本文旨在向广大研究者介绍一篇近期发表于《Construction and Building Materials》期刊上的重要研究论文。该研究由湖南大学土木工程学院、绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室的张恒龙副教授（通讯作者）及其团队成员陈子豪、段海辉共同完成，论文于2020年2月25日在线发表，题为“Investigation of ultraviolet radiation aging gradient in asphalt binder”。
本研究属于道路工程材料领域，具体聚焦于沥青胶结料的老化行为研究。在自然环境中，沥青路面不仅会受到热氧老化的影响，还会受到太阳光中紫外线（UV）辐射引发的光氧老化。传统的实验室老化模拟方法（如RTFOT、PAV）主要针对热氧老化，而对于紫外线老化的模拟尚未达成统一标准。已有研究表明，紫外线能量有限，其直接穿透沥青薄膜的深度很浅（约4.5微米），但在实际观察和部分研究中发现，经过较长时间的紫外线辐射后，沥青的老化影响深度可达数毫米，远超其直接穿透能力。这一现象被称为“紫外线老化梯度”现象。然而，在大多数实验室紫外线老化模拟中（通常使用1-3毫米厚的沥青薄膜），以及在实际沥青路面中（尽管裹覆集料的沥青膜很薄，但混合料内部垂直方向的连续沥青基质路径远大于此），这一梯度现象常被忽视。因此，深入研究沥青胶结料中紫外线老化梯度的形成速度及其内在机理，对于准确评估紫外线老化的真实影响、指导实验室老化模拟的沥青膜厚度设计，以及理解路面材料的长期性能演变具有重要的理论与现实意义。本研究的目标正是系统探究紫外线老化梯度的发展过程，并通过多种技术手段揭示其形成机制。
本研究的工作流程设计严谨、环环相扣，主要包括以下几个核心步骤：
首先，是样品制备与紫外线老化。研究选用60/80针入度等级的基质沥青作为研究对象。研究人员使用内径13毫米、厚度3毫米的铁环和铁基座制备了厚度均匀为3毫米的沥青薄膜样品。将制备好的样品置于配备有365纳米波长汞灯、紫外线强度为8 W/m²、温度恒定在50°C（以排除热老化影响）的老化箱中进行紫外线辐射老化。老化时间设置为0、6、9、12和15天，以研究梯度随时间的演变。
其次，是创新的分层剥离程序。为了探究老化梯度，研究团队开发了一套精密的物理剥离方法。对于经过不同老化时间后的3毫米厚沥青薄膜，利用不同厚度的铁环（2毫米和1毫米）作为高度基准，通过刮刀依次将沥青膜剥离成平均厚度均为1毫米的顶层、中层和底层。这一方法的关键在于利用沥青膜与铁环的高度差，确保了分层的精确性和可重复性，从而能够获取不同深度处的沥青样本进行后续分析。
第三，是多指标流变学性能表征。对剥离得到的不同层位沥青样本，使用动态剪切流变仪（DSR）进行系统的流变学测试。这包括：在60°C下进行频率扫描，获取复数模量；在5°C下进行频率扫描，获取相位角；通过拟合复数粘度-频率曲线计算60°C下的零剪切粘度（ZSV）；在60°C下进行多重应力蠕变恢复（MSCR）试验，获取0.1 kPa和3.2 kPa应力下的不可恢复蠕变柔量（Jnr）；基于特定时温条件（15°C， 0.005 rad/s）计算DSR函数（DSRFn）值；以及从5°C频率扫描中获取交叉频率（Xc）值。这些指标分别从高温抗变形能力、低温粘弹性、抗车辙能力和脆性等多个维度综合评价沥青的老化程度。
第四，是分子尺寸与化学组成分析。为了从微观化学角度解释老化梯度，研究采用了凝胶渗透色谱（GPC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术。GPC测试用于分析不同层位沥青的分子尺寸分布，通过将色谱曲线按洗脱时间平均分为13个切片，并计算前5片（大分子尺寸，LMS）、中间4片（中分子尺寸，MMS）和后4片（小分子尺寸，SMS）的面积占比，来量化分子尺寸的变化。FTIR测试则用于定量分析老化特征官能团的含量，通过计算位于1700 cm⁻¹处的羰基指数（CI）和1030 cm⁻¹处的亚砜基指数（SI），来评估氧化产物的生成情况。
第五，是验证老化机理的荧光示踪实验。为了客观验证研究团队所关注的“扩散老化模型”假说，研究者设计了一项巧妙的荧光显微镜试验。他们在制备沥青薄膜时，将粒径为1-10微米的无机荧光粉末作为示踪剂，预先掺入顶层（1毫米厚）沥青中。然后将样品进行15天的紫外线老化。同时，设置一个对照组：将同样掺有荧光粉末的未老化沥青薄膜在50°C下储存15天（无紫外线照射）。老化结束后，分别观察中层和底层沥青在荧光显微镜下是否有荧光反应，以此判断荧光粉末（模拟老化后分子）是否会向下层扩散。
本研究取得了系统而明确的成果，各步骤的结果相互印证，共同揭示了紫外线老化梯度的规律与成因。
流变学指标结果清晰地描绘了老化梯度随时间的动态发展。对于仅老化6天的样品，其顶层、中层和底层的复数模量、相位角、ZSV、Jnr、DSRFn和Xc等所有指标均与原始沥青样本无显著差异，表明短期紫外线老化对3毫米厚沥青膜的整体影响可忽略。老化9天后，顶层和中层的各项指标开始发生显著变化（如复数模量增大、相位角减小），而底层指标仍接近原始沥青。这说明此时紫外线老化的影响深度已达到1毫米以上，但尚未超过2毫米。老化12天后，顶层和中层老化程度进一步加剧，底层仍基本未受影响。直至老化15天，顶层、中层和底层的所有流变学指标均显示出明显的老化特征，且从底层到顶层，老化程度（如模量增大、相位角减小）呈现递增的梯度分布。这确凿地证明，经过15天的紫外线辐射，老化深度已超过2毫米，在3毫米厚的沥青膜中形成了显著的垂直性能梯度。
GPC分析结果为老化梯度提供了分子层面的证据。对15天老化样品各层进行分析发现，与原始沥青相比，所有层位（包括底层）的LMS值均增大，SMS值均减小，证实了整体老化。更重要的是，从底层到顶层，LMS值逐渐升高，而SMS值逐渐降低，表明在沥青膜深度方向上存在明显的分子尺寸分布梯度：越靠近受辐照表面，大分子比例越高，小分子比例越低。这一梯度现象直接支持了“老化沥青分子向下扩散”的假说，即表层的沥青分子在紫外线作用下发生聚合或氧化，尺寸变大，这些“老化”了的分子并非静止不动，而是会向下方新鲜沥青层中扩散，从而导致老化影响深度随时间不断向下延伸。
FTIR分析结果从化学官能团的角度进一步佐证了梯度存在。对15天老化样品的FTIR光谱分析显示，各层沥青的羰基和亚砜基指数均高于原始沥青，再次证实老化深度超过2毫米。同时，从底层到顶层，这两种氧化产物的含量也呈现出明显的递增梯度，即越靠近表面，氧化反应越剧烈。这化学组成的梯度与流变性能梯度、分子尺寸梯度高度一致，共同指向了同一老化扩散过程。
荧光显微镜试验结果为“扩散老化模型”提供了最直观、客观的实验证据。在对照组（无紫外线，仅50°C储存）中，荧光反应仅出现在掺有粉末的顶层，中层和底层均未观察到荧光，说明在没有紫外线引发的老化作用下，荧光粉末自身不会显著向下扩散。然而，在经历15天紫外线老化的实验组中，不仅顶层，其中层和底层均观察到了清晰的荧光反应。这表明，荧光粉末随着其周围“老化”的沥青分子一同向下层迁移了。这一关键发现直接证实了“扩散老化模型”的核心机制：紫外线辐射导致表层沥青分子老化（尺寸、极性等发生变化），这些老化分子在浓度梯度或化学势驱动下，向深层新鲜沥青中扩散，从而将老化效应传递到紫外线直接辐射范围之外的区域。
基于以上系统性的研究工作与结果，本研究得出以下主要结论：1. 紫外线老化在沥青胶结料中确实存在显著的梯度现象。老化深度随辐射时间延长而增加，6天老化影响甚微，9天老化深度超过1毫米，15天老化深度超过2毫米。2. 在老化过程中，沥青膜内形成了分子尺寸（大分子增多、小分子减少）和氧化产物（羰基、亚砜基）含量的垂直梯度。3. 导致这一梯度现象的根本机制是“扩散老化模型”，即表层受紫外线辐射老化的沥青分子向下扩散至深层，该模型被创新的荧光示踪实验客观证实。
本研究的科学价值在于，首次通过精细的分层技术和多尺度表征手段（宏观流变-介观分子尺寸-微观化学官能团），系统量化并证实了沥青紫外线老化梯度的存在与发展规律，并创新性地通过荧光示踪实验验证了其“扩散”形成机制。这深化了对沥青光氧老化物理化学过程的理解，将老化研究从“均质”假设推进到“梯度”现实。其应用价值体现在，为实验室紫外线老化模拟试验中沥青膜厚度的合理选择提供了直接依据（例如，对于短期老化研究，较薄膜厚可能足够；但对于长期老化模拟，需考虑梯度影响，或使用更薄分层分析），并提醒我们在评估实际沥青路面长期性能时，应考虑材料内部非均匀老化带来的影响，对预防性养护时机和策略的制定具有指导意义。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：重要的发现：明确了紫外线老化梯度的发展速度（时间-深度关系），并揭示了其背后的“扩散”主导机制。方法的创新性：开发了精确的厚膜沥青分层剥离技术，并巧妙地设计了荧光粉末示踪实验来直观验证分子扩散模型，实验设计严谨而富有创意。研究的系统性：采用了从宏观性能到微观结构的全方位、多指标关联分析，使结论坚实可靠。问题的针对性：聚焦于一个被多数模拟实验忽视但实际存在的现象，研究具有明确的现实指向性。
此外，作者在文末提出了未来工作的建议，包括研究短期热氧老化后的沥青在紫外线下的老化梯度、比较纯紫外线老化与紫外-热联合作用对梯度的影响、考察自然风化老化下的梯度现象，以及将研究拓展至沥青混合料层面。这些方向对于构建更完整的沥青材料老化理论与评价体系具有重要意义。