS改性沥青，由于聚合物降解与沥青硬化协同作用，其相位角主曲线在低频区上移，表现为弹性成分的相对减少。 4. 微观机理揭示：老化过程中，改性沥青的聚合物会发生降解，表现为荧光显微镜下聚合物相尺寸减小、亮度变暗。高粘度改性沥青因其更丰富的聚合物相结构，表现出优于SBS改性沥青的长期抗老化能力。
本研究的科学价值在于，首次在可控实验条件下，清晰地区分并量化了温度、紫外线和水三者对沥青老化的独立与耦合影响，特别是明确了水在常见路面服务温度下对老化显著的减缓作用，为解决学术界长期存在的争议提供了有力的实验证据。其应用价值在于，研究结果可直接指导抗老化沥青材料的设计与选择（如优选聚合物结构更稳定的改性剂），并为优化室内加速老化试验规范（如引入紫外线、水循环及合理缩短时间）以更准确模拟实际路面老化行为提供了重要依据。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
研究在讨论部分指出，未来需要建立从现场回收的沥青老化程度与室内人工老化沥青之间的关系。这一展望指出了本研究后续的深化方向，即通过现场验证来进一步校准和优化室内加速老化试验方法，从而实现对沥青材料服役寿命更精准的预测。此外，文中提及的“水膜隔离效应”为解释水减缓老化提供了具体的物理化学机理，加深了对这一现象的理解。