高温下沥青结合料化学与流变老化指标/指示器之间的相关性

为什么道路老化关系到每个人

任何在车辙或裂缝密布的路面上行驶过的人都能体会道路随着时间变老会发生什么。在每一条沥青路面中，核心是那种粘稠、近似焦油的材料，称为结合料，它把石料粘合在一起。经过多年日晒、热和空气作用，这种结合料会硬化并变得更脆，从而改变道路在荷载下的行为。本研究探讨结合料内部的化学变化如何在其流动性和刚度上显现，目标是更容易预测道路何时会出现车辙或裂缝，以及如何更安全地管理再生材料。

沥青随时间和交通如何变化

沥青结合料由许多不同的有机分子组成，这些分子会与空气中的氧发生反应。在拌和和铺筑过程中，结合料暴露在高温和空气中，导致第一次快速的老化，使新铺路面在通车前就变得更刚硬。随后在多年服役期间，热、氧、阳光和湿气的共同作用下，缓慢的长期老化持续进行。这一长期过程进一步提高了刚度：路面在高温下对永久性车辙的抵抗力可能增强，但同时变得不那么有弹性，更容易出现疲劳和低温开裂。随着气候变化带来更多热浪以及再生沥青铺料（RAP）使用量增长，理解这种“有益”与“有害”老化之间的平衡变得愈发重要。

探测结合料的化学与手感

研究者选择了三种常见、软硬等级不同的沥青结合料，在实验室中对它们进行了受控的短期和长期老化处理。他们使用旋转薄膜烘箱模拟拌和时的加热和空气曝光，然后在压力老化容器中进行一到三次循环以模拟多年服役老化。为追踪化学变化，研究团队用红外光测量结合料氧化时形成的特定含氧基团的增长。这些信号被合成成一个单一的“老化指数”，随着结合料化学状态远离新鲜状态而上升。与此并行，他们用扭转或旋转小样本的仪器测量结合料在高温下的流动与变形特性，提取与粘度、在振荡荷载下的刚度以及更复杂的黏弹性模型相关的量。

第一阶段造成的大部分损伤

在三种结合料中，所有老化指示器都朝同一方向变化：化学氧化增加、高温刚度上升、结合料的抗流动能力增强。第一次长期老化循环之后的跃升尤其明显；后续循环虽然仍增加老化程度，但幅度较小。这一模式在基于红外的指数、代表在非常慢荷载下流动行为的零剪切粘度以及反映路面抗永久车辙能力的常用车辙参数中都能观察到。来自高级黏弹模型的参数——描述结合料如何从弹性行为向粘性行为过渡——也随老化系统性增加，并对硬化过程敏感。

化学与性能之间的简单联系

综合所有测量结果，团队发现化学指标与力学指标之间存在清晰且数学上简单的关系。对于给定的结合料等级，红外老化指数与零剪切粘度的对数以及决定刚度曲线形状的关键模型参数呈线性关系。车辙参数与化学指数之间表现出强烈的幂律关系，并与零剪切粘度呈指数关系。高温旋转粘度——在实践中相对容易且常见的测量——与所有测试结合料的车辙参数高度一致，并且与更复杂的粘度量紧密相关。这些趋势在各个结合料等级内保持一致，有些联系（例如简单粘度与车辙刚度之间的关系）即使在将来自同一原油来源的所有等级合并时也依然强烈。

把趋势变成实用工具

给外行读者的关键信息是：缓慢使道路结合料变硬的相同氧化化学过程，会在结合料的流动与变形特性中留下明确的指纹。通过证明一种测量（例如快速粘度测试）在特定结合料系列内可以可靠地替代其他测量（如详细的化学光谱或高级刚度模型），这项工作为更简单、基于数据的道路老化检查奠定了基础。工程师可以用少量测量来校准这些趋势线，然后使用更易获得的测试替代更难或更昂贵的检测方法。最终，这能帮助路政部门在设计路面、选择RAP配比和规划维护时，在抗车辙与防开裂之间取得平衡，从而延长路面寿命并更好地利用材料。

引用: Taheri, A., Khodaii, A. & Hajikarimi, P. Correlations among chemical and rheological aging indices/indicators of asphalt binder at high temperatures. Sci Rep 16, 9186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40007-6

关键词: 沥青老化, 路面耐久性, 结合料氧化, 流变学, 再生沥青