《Materials》：Laboratory and Field Investigation on the Damp-Heat Aging Resistance of Steel Slag Asphalt Pavement
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摘要：湿热环境显著加速沥青路面的老化与性能劣化。本研究系统评估了基质沥青与SBS改性沥青结合料及其对应的钢渣与玄武岩沥青混合料在不同湿热老化条件（60–80 °C，90% RH，0–8天）下的性能演变规律。物理与流变学表征表明，基质沥青在湿热老化过程中呈现单调
摘要：湿热环境显著加速沥青路面的老化与性能劣化。本研究系统评估了基质沥青与SBS改性沥青结合料及其对应的钢渣与玄武岩沥青混合料在不同湿热老化条件（60–80 °C，90% RH，0–8天）下的性能演变规律。物理与流变学表征表明，基质沥青在湿热老化过程中呈现单调硬化规律，而SBS改性沥青则表现出独特的先软化后硬化的两阶段老化过程。化学官能团分析进一步证实，湿热老化是早期水分侵入与长期热氧硬化协同作用的结果，而SBS聚合物网络可有效延缓该过程。此外，微观形貌与元素分析揭示，钢渣集料通过表面微孔的机械互锁与碱性组分的化学锚定双重机制抵抗水分侵蚀。采用改进雷达图法（f值）的综合评价进一步证实，钢渣不仅能提升混合料的初始性能，还能显著降低其对湿热环境的时温敏感性。最后，湿热地区的足尺现场应用表明，钢渣沥青路面服役后残留马歇尔稳定度为87.6%，构造深度保留率为91.5%。上述结果表明，相较于玄武岩路面，钢渣沥青路面具有更优异的早期至中期抗水损害能力与安全性，为极端湿热气候区的材料设计与性能提升提供了关键的理论与实践支撑。
钢渣沥青路面湿热老化抗性研究：多尺度表征、界面机制与工程验证
一、研究背景与科学问题
沥青混凝土是全球公路基础设施的主导铺装材料，但其长期服役性能持续受到复杂环境老化的挑战。沥青结合料作为核心的温度敏感性高分子材料，在高温下需具备高流动性以满足施工要求，同时在常温下需具备足够的力学强度以抵抗变形。为提升路面耐久性，SBS改性沥青凭借其优异的黏附性与抗裂性能被广泛应用于高等级路面。然而，在服役过程中，紫外线辐射、氧气、热量与水分等环境应力协同作用会加速沥青结合料老化，导致其力学与流变性能逐步退化。
在众多气候应力中，湿热环境——以高温伴随高湿度或充沛降雨为特征——对沥青路面造成尤为严重的耦合损伤。热氧老化与水分侵入的协同效应大幅削弱沥青-集料界面黏附力，诱发坑槽、松散与结构性开裂等早期病害。这些病害不仅对道路使用者构成严重安全风险，还显著增加养护成本。尽管SBS改性在一定程度上缓解了上述问题，但长期暴露于极端湿热条件下仍可能破坏其增强聚合物网络并加速界面剥离。
当前研究存在以下关键科学问题：其一，现有标准化老化试验（如热氧老化、PAV模拟老化、紫外老化）通常隔离环境变量，难以准确模拟极端湿热条件下水分渗透与化学侵蚀的复杂过程；其二，水分强烈侵入持续破坏沥青-集料界面，同时高温加速结合料氧化，这一基础耦合退化机制仍缺乏系统认识；其三，钢渣相较于传统酸性致密玄武岩集料，其碱性表面化学特性与多孔微观纹理如何缓解长期老化过程中的界面水分驱动退化，尚缺乏机理性阐明。
二、研究目标与主要技术方法
本研究旨在系统考察钢渣与玄武岩沥青混合料在不同湿热老化条件下的性能演变规律，揭示湿热老化对沥青混合料性能影响的时温等效原理，并阐明钢渣集料相较于玄武岩集料提升沥青混合料湿热老化抗性的作用机制。
研究采用的主要关键技术方法包括：物理性能测试（针入度、延度、软化点、布氏黏度）与保留率/增量指标计算；动态剪切流变仪（DSR）温度扫描（30–80 °C，10 rad/s）与弯曲梁流变仪（BBR）低温测试（?12 °C、?18 °C）评估流变性能；傅里叶变换红外光谱（FTIR）定量分析羰基、亚砜、羟基及丁二烯指数；扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS）表征集料表面微观形貌与元素分布；改进水煮法评价集料-沥青黏附性能；马歇尔稳定度试验、间接拉伸试验（ITS）与低温小梁弯曲试验评价混合料路用性能；改进雷达图法（f值）进行多维度综合评价；以及在深圳（广东省，典型湿热气候区）开展为期两年的足尺现场试验段连续监测。
三、主要研究结果
3.1 湿热老化对沥青结合料的影响
宏观形貌观察表明，随老化温度与时间增加，两种沥青表面逐渐粗糙并失去光泽，颜色由深黑向棕褐色转变。基质沥青在老化后期因水分积聚与挤压产生表面孔隙，而SBS改性沥青即使在80 °C条件下也未出现显著宏观孔隙，这归因于SBS聚合物网络的增强作用。
物理性能测试揭示，基质沥青呈现典型的单调硬化行为，软化点与黏度随湿热老化时间与温度升高而持续增加。B-80样品老化8天后软化点由46.5 °C升至53.7 °C，黏度由448 mPa·s升至527 mPa·s。相比之下，SBS改性沥青呈现独特的两阶段老化过程：初期（2–4天）软化点与黏度短暂下降，S-80样品软化点由68.2 °C降至65.5 °C，黏度由1853 mPa·s降至1755 mPa·s，早期黏度老化指数（VAI）达?5.3%；后期（4–8天）性能快速恢复，S-80最终黏度达1965 mPa·s，较未老化样品增长6.0%。
针入度与延度测试进一步证实上述规律。基质沥青针入度持续下降，B-80-8样品针入度保留率（RRP）降低13.9%；而SBS改性沥青初期针入度短暂上升（S-80样品RRP达103.8%），后期逐渐下降至95.5%，仍高于同期基质沥青的86.1%。
3.2 流变性能演变
DSR测试表明，随老化程度加深，两种沥青的复数模量（G*）增加、相位角（δ）减小，表明老化导致硬化。在29.99 °C初始温度下，未老化SBS改性沥青模量为578.72 MPa，80 °C老化8天后增至697.89 MPa（增幅20.59%）；基质沥青则由351.74 MPa增至538.49 MPa（增幅53.09%）。模量老化指数（MAI）进一步量化表明，温度对老化的影响远大于时间：老化温度从60 °C升至80 °C时，基质沥青MAI上升近50%，而SBS改性沥青仅上升约30%。
BBR测试显示，80 °C老化8天后，基质沥青（B-80）在?12 °C下蠕变刚度（S）由125.3 MPa增至188.7 MPa（增幅50.6%），蠕变速率（m值）由0.381降至0.128（降幅66.4%）；SBS改性沥青（S-80）S值由85.1 MPa增至119.6 MPa（增幅40.5%），m值由0.422降至0.333（降幅21.1%），仍高于规范阈值0.3。值得注意的是，80 °C老化2天的基质沥青m值（0.281）已低于60 °C老化4天的水平（0.308），证实高温与高湿的协同效应加速老化损伤。
3.3 化学官能团演变
FTIR分析表明，随老化温度与时间增加，两种沥青的亚砜、羰基与羟基指数均呈上升趋势。基质沥青（B-80-8）亚砜指数由0.00458增至0.00776（增幅约69.2%），羰基与羟基指数分别增加约55.3%与185.3%；SBS改性沥青（S-80-8）对应增幅约为114.7%、97.6%与54.8%。B-80-2样品羟基指数在老化早期显著上升46.0%，与水分侵入的饱和过程密切相关。SBS改性沥青亚砜指数的显著增长表明SBS聚合物中C=C键在湿热条件下更易氧化。
3.4 钢渣集料微观形貌与黏附性能
SEM-EDS分析显示，玄武岩表面光滑致密，硅含量高达14.98%，呈酸性硅酸盐表面特性，强亲水性使其易吸附水分子。相比之下，钢渣表面密布冶炼过程中气体逸出形成的微米级孔隙，钙含量达28.62%，呈显著富钙特征。钢渣的粗糙多孔微观纹理不仅提供更大的比表面积，还形成深度的机械互锁效应；其表面碱性组分可与热氧老化沥青中生成的酸性官能团（如羧酸、酸酐）发生原位酸碱反应，形成不溶于水的化学键合产物。
改进水煮法测试表明，未老化状态下钢渣剥落率仅为1.3%，低于玄武岩的2.1%；老化8天后钢渣剥落率增至4.6%，仍低于玄武岩的6.3%。拟合曲线二次项系数对比（钢渣0.1571 vs 玄武岩0.2000）表明玄武岩剥落率随时间呈更显著的加速增长趋势。
3.5 混合料路用性能
马歇尔稳定度测试表明，钢渣混合料在相同老化条件下残留稳定度始终优于玄武岩混合料。采用SBS改性沥青时，钢渣混合料（S-SM）在80 °C老化8天后MS值保持12.85 kN，较玄武岩混合料（11.22 kN）高14.5%；基质沥青组中钢渣混合料（B-SM，9.68 kN）显著优于玄武岩混合料（B-BM，7.35 kN）。
间接拉伸强度（ITS）测试显示，80 °C老化8天后，SBS改性玄武岩混合料（S-BM）ITS降至0.865 MPa，而SBS改性钢渣混合料（S-SM）保持1.118 MPa，优势达29.2%。基质沥青组中B-SM残留ITS（0.715 MPa）大幅超越B-BM（0.525 MPa），证实玄武岩混合料的水分界面损伤更为严重。
低温弯曲应变测试表明，虽然未老化状态下钢渣混合料初始弯拉应变略低于玄武岩组，但长期老化后钢渣混合料表现出更优的韧性保留率。80 °C老化8天后，S-BM弯拉应变骤降至2315 με，而S-SM保持2725 με；B-SM残留应变（1315 με）明显高于B-BM（986 με）。
3.6 综合性能评价与工程应用
改进雷达图法综合评价显示，随老化程度加剧，玄武岩混合料雷达图面积快速收缩，在水损害抗性（TSR）与低温性能轴向上出现明显凹陷；而钢渣混合料始终保持最大覆盖面积与最均衡的几何形状。未老化状态下S-SM的f值为1.0，优于S-BM的0.9270。在80 °C/8天极端老化条件下，S-BM的f值骤降至0.1949（衰减率79.0%），而S-SM维持在0.3151（衰减率68.5%）。时温等效特征明显：S-BM组80 °C/4天的f值（0.3434）显著低于60 °C/8天的0.4407。
深圳足尺现场试验段两年监测结果表明，钢渣路面初始构造深度为0.82 mm，两年后保持0.75 mm，保留率高达91.5%，优于玄武岩路面的84.6%；两年后芯样残留马歇尔稳定度为87.6%，而玄武岩路面为83.1%，未达到水损害抗性的严格要求。
四、结论与展望
本研究得出以下主要结论：（1）沥青结合料的湿热老化本质上是早期物理水分侵入与长期热氧化学反应的协同劣化过程，老化温度对加速材料脆化的决定性作用大于暴露时长；（2）SBS改性沥青呈现先软化后硬化的两阶段老化特征，其三维交联网络有效延缓水分渗透并优先消耗氧气，80 °C/8天严重老化条件下MAI仅为20.59%，远低于基质沥青的53.09%；（3）钢渣集料通过表面微孔机械互锁与碱性组分化学锚定的双重机制重构界面抗水损害能力，老化8天后黏附性较玄武岩提升27.0%，SBS改性钢渣混合料ITS达1.118 MPa，较玄武岩组优势29.2%；（4）湿热老化演变遵循时温等效原理，钢渣骨架的掺入显著降低混合料对湿热环境的时温敏感性，两年服役后残留马歇尔稳定度87.6%、构造深度保留率91.5%，为湿热气候区路面耐久性提升提供了可靠的材料解决方案。
未来研究应进一步严格验证时温等效原理的适用性，并考虑扩展湿度范围及探索不同钢渣掺量的影响。
