聚合物改性沥青(PmB)老化行为的多维度表征及其在路面工程中的应用

本研究针对聚合物改性沥青(PmB)老化机制复杂、传统FTIR指标PBFTIR评估局限等问题，通过对比三种SBS改性沥青在实验室(3PAV/VBA)与自然老化条件下的化学(FTIR)、流变(DSR)和形态学(荧光显微镜)变化，揭示了高乙烯基含量SBS的抗氧化优势，证实实验室老化会高估聚合物降解程度，为优化老化模拟方法和耐久性设计提供关键依据。

　　

随着全球交通基础设施需求激增，聚合物改性沥青(PmB)因其优异的抗车辙和抗开裂性能成为路面工程的核心材料。然而，这种由沥青基质和聚合物网络组成的复合材料，在服役过程中会经历复杂的老化过程——高温、氧气、紫外线等多重环境因素会同时引发沥青氧化和聚合物降解，而两者间的相互作用更使得老化机制扑朔迷离。更棘手的是，当前实验室常用的压力老化容器(PAV)模拟方法因极端温压条件可能扭曲实际老化路径，而行业广泛依赖的傅里叶变换红外光谱(FTIR)指标PB_FTIR（聚丁二烯指数）因化学吸收峰重叠和形态假象常导致误判。如何精准表征PmB老化多样性、优化实验室模拟协议，成为提升路面寿命预测和再生利用策略的关键瓶颈。

针对这一挑战，奥地利Christian Doppler实验室联合维也纳工业大学的研究团队在《Fuel》发表了一项系统性研究。他们选取三种商品化SBS改性沥青(PmB1/PmB2/PmB3)，分别采用标准实验室老化(RTFOT+3PAV)、维也纳沥青老化(VBA，含O₃/NO_x活性氧)以及36个月自然暴露三种模式进行处理，通过多尺度分析技术揭示了PmB老化的"双轨演化"特征：即沥青相氧化与聚合物相降解既相互关联又存在独立路径。尤为重要的是，研究发现高乙烯基含量的SBS(PmB3)通过分支双键结构牺牲性氧化，有效保护了聚合物主链完整性；而传统FTIR的PB_trans指标因与氧化产物吸收峰重叠，在老化后期会出现"虚假回升"现象，需结合流变学平台区特征和荧光显微形态学验证。这些发现不仅纠正了行业对老化评估的认知偏差，还为开发耐候型改性沥青提供了分子设计方向。

研究团队采用三大关键技术：1）衰减全反射FTIR(ATR-FTIR)定量分析羰基(AI_CO)、极性基团(AI_PO)和亚砜(AI_SO)指数，结合聚丁二烯特征峰(PB_trans/PB_vinyl)积分；2）动态剪切流变仪(DSR)在10 rad/s频率下进行30-130°C温度扫描，监测复数模量(G*)和相位角(δ)演变；3）435 nm激发的荧光显微成像结合灰度值分析，追踪聚合物相分布形态。所有样本均来自工业供应商，其中PmB1还进行了屋顶暴露的实地老化试验。

【化学性质对比】
FTIR数据显示PmB3因911 cm^-1处强乙烯基特征峰，表现出独特的分子结构。老化后PB_vinyl保留率显著高于PB_trans，证实分支双键的"自我牺牲"保护机制。但令人意外的是，PmB2经3PAV老化后PB_FTIR值反超未老化样本，揭示FTIR指标在严重氧化时会因亚砜峰(1066-984 cm^-1)干扰而失真。VBA老化产生的极性氧物种(AI_PO)比3PAV高17%，但高温高压条件更易引发硫化物向亚砜转化。

【流变性能演化】
温度扫描显示PmB3在100°C仍保持明显弹性平台区，印证高乙烯基SBS的耐热优势。3PAV处理使PmB1相位角曲线平台区消失，而VBA处理后保留部分弹性，说明活性氧对聚合物破坏较弱。但PmB2表现出反常现象：3PAV后弹性增强而VBA后粘性主导，暗示不同老化路径对沥青组分的选择性影响。

【微观结构变迁】
荧光显微图像中，未老化PmB1呈现均匀球形聚合物域(亮区)，经3PAV后转变为蜂巢状peri-相结构，而VBA处理样本保留部分聚合物相。36个月自然老化的PmB1虽显示最高氧化水平(AI_FTIR=82)，但PB_FTIR值仍高于实验室样本，说明实际环境中聚合物网络降解更缓慢。灰度值分析发现6个月野外样本强度异常偏低，表明环境因素可能诱发荧光猝灭新机制。

这项研究通过多方法互证，首次阐明实验室加速老化会高估SBS降解程度——3PAV处理60小时引起的聚合物破坏相当于自然暴露3年的效果。研究提出的"乙烯基保护效应"为设计耐老化改性沥青提供了新思路：通过增加SBS分支双键比例，可定向诱导氧化位点而保护主链结构。更重要的是，团队建立的VBA老化协议(80°C+活性氧)比传统PAV更贴近实际老化路径，特别适用于评估ROS敏感型沥青。这些成果不仅解决了FTIR指标应用的局限性问题，还为路面寿命预测模型提供了更可靠的参数体系，对推动基础设施可持续发展具有重要实践意义。未来研究可结合凝胶渗透色谱(GPC)精确量化分子量变化，并扩大样本多样性以验证乙烯基保护效应的普适性。