基于微观角度的老化沥青评价指标研究学术报告
一、 研究基本信息
本研究的主要作者是来自长安大学公路学院的刘亚敏*、高晨光、钟国亮、韩旭晖、官鑫。该研究成果以学术论文形式发表于《大连理工大学学报》（journal of dalian university of technology）2026年第66卷第1期，文章编号为1000-8608(2026)01-0094-09。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于道路工程材料科学领域，具体聚焦于沥青材料的老化机理与性能评价。沥青作为路面工程的核心胶结材料，其在使用过程中不可避免会发生热氧老化，导致硬化、脆化，进而影响路面服役性能与使用寿命。因此，准确评价沥青的老化程度对于路面养护、再生利用以及新材料开发至关重要。
以往的研究多集中于通过宏观技术指标（如针入度、软化点、延度）和流变特性指标（如复数剪切模量）来评估沥青老化。然而，这些宏观指标虽然能反映性能变化趋势，但难以从本质上揭示老化发生的微观机理。随着傅里叶变换红外光谱（FTIR）等微观分析技术的发展，研究者们认识到沥青老化过程伴随着特定官能团的生成，尤其是羰基（C=O）和亚砜基（S=O）。尽管已有研究定性指出了这些官能团与老化相关，但关于它们如何定量影响宏观性能，特别是针对不同沥青类型（基质与改性沥青）在全过程老化中的规律，尚缺乏系统、深入的研究。
基于此，本研究旨在通过微观分析手段，系统解析不同老化阶段沥青官能团结构的演变特征，并定量建立宏观路用性能参数与微观分子构型变化之间的数学关系。其核心目标是筛选并推荐能够有效、普适地表征沥青老化程度的微观评价指标，从而为从分子层面揭示沥青老化本质、优化老化评价体系提供科学依据。
三、 详细研究流程
本研究包含一个系统、严谨的试验与分析流程，主要分为原材料准备、老化模拟、微观表征、宏观测试和数据分析五个核心环节。
第一环节：原材料准备与基础表征。 研究选取了5种具有代表性的沥青作为研究对象，包括3种基质沥青（中海-70号、SK-70号、SK-90号）和2种SBS改性沥青（SK-SBS、GS-SBS）。在试验开始前，首先依据规范测定了所有原样沥青的三大基本技术指标：针入度、软化点和延度（10℃或5℃），结果详列于文中表1。这为后续老化性能的对比分析提供了基准数据。
第二环节：老化模拟试验。 本研究未采用传统的薄膜烘箱试验（TFOT）和压力老化容器试验（PAV），而是使用了课题组自主研发的温度循环老化箱（Temperature Cycle Aging Oven Test, TCAOT） 来模拟沥青的老化过程。该设备由烘箱和老化支架构成，其创新之处在于能够更灵活地控制老化条件。研究参考了团队前期的研究成果，确定了TCAOT的试验参数：短期老化模拟设定为163℃、2小时；长期老化模拟设定为95℃，并设置了12、24、48、72、96、120小时共计6个不同时长。通过对比验证，2小时TCAOT老化效果与TFOT相当，72小时与PAV相当，120小时则与服役15年的实际沥青模量特性高度吻合。因此，本研究将长期老化的终点设定为120小时，以期覆盖从短期到长期乃至超长期的老化状态。对5种沥青分别进行上述所有老化条件的处理，制备出不同老化程度的系列样品。
第三环节：微观官能团表征。 对原样及所有老化后的沥青样品，采用Varian600-IR型傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）进行分子结构分析。测试参数设置为：分辨率4 cm⁻¹，扫描范围600-4000 cm⁻¹，每个样品扫描32次，并且每个样品重复装样扫描3次以减小误差。获取红外光谱图后，研究团队基于MATLAB编程平台构建了光谱预处理流程，对原始光谱进行自动基线校正，以消除背景噪声和基线漂移（如图3所示）。随后，利用Origin软件对特征官能团的吸收峰面积进行定量积分计算。重点关注沥青热氧老化的两个主要特征氧化产物：亚砜基（S=O，特征吸收峰范围975~1100 cm⁻¹）和羰基（C=O，特征吸收峰范围1650~1820 cm⁻¹）。分别计算了它们的峰面积（As 和 Ac），并引入了“残留值”（R = 老化后指标值 / 原样指标值）的概念，来直观反映官能团随老化时间的累积情况。
第四环节：宏观技术指标测试。 对所有老化样品，同步测试其宏观性能指标。基本技术指标包括针入度、软化点和旋转黏度。流变特性指标则选取了60℃下的复数剪切模量（G*60），该指标能有效反映沥青的高温性能。
第五环节：数据统计与相关性分析。 获得微观官能团数据和宏观性能数据后，本研究运用SPSS统计软件进行深入的数理统计分析。核心工作是分析羰基峰面积（Ac）与各项宏观指标（针入度、软化点、旋转黏度、G*60）之间的相关性，计算皮尔逊相关系数（r）及其显著性（p值）。对于相关性高的指标组合（r² > 0.9），进一步利用软件进行线性拟合，建立二者之间的定量数学表达式（拟合方程）。
四、 主要研究结果
研究结果清晰揭示了微观官能团演变规律及其与宏观性能的定量关联。
1. 微观官能团演变规律结果： 通过对五种沥青的红外光谱数据分析（图4-8），得到了以下关键发现： * 普遍增长趋势：无论是亚砜基峰面积（As）还是羰基峰面积（Ac），都随老化时间延长而持续增大，证实了氧化反应的进行。 * 增长速率差异：对于同一种沥青，亚砜基峰面积的增长速率显著快于羰基峰面积。通过残留值分析发现，Ac的残留值普遍高于As，这表明在老化进程中，As的增长幅度更大，或者说羰基的生成相对更“缓慢”或稳定。 * 沥青个体差异：不同沥青的官能团增长模式存在差异。例如，对于As，ZH-70#沥青增长最快；对于Ac，SK-70#沥青增长最快。分析认为，As的增长与沥青中硫元素含量密切相关，而硫含量受原油来源和工艺影响很大，导致其规律普适性较弱。相比之下，Ac的增长在不同类型沥青的老化过程中均表现出随老化水平升高而增大的普遍规律。 * 核心微观指标筛选：基于以上分析，研究得出结论：羰基峰面积（Ac）比亚砜基峰面积（As）更能全面、普适地表征沥青在全过程老化中的微观特性变化。因此，后续的相关性分析主要围绕Ac展开。
2. 微观指标与宏观指标相关性结果： 相关性分析结果（表2，表3）及拟合图（图9-12）提供了强有力的定量证据： * 与基本技术指标的相关性： * 基质沥青：Ac与针入度、软化点、旋转黏度均呈现高度相关（|r| > 0.97），且相关性在0.01水平上显著。具体表现为：Ac与针入度呈显著负相关（r约-0.97），与软化点和旋转黏度呈显著正相关（r > 0.99）。线性拟合度极高，r²均大于0.9。 * 改性沥青：Ac与针入度、软化点同样高度相关（负相关与正相关，r² > 0.95）。然而，Ac与改性沥青的旋转黏度相关性很弱（SK-SBS的r=0.631，p=0.093；GS-SBS的r=0.593，p=0.121），未达到显著水平。文中解释，这可能是因为改性沥青在老化过程中，聚合物网络结构的变化与氧化反应共同影响黏度，导致其与单纯反映氧化程度的Ac变化规律不完全一致。 * 与流变特性指标的相关性：Ac与所有五种沥青在60℃下的复数剪切模量（G*60）均呈现高度正相关（r > 0.97，p < 0.01），线性拟合的r²均大于0.94（图12）。这表明，反映沥青高温抵抗变形能力的流变指标与反映氧化程度的微观指标Ac之间存在极强的定量关联。 * 定量关系建立：通过线性拟合，研究成功建立了Ac与针入度、软化点、旋转黏度（针对基质沥青）以及G*60之间的拟合方程。这些方程以数学形式表达了宏观性能指标随微观羰基含量变化的定量关系，例如：针入度 = a * Ac + b (a为负值)，软化点 = c * Ac + d (c为正值)等。
五、 研究结论与价值
本研究得出以下核心结论： 1. 微观评价指标优选：在沥青热氧老化过程中，羰基峰面积（Ac）是比亚砜基峰面积（As）更适宜表征全过程老化微观特性的有效指标，因其受沥青来源差异影响小，规律更具普适性。 2. 相关性规律： * 对于基质沥青，Ac与针入度、软化点、旋转黏度三大基本指标及流变指标G*60均高度显著相关。 * 对于改性沥青，Ac与针入度、软化点及流变指标G*60高度相关，但与旋转黏度关联性较弱。 * Ac与软化点、G*60为正相关，与针入度为负相关。 3. 定量关联机制：研究通过统计拟合，首次系统建立了羰基峰面积与多项关键宏观技术指标及流变指标之间的定量数学表达式，实现了从微观官能团变化到宏观性能演变的桥梁搭建。
本研究的科学价值在于，它超越了以往对沥青老化微观与宏观性能之间关系的定性描述，通过严谨的实验设计和数据分析，提供了定量化的证据和模型，深化了对沥青老化机理的理解。其应用价值体现在：为评价沥青老化程度提供了一个新的、基于微观结构的可靠指标（Ac）；所建立的定量关系可用于预测沥青在特定老化状态下的宏观性能，或通过微观检测来反推老化程度，对沥青材料的质量监控、再生利用配比设计以及抗老化添加剂研发具有指导意义。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究在讨论部分指出，虽然拟合方程建立了有价值的定量关联，但将羰基峰面积作为老化程度的绝对定量评价参数仍需深化研究。这提示了未来的研究方向，例如探索更复杂的非线性模型，或结合其他微观分析技术（如GPC、原子力显微镜）进行多尺度关联，以进一步完善基于微观结构的沥青老化评价体系。此外，文中对残留值概念及其与抗老化性能关系的阐述，也为理解老化数据提供了清晰的逻辑框架。