关于薄膜厚度与紫外线老化循环之间的耦合效应对沥青流变性能及微观结构演变规律影响的研究

《Frontiers in Materials》：Research on the coupling effect of film thickness and UV aging cycle on the rheological properties and microstructure evolution law of asphalt

紫外老化加速沥青力学性能与微观结构演变研究。采用可编程紫外老化模拟方法，系统考察不同老化循环（3-9次）和沥青膜厚度（1-2mm）对90#沥青流变特性和微观结构的影响。结果表明：膜厚度是老化关键因素，1mm膜经9次循环后高低温性能显著改变，G*/sinδ增加303%，Jnr降低35.9%，表面微裂纹演化为宏观网状裂纹，Bee结构平均面积增大248%。FTIR证实C=O和S=O官能团含量上升，芳香结构比例下降。该研究揭示了紫外老化下沥青材料多尺度损伤演化机制，为高海拔地区沥青路面耐久性设计及标准测试建立理论依据。

　　在高海拔地区，强烈的紫外线（UV）辐射显著加速了道路沥青的老化过程。然而，目前尚缺乏能够准确模拟该环境下强紫外线影响的对应老化标准测试方法。本研究通过设计一种可编程、可调节强度的室内紫外线老化测试方法，更加真实地再现了高海拔地区沥青所面临的强烈紫外线环境。研究聚焦于90#沥青，系统分析了不同紫外线老化周期和沥青薄膜厚度对沥青的流变性能及微观老化机制的影响。通过动态剪切流变仪（DSR）、多应力蠕变恢复（MSCR）以及线性振幅扫描（LAS）等测试手段，量化了紫外线对沥青高温稳定性、变形恢复能力和疲劳寿命的影响。结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等微观表征技术，研究揭示了紫外线照射下沥青化学官能团的变化，描述了微观裂缝的五阶段演化过程，并进一步解析了沥青“蜂窝结构”变化的内在机制。研究结果表明，经过9个老化周期后，1 mm厚度的沥青其高温车辙因子增加了高达303%，而不可恢复的蠕变柔量则下降了35.9%。这种硬化现象虽然提升了沥青的高温抗车辙能力，但对沥青的疲劳性能产生了负面影响，疲劳寿命减少了25.0%。研究进一步确认了沥青薄膜厚度是影响老化深度的关键因素，较薄的沥青层更容易受到紫外线的影响。在微观层面，FTIR分析显示，紫外线照射后，沥青中的羰基（I_C=O）和亚砜（I_S=O）官能团指数显著增加，而芳香族化合物（I_Ar）的指数则明显下降。同时，表面损伤从微观褶皱逐步发展为宏观裂缝，其中最严重老化样本（1 mm-9C）的“蜂窝结构”平均面积比未老化的沥青增加了248%。本研究为高紫外线强度地区沥青路面材料的选择、耐久性设计和使用寿命预测提供了重要的理论依据和定量数据支持，也为开发标准化的沥青老化测试方法奠定了概念基础。

在高海拔地区，沥青作为道路面层的关键粘结材料，其性能对道路的使用寿命和质量具有重要影响。然而，在长期使用过程中，沥青不可避免地会经历老化，从而导致性能下降。紫外线老化被认为是沥青路面早期损坏的主要原因之一。紫外线辐射可以引发沥青材料中的化学键断裂，形成自由基，进而导致氧化反应，使沥青变硬、变脆，并形成表面裂纹，这些现象都会严重缩短道路寿命并增加维护成本。因此，深入研究沥青在强紫外线环境下的老化行为及其机制，对于提高道路耐久性具有重要的理论和工程价值。

尽管国内外已有大量关于沥青紫外线老化的研究，但目前的研究往往依赖于等效的紫外线暴露时间和强度，以模拟实际的老化效果。然而，研究结果表明，紫外线老化程度与暴露时间之间存在对数关系，这表明等效替代方法可能无法有效模拟真实的路面条件。为了克服这一局限，本研究采用基于纳曲地区实际短波辐射数据的紫外线老化模拟方法，通过设定室内紫外线强度为实际值的20倍，模拟出加速老化的效果。实验结果显示，沥青分子对不同波长的紫外线具有不同的敏感性，其中波长为360–370 nm的紫外线对沥青的宏观流变性能和微观结构具有显著影响。因此，研究中使用了360 nm的LED紫外线灯作为光源，并通过紫外线强度计测量其照射强度，确保实验的准确性和可重复性。

沥青薄膜厚度是影响紫外线老化效果的关键因素之一。研究选择了1 mm、1.5 mm和2 mm三种厚度的沥青薄膜，分别进行紫外线老化实验。结果表明，在相同的紫外线老化周期下，较薄的沥青薄膜表现出更显著的老化现象。例如，1 mm厚度的沥青在9个老化周期后，其高温车辙因子增加了300%以上，而2 mm厚度的沥青仅增加了82%。这一现象表明，紫外线的穿透深度有限，通常仅能深入沥青的几十到几百微米，因此在较薄的沥青层中，紫外线可以直接作用于更多的材料，导致更严重的氧化反应和性能变化。研究还指出，随着老化周期的增加，沥青的硬化程度逐渐加深，其微观结构和表面形态的变化也随之加剧。在最初的3个老化周期内，老化的贡献率最高，达到总老化贡献的60%以上，而在3到6个周期之间，老化贡献率最低，而在6到9个周期之间，老化的贡献率略有回升。这表明，紫外线老化的速率呈现出阶段性变化，初期较快，中期较慢，后期又有所加快。

此外，研究还发现，沥青薄膜厚度的增加会显著降低紫外线老化的程度。例如，2 mm厚度的沥青在9个老化周期后，其高温车辙因子仅增加了82%，而1 mm厚度的沥青则增加了300%以上。这说明，较厚的沥青层由于紫外线的穿透深度有限，只有表面层直接受到紫外线影响，因此整体老化程度相对较低。同时，研究指出，随着沥青老化程度的加深，其不可恢复的蠕变柔量（Jnr）逐渐降低，而这一现象在1 mm厚度的沥青中尤为明显。例如，1 mm-9C样品的Jnr值比未老化的沥青下降了35.9%，而2 mm-9C样品的Jnr值仅下降了23.6%。这表明，较薄的沥青层在紫外线照射下更容易发生不可恢复的变形，其恢复能力显著下降。

紫外线老化还对沥青的疲劳性能产生了显著影响。研究通过疲劳寿命测试发现，随着老化周期的增加和沥青厚度的减少，沥青的疲劳寿命显著下降。例如，1 mm-9C样品的疲劳寿命比未老化的沥青减少了25.0%，而2 mm-9C样品的疲劳寿命减少了23.6%。这一结果表明，紫外线老化通过分子交联和沥青质富集，导致沥青的疲劳损伤积累，使其在受到外力作用时更容易产生微裂纹并迅速扩展，最终影响沥青的整体疲劳性能。同时，研究还指出，当沥青厚度超过一定范围（如1–2 mm）后，增加沥青厚度对疲劳寿命的影响变得较小，因此在实际应用中，需要合理选择沥青厚度以平衡其老化效应和疲劳性能。

在微观层面，研究通过FTIR分析了紫外线对沥青化学官能团的影响。结果表明，紫外线照射导致沥青中羰基（C=O）和亚砜（S=O）官能团的相对含量显著增加，而芳香族化合物（Ar）的相对含量则明显减少。这说明紫外线照射引发了沥青的氧化反应，使沥青中的分子结构发生变化，从而影响其化学组成和物理性能。同时，SEM分析显示，紫外线照射后，沥青表面逐渐从微观褶皱发展为宏观裂缝，呈现出五阶段的演变过程：从轻微的表面褶皱到更深层次的裂纹，最终形成网络状裂纹并伴随碎裂现象。这表明，紫外线老化不仅改变了沥青的表面形态，还对沥青的微观结构产生了深远影响。

AFM分析进一步揭示了紫外线老化对沥青“蜂窝结构”的影响。研究发现，紫外线老化显著增大了“蜂窝结构”的平均面积，且在1 mm-9C样品中，其平均面积比未老化的沥青增加了248%。这一现象与已知的沥青微观老化机制一致，即紫外线引发的氧化反应促使沥青中的非极性芳香族组分转化为极性树脂和沥青质，进而导致沥青质富集区域（即“蜂窝结构”）的尺寸扩大。因此，本研究为沥青在紫外线作用下的相分离和分子重组提供了直接的形态学证据。

研究还指出，紫外线老化不仅改变了沥青的化学组成和微观结构，还对其宏观性能产生了深远影响。例如，紫外线照射后，沥青的高温稳定性显著提高，其弹性恢复能力增强，但疲劳性能却明显下降。这种现象在沥青老化过程中表现得尤为明显，特别是在较薄的沥青层中。此外，研究发现，沥青的老化程度与其厚度密切相关，较薄的沥青层更容易受到紫外线影响，而较厚的沥青层则表现出更弱的老化效应。因此，在实验室测试中，必须严格控制沥青薄膜厚度，以确保测试结果的准确性和可比性。

研究还探讨了紫外线老化与实际道路环境之间的关系。在沥青混合料中，沥青粘结剂通常以5–15 μm的薄膜形式包裹在骨料表面。因此，紫外线老化引起的表面裂纹和脆化现象，最终可能导致道路出现松散和裂缝等病害。基于这一发现，研究建议在实验室标准测试中，必须严格规范沥青薄膜厚度，并结合宏观老化指数和微观裂缝发展阶段，建立一个综合的评估体系，以实现更精确的性能评价。

最后，研究指出，尽管本研究采用的可编程老化模型基于实际区域的紫外线辐射数据，但该模型仍然代表了一种简化的实验室条件，未能完全模拟真实的道路环境。因此，未来的研究需要进一步考虑湿度、降雨、云层覆盖和温度波动等因素对沥青老化的影响，并通过校准实际紫外线暴露与实验室模拟条件，以提高研究结果的实际应用价值。本研究不仅为高紫外线强度地区沥青路面材料的耐久性设计提供了理论支持，也为开发标准化的沥青老化测试方法奠定了基础。