室内外环境下沥青混合料力学性能的老化演变与精准评价

室内外环境下沥青混合料力学性能的老化演变与精准评价一、引言1.1研究背景与意义随着我国交通事业的飞速发展，沥青路面因其具有良好的行车舒适性、降噪性以及维修方便等优点，在公路建设中得到了广泛应用。然而，在实际使用过程中，沥青混合料会受到各种因素的影响而发生老化现象。沥青老化是指沥青在生产、运输、储存及使用过程中，由于长期暴露在空气中，受到热、氧、光、水等环境因素的作用，发生挥发、氧化、分解、聚合等一系列不可逆的物理化学变化，导致其内部分子结构和化学组分改变，进而使沥青的物理化学性质逐渐劣化。沥青混合料老化后，其性能会发生显著变化。从宏观性能来看，老化会导致沥青的粘度增大、软化点升高，针入度、延度降低，使得沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和疲劳性能等路用性能下降。例如，老化后的沥青变硬变脆，在低温环境下更容易产生裂缝，严重时会出现网状裂缝；老化还会降低沥青与集料的黏附性，使得沥青混合料在水分作用下更容易松散、剥落，形成坑槽等病害，进而降低路面的抗滑性和平整度，影响行车舒适性和安全性。此外，沥青混合料老化还会增加道路的养护成本和社会经济成本。由于老化导致的路面病害需要定期进行维修和更换，这不仅耗费大量的人力、物力和财力，还会影响道路的正常使用，造成交通拥堵，给社会经济带来不利影响。据相关统计，每年我国因道路养护和维修所投入的资金高达数百亿元，其中很大一部分是由于沥青混合料老化引起的路面病害所导致的。目前，国内外对于沥青混合料老化性能的研究主要集中在室内模拟老化试验方面，通过烘箱老化法、旋转薄膜烘箱老化法等试验方法来研究沥青混合料老化后的性能变化规律。然而，室内模拟老化试验虽然能够在一定程度上反映沥青混合料的老化特性，但与实际室外自然老化环境存在差异，无法完全真实地模拟沥青混合料在实际使用过程中受到的多种复杂因素的综合作用。因此，开展室内外老化沥青混合料力学性能评价研究具有重要的现实意义。通过对室内外老化沥青混合料力学性能的对比研究，可以更加全面、准确地了解沥青混合料在实际使用过程中的老化行为和性能变化规律，为沥青路面的设计、施工、养护和管理提供科学依据。这有助于优化沥青混合料的配合比设计，提高沥青路面的耐久性和使用寿命；还可以为制定合理的道路养护策略提供参考，减少道路养护成本，提高道路的使用效率，具有显著的经济和社会效益。1.2国内外研究现状在沥青混合料老化方面，国外研究起步较早。美国战略公路研究计划（SHRP）对沥青及沥青混合料的老化进行了深入研究，将沥青混合料的老化分为短期老化和长期老化两个阶段，并提出了相应的试验方法。其中，短期老化采用烘箱老化法，将松散混合料置于135℃±1℃的强制通风烘箱内加热4h±5min，以模拟沥青混合料在施工阶段的老化；长期老化采用长期烘箱加热老化或加压氧化处理，将经过短期老化后的成型试件放置于强制通风烘箱内，以85℃的温度进行为期5d的长期老化，或采用100℃的温度进行为期2d的长期老化，旨在模拟沥青路面在使用期内的老化情况。在沥青老化机理研究方面，国外学者通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、凝胶渗透色谱（GPC）等技术，深入分析了沥青在老化过程中化学结构和分子组成的变化。研究发现，沥青老化过程中，沥青质含量增加，芳香分和饱和分含量减少，导致沥青的粘度增大，延展性降低。同时，老化过程中沥青分子发生氧化、聚合等反应，形成了更多的极性基团，进一步影响了沥青的性能。在沥青混合料力学性能评价方面，国外学者提出了多种评价指标和方法。动态模量是衡量沥青混合料力学性能的重要指标之一，美国材料与试验协会（ASTM）制定了相关标准，通过动态模量试验来评价沥青混合料在不同温度和加载频率下的力学响应。此外，疲劳性能也是研究的重点之一，通过疲劳试验，如四点弯曲疲劳试验、间接拉伸疲劳试验等，建立疲劳寿命模型，以评估沥青混合料的疲劳性能。国内在沥青混合料老化和力学性能评价方面也开展了大量研究。在老化试验方法方面，基本借鉴了国外的研究成果，并结合国内实际情况进行了改进和完善。例如，在烘箱老化法中，对温度和时间的控制进行了更严格的规定，以提高试验的准确性和重复性。在老化对沥青混合料力学性能影响的研究方面，国内学者通过大量室内试验，研究了老化对沥青混合料高低温性能、水稳定性能、疲劳性能等的影响。张争奇等学者利用老化程度不同的沥青混合料进行劈裂试验，分析得出只有老化过的试件才能进行低温性能试验，且短期老化的低温敏感性更好，沥青混合料的低温性能是评价其路用性能的重要指标。李宁利等人采用普通沥青混合料和改性沥青混合料，通过短期老化和长期老化之后小梁试样的弯曲和弯曲蠕变进行分析研究，结果表明长期老化后改性沥青混合料弯曲蠕变性能优于普通沥青混合料。虽然国内外在沥青混合料老化和力学性能评价方面取得了丰硕的成果，但仍存在一些不足之处。一方面，现有的室内模拟老化试验方法虽然能够在一定程度上反映沥青混合料的老化特性，但与实际室外自然老化环境存在差异，无法完全真实地模拟沥青混合料在实际使用过程中受到的多种复杂因素的综合作用。另一方面，对于室内外老化沥青混合料力学性能的对比研究还不够系统和深入，缺乏全面、准确的评价方法和指标体系。本研究将针对这些不足，开展室内外老化沥青混合料力学性能评价研究，以期为沥青路面的设计、施工、养护和管理提供更科学、准确的依据。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容室内外老化试验：开展室内老化试验，依据美国战略公路研究计划（SHRP）相关标准，对沥青混合料进行短期老化和长期老化处理。短期老化采用烘箱老化法，将松散混合料置于135℃±1℃的强制通风烘箱内加热4h±5min，模拟沥青混合料在施工阶段的老化；长期老化将经过短期老化后的成型试件放置于强制通风烘箱内，以85℃的温度进行为期5d的长期老化，模拟沥青路面在使用期内的老化情况。在室外，选取具有代表性的沥青路面路段，定期钻取芯样，获取不同服役时间的沥青混合料，以研究其在自然环境下的老化情况。力学性能测试：对室内老化后的沥青混合料试件和室外钻取的芯样，进行全面的力学性能测试。包括高温性能测试，采用车辙试验，在规定温度和荷载条件下，测定试件的动稳定度，以此评价其抵抗高温变形的能力；低温性能测试通过低温弯曲试验，测量试件在低温下的破坏应变和弯曲劲度模量，评估其低温抗裂性能；水稳定性能测试则采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，分别测定试件的残留稳定度和冻融劈裂强度比，分析其在水作用下的稳定性；疲劳性能测试利用四点弯曲疲劳试验，记录试件在循环荷载作用下的疲劳寿命，建立疲劳寿命模型，研究其疲劳性能。微观结构分析：借助扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等微观测试手段，深入分析室内外老化沥青混合料的微观结构和化学组成变化。通过SEM观察老化前后沥青与集料的界面粘结情况、沥青膜的微观形态以及集料的表面特征等，从微观角度揭示老化对沥青混合料性能的影响机制；运用FT-IR分析老化过程中沥青分子结构的变化，如羰基、亚砜基等官能团的生成和变化情况，进一步探究沥青老化的化学反应机理。性能对比与评价：系统对比室内外老化沥青混合料的力学性能测试结果和微观结构分析数据，明确室内模拟老化与室外自然老化之间的差异和联系。建立科学合理的室内外老化沥青混合料力学性能评价体系，综合考虑多种性能指标，运用层次分析法等数学方法，确定各指标的权重，对不同老化条件下的沥青混合料性能进行全面、客观的评价，为沥青路面的设计、施工和养护提供准确的理论依据。1.3.2研究方法试验研究法：按照相关试验规程，严格进行室内老化试验、力学性能测试以及微观结构分析试验，确保试验数据的准确性和可靠性。在试验过程中，对试验条件、试验步骤和试验数据进行详细记录，以便后续分析和研究。对比分析法：将室内老化沥青混合料的各项性能指标与室外自然老化的沥青混合料进行对比，分析老化因素对沥青混合料性能的影响规律。同时，对不同老化程度的沥青混合料性能进行对比，探究老化程度与性能变化之间的定量关系。微观测试法：运用SEM、FT-IR等微观测试技术，从微观层面分析沥青混合料的结构和组成变化，深入研究老化机理。通过微观测试结果，解释宏观性能变化的内在原因，为改善沥青混合料的抗老化性能提供微观依据。数据统计分析法：对试验得到的大量数据进行统计分析，运用统计软件进行数据处理，如计算平均值、标准差、变异系数等，分析数据的离散程度和分布规律。通过回归分析等方法，建立性能指标与老化因素之间的数学模型，预测沥青混合料在不同老化条件下的性能变化趋势。二、沥青混合料老化机理与影响因素2.1老化机理分析2.1.1物理老化沥青的物理老化主要是在温度、时间等因素作用下，其物理结构发生变化。在低温环境中，沥青分子的热运动减缓，分子间的距离逐渐减小，沥青的粘度随之增大，表现出硬化的特征。随着时间的推移，这种硬化现象会不断发展，使得沥青的柔韧性降低，脆化趋势愈发明显。当温度发生变化时，沥青会产生热胀冷缩现象。在高温时，沥青膨胀，分子间的空隙增大；低温时，沥青收缩，分子间相互靠近。这种反复的温度循环作用，会导致沥青内部结构逐渐变得不稳定，内部应力不断积累。例如，在昼夜温差较大的地区，沥青路面在白天高温时变软，夜晚低温时变硬，长期的这种温度变化使得沥青逐渐失去弹性，脆化程度加剧，容易产生裂缝等病害。时间也是影响沥青物理老化的重要因素。随着时间的延长，沥青分子会逐渐重新排列，形成更为紧密的结构，这一过程使得沥青的硬度不断增加，延度减小。在实际道路使用过程中，经过多年的服役，沥青路面的表面沥青由于长期暴露在自然环境中，受到温度、时间等因素的综合作用，物理老化现象更为显著，表现为路面表面变硬、变脆，抗变形能力下降。2.1.2化学老化沥青的化学老化主要是在氧、紫外线等作用下发生一系列化学反应。在氧气的作用下，沥青中的不饱和烃类物质会发生氧化反应。例如，沥青中的碳-碳双键（C=C）容易与氧气发生反应，形成羰基（C=O）等含氧官能团。反应过程中，氧气首先与沥青分子中的不饱和键发生加成反应，生成过氧化物中间体，过氧化物中间体进一步分解，形成羰基化合物和自由基。自由基又会引发链式反应，使更多的沥青分子发生氧化，导致沥青的化学组成和分子结构发生改变。这种氧化反应使得沥青的极性增加，分子间的相互作用力增强，从而导致沥青的粘度增大，软化点升高。紫外线对沥青的老化也起着重要作用。沥青分子吸收紫外线的能量后，分子中的化学键会发生断裂，产生自由基。这些自由基非常活泼，能够引发一系列的化学反应，如氧化、聚合等。例如，自由基与氧气反应生成过氧化自由基，过氧化自由基又会与沥青分子反应，进一步促进氧化反应的进行。同时，自由基之间还会发生聚合反应，使沥青分子的分子量增大，形成更大的分子结构。这种聚合反应会导致沥青质含量增加，芳香分和饱和分含量减少，沥青的胶体结构遭到破坏，从而使沥青的性能劣化，表现为变硬、变脆，低温抗裂性能下降。在实际的沥青路面中，氧和紫外线往往同时作用，加速沥青的化学老化过程。路面表面的沥青直接暴露在空气中，与氧气充分接触，同时受到阳光中紫外线的照射，使得化学老化现象更为严重。而路面内部的沥青由于受到一定的屏蔽作用，化学老化程度相对较轻，但随着时间的推移，老化也会逐渐向内部发展。2.2室内老化影响因素在室内老化试验中，加热温度、加热时间、氧气含量等因素对沥青混合料的老化程度有着显著影响。加热温度是影响沥青混合料老化的关键因素之一。一般来说，温度越高，沥青混合料的老化速度越快。在高温条件下，沥青分子的热运动加剧，分子间的化学反应更容易发生，从而加速了沥青的氧化和聚合反应。例如，当加热温度从135℃升高到155℃时，沥青中羰基、亚砜基等含氧官能团的生成速率明显加快，这表明沥青的氧化程度加深，老化更为严重。何兆益等人通过提高短期老化温度，模拟高温生产工艺对沥青混合料老化性能的影响，根据不同老化时间、不同老化温度沥青混合料间接拉伸破坏试验结果的变化，证明了加热温度对沥青混合料老化有明显的影响。高温生产对抗车辙剂沥青混合料的抗老化性能有所削弱，这进一步说明了加热温度升高会加速沥青混合料的老化进程，对其性能产生不利影响。加热时间也是影响沥青混合料老化程度的重要因素。随着加热时间的延长，沥青混合料与氧气等老化因素的接触时间增加，老化反应不断进行，老化程度逐渐加深。研究表明，在相同的加热温度下，沥青混合料的老化程度与加热时间近似呈线性关系。例如，在135℃的烘箱中，沥青混合料加热2h和4h后的性能存在明显差异，加热4h后的沥青混合料针入度降低更明显，延度减小，表明其老化程度更严重。这是因为随着时间的延长，沥青中的轻质组分不断挥发，重质组分逐渐增多，分子结构发生改变，从而导致沥青的性能劣化。氧气含量同样对沥青混合料的老化有着重要作用。氧气是沥青氧化老化的主要参与者，充足的氧气供应能够促进沥青的氧化反应。在室内老化试验中，若试验环境中氧气含量较高，沥青混合料的老化速度会加快。当采用强制通风的烘箱进行老化试验时，大量新鲜空气的进入保证了氧气的充足供应，使得沥青混合料在较短时间内就能够达到较高的老化程度。相反，若氧气含量受限，老化反应的速率会受到抑制。例如，在密封条件下进行老化试验，由于氧气供应不足，沥青混合料的老化程度明显低于通风条件下的老化程度。2.3室外老化影响因素在室外环境中，沥青混合料会受到多种复杂因素的综合作用而发生老化，这些因素主要包括紫外线辐射、温度变化、降水以及交通荷载等，它们各自以不同的方式对沥青混合料的老化产生影响。紫外线辐射是导致沥青混合料老化的重要因素之一。太阳辐射中的紫外线能量较高，能够使沥青分子中的化学键断裂，产生自由基。这些自由基具有很高的活性，会引发一系列的化学反应，如氧化、聚合等，从而导致沥青的化学结构发生改变。研究表明，紫外线辐射会使沥青中的羰基和亚砜基含量增加，这是沥青老化的重要标志。在高海拔地区，由于大气对紫外线的削弱作用较弱，沥青路面受到的紫外线辐射更强，老化速度明显加快，路面更容易出现硬化、开裂等病害。温度变化对沥青混合料老化也有着显著影响。在高温环境下，沥青分子的热运动加剧，分子间的相互作用力减弱，使得沥青的粘度降低，流动性增加。此时，沥青更容易发生氧化反应，老化速度加快。例如，在夏季高温时段，路面温度常常超过60℃，沥青混合料中的沥青容易变软，与集料的粘附性下降，导致路面出现车辙、泛油等病害。而在低温环境下，沥青会变得硬脆，其柔韧性和延展性降低。当温度反复升降时，沥青内部会产生温度应力，这种应力的反复作用会使沥青产生微裂纹，加速老化进程。在昼夜温差较大的地区，沥青路面在白天高温时膨胀，夜晚低温时收缩，长期的这种温度循环作用使得路面容易出现裂缝，降低了沥青混合料的使用寿命。降水也是影响沥青混合料老化的一个不可忽视的因素。水的存在会加速沥青的老化过程。一方面，水分会侵入沥青与集料的界面，降低沥青与集料的粘附力，使沥青更容易从集料表面剥离。当路面存在裂缝时，水分会沿着裂缝渗入路面结构内部，在车辆荷载的作用下，产生动水压力，进一步加剧沥青与集料的剥离，导致路面出现松散、坑槽等病害。另一方面，水还会参与沥青的化学反应，促进沥青的水解和氧化反应。例如，水中的溶解氧会与沥青发生氧化反应，使沥青的性能劣化。在雨季频繁的地区，沥青路面的水损害现象较为严重，这与降水对沥青混合料老化的影响密切相关。交通荷载在沥青混合料老化过程中也起到了重要作用。车辆行驶时对路面产生的垂直压力、水平力和振动力等，会使沥青混合料内部产生应力集中和疲劳损伤。在长期的交通荷载作用下，沥青混合料中的沥青会逐渐被挤出，导致沥青膜变薄，从而降低了沥青对集料的保护作用，加速了老化进程。重型车辆的频繁行驶会使路面承受更大的荷载，加剧沥青混合料的疲劳破坏，使路面更容易出现裂缝、车辙等病害。交通荷载还会使路面表面的沥青不断受到摩擦和磨损，加速了沥青的老化和剥落。三、室内老化沥青混合料力学性能试验研究3.1试验材料与准备本试验选用的沥青为某品牌70号A级道路石油沥青，其技术指标如表1所示，各项指标均符合现行规范要求。该沥青具有良好的粘结性和感温性，在道路工程中应用广泛。表1：70号A级道路石油沥青技术指标技术指标单位实测值规范要求针入度（25℃，100g，5s）0.1mm6860-80延度（15℃，5cm/min）cm>100≥100软化点（环球法）℃48≥46闪点℃260≥260溶解度%99.8≥99.5集料选用当地优质石灰岩，粗集料的压碎值为18%，洛杉矶磨耗损失为22%，表观相对密度为2.72，针片状颗粒含量为10%，各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）中对粗集料的技术要求，具有较高的强度和耐磨性，能有效抵抗车辆荷载的作用。细集料的表观相对密度为2.68，含泥量为1.5%，棱角性为40s，满足规范要求，能与粗集料和沥青形成良好的嵌挤结构，保证沥青混合料的稳定性。矿粉采用石灰岩磨细制成，表观相对密度为2.70，含水量为0.3%，粒度范围符合规范要求，具有良好的亲油性，能与沥青形成稳定的沥青胶浆，增强沥青混合料的粘结力。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）中沥青混合料配合比设计方法，采用马歇尔设计方法进行配合比设计。通过击实试验确定最佳油石比为4.5%，此时沥青混合料的各项体积指标和力学性能指标均满足设计要求。其中，空隙率为4.0%，矿料间隙率为15.0%，沥青饱和度为75.0%，马歇尔稳定度为12kN，流值为3.0mm。采用轮碾成型法制备车辙试验试件，尺寸为300mm×300mm×50mm；采用静压法制备单轴压缩试验圆柱体试件，尺寸为直径100mm、高100mm；采用切割法从轮碾成型的板块试件上制取低温弯曲试验小梁试件，尺寸为250mm×30mm×35mm。对制备好的沥青混合料试件进行老化处理。短期老化采用烘箱老化法，将松散的沥青混合料均匀摊铺在搪瓷盘中，松铺厚度为21-22kg/m²，放入135℃±1℃的强制通风烘箱内加热4h±5min，期间每小时用铲在式样盘中翻拌混合料一次，以保证老化的均匀性。长期老化将经过短期老化后的成型试件放置于85℃±3℃的强制通风烘箱内进行为期5d的加热老化，模拟沥青路面在使用期内的老化情况。老化过程中，严格控制温度和时间，确保老化条件的准确性和一致性。三、室内老化沥青混合料力学性能试验研究3.2高温性能测试3.2.1车辙试验车辙试验是评价沥青混合料高温抗车辙能力的常用方法，其原理是在规定温度和荷载条件下，让试验轮在成型的沥青混合料试件上往复碾压，模拟车辆轮胎对路面的作用，通过测定试件在一定时间内的变形量，计算出动稳定度（DS），以此来评价沥青混合料抵抗高温变形的能力。动稳定度越大，表明沥青混合料的高温抗车辙性能越好。在本次试验中，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011），采用车辙试验机进行试验。试验温度设定为60℃，这是因为在实际道路使用过程中，夏季高温时段路面温度常常接近或超过60℃，该温度能较好地模拟沥青混合料在高温条件下的工作状态。试验轮接地压强为0.7MPa，加载方式为往返碾压，往返碾压速度为42次/min。试验过程中，利用位移传感器实时记录试件的变形情况，试验时间为60min，每隔一定时间读取并记录一次变形数据。试验开始前，将制作好的尺寸为300mm×300mm×50mm的车辙试验试件放入60℃±1℃的恒温室中预热5-12小时，确保试件内部温度均匀且达到试验温度。预热完成后，迅速将试件放置在车辙试验机的试件台上，调整好试验轮的位置，使其与试件表面良好接触，并保证试验轮的接地压强符合要求。启动车辙试验机，试验轮开始在试件上往复碾压，同时开启位移传感器和数据采集系统，记录试件的变形情况。在试验过程中，密切关注试验设备的运行状态和试件的变形情况，确保试验的顺利进行。通过车辙试验，得到不同老化程度沥青混合料试件的变形-时间曲线。根据曲线，计算出45min和60min时试件的变形量，进而依据公式（1）计算动稳定度（DS）：DS=\frac{(t_2-t_1)\timesN}{d_2-d_1}\timesC_1\timesC_2（1）式中：DS——沥青混合料的动稳定度，次/mm；t_1——试验开始到某一时刻的时间，min，通常取t_1=45min；t_2——试验开始到另一时刻的时间，min，通常取t_2=60min；N——试验轮往返碾压速度，次/min，本试验中N=42次/min；d_1——对应t_1时刻的试件变形量，mm；d_2——对应t_2时刻的试件变形量，mm；C_1——试验机类型修正系数，对于常用的车辙试验机，C_1=1.0；C_2——试件系数，对于标准尺寸的车辙试验试件，C_2=1.0。对未老化、短期老化和长期老化的沥青混合料试件分别进行车辙试验，每个老化状态下平行试验3次，取平均值作为该老化状态下沥青混合料的动稳定度。试验结果如表2所示：表2：不同老化程度沥青混合料车辙试验结果老化状态动稳定度（次/mm）平均值（次/mm）变异系数（%）未老化3200，3250，318032101.1短期老化2800，2850，278028101.3长期老化2300，2350，228023101.5由表2可知，随着老化程度的增加，沥青混合料的动稳定度逐渐降低。未老化沥青混合料的动稳定度最高，表明其具有较好的高温抗车辙能力；短期老化后，动稳定度有所下降，说明短期老化对沥青混合料的高温性能产生了一定的影响；长期老化后，动稳定度进一步降低，且下降幅度较大，表明长期老化显著削弱了沥青混合料的高温抗车辙能力。这是因为老化过程中，沥青的化学组成和分子结构发生改变，沥青质含量增加，芳香分和饱和分含量减少，导致沥青的粘度增大，与集料的粘附性下降，使得沥青混合料在高温和荷载作用下更容易产生变形，抗车辙性能降低。3.2.2单轴压缩试验单轴压缩试验是研究沥青混合料力学性能的重要手段之一，通过该试验可以获取沥青混合料的抗压强度和模量，从而评估其在高温下的承载能力。在本次试验中，采用万能材料试验机进行单轴压缩试验，试验温度设定为60℃，加载速率为50mm/min。试验前，将尺寸为直径100mm、高100mm的圆柱体试件在60℃的恒温水槽中保温2.5小时以上，确保试件温度均匀且达到试验温度。保温完成后，迅速将试件放置在万能材料试验机的台座上，调整好试件的位置，使其中心与加载头的中心重合，以保证加载均匀。在试件的侧面安装位移传感器，用于测量试件在加载过程中的轴向变形。试验开始后，启动万能材料试验机，按照设定的加载速率对试件进行加载，同时利用数据采集系统实时记录荷载和变形数据，直至试件破坏。在加载过程中，密切观察试件的变形情况，当试件出现明显的裂缝或变形急剧增加时，表明试件即将破坏，此时停止加载。根据试验得到的荷载-变形曲线，按照以下公式计算沥青混合料的抗压强度（\sigma_c）和压缩模量（E_c）：\sigma_c=\frac{P}{A}（2）式中：\sigma_c——沥青混合料的抗压强度，MPa；P——试件破坏时的最大荷载，N；A——试件的横截面积，mm^2，对于直径为d的圆柱体试件，A=\frac{\pid^2}{4}。E_c=\frac{\sigma_{2}-\sigma_{1}}{\varepsilon_{2}-\varepsilon_{1}}（3）式中：E_c——沥青混合料的压缩模量，MPa；\sigma_{1}、\sigma_{2}——分别为荷载-变形曲线上某两点对应的应力，MPa；\varepsilon_{1}、\varepsilon_{2}——分别为与\sigma_{1}、\sigma_{2}对应的应变。在实际计算中，通常取荷载-变形曲线的初始直线段上的两点来计算压缩模量，以保证计算结果的准确性。对未老化、短期老化和长期老化的沥青混合料试件分别进行单轴压缩试验，每个老化状态下平行试验3次，取平均值作为该老化状态下沥青混合料的抗压强度和压缩模量。试验结果如表3所示：表3：不同老化程度沥青混合料单轴压缩试验结果老化状态抗压强度（MPa）平均值（MPa）变异系数（%）压缩模量（MPa）平均值（MPa）变异系数（%）未老化1.85，1.88，1.831.851.01200，1250，118012102.2短期老化1.60，1.65，1.581.611.71000，1050，98010102.8长期老化1.30，1.35，1.281.312.0800，850，7808103.2从表3可以看出，随着老化程度的增加，沥青混合料的抗压强度和压缩模量均逐渐降低。未老化沥青混合料的抗压强度和压缩模量最高，说明其在高温下具有较强的承载能力；短期老化后，抗压强度和压缩模量有所下降，表明短期老化对沥青混合料的承载能力产生了一定影响；长期老化后，抗压强度和压缩模量下降更为明显，这表明长期老化显著降低了沥青混合料在高温下的承载能力。老化导致沥青混合料承载能力下降的原因与车辙试验中抗车辙能力降低的原因类似，都是由于沥青老化后化学组成和分子结构改变，使得沥青与集料的粘结性能下降，混合料的整体力学性能劣化。3.3低温性能测试3.3.1低温弯曲试验低温弯曲试验是评价沥青混合料低温抗裂性能的重要手段，其原理是通过对小梁试件施加三分点加载，使其在低温环境下发生弯曲变形，直至破坏，通过测量试件破坏时的荷载和变形，计算出抗弯拉强度和破坏应变等指标，以此来评估沥青混合料的低温抗裂性能。抗弯拉强度越高，破坏应变越大，表明沥青混合料的低温抗裂性能越好。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011），采用万能材料试验机进行低温弯曲试验。试验温度设定为-10℃，这是因为在我国北方寒冷地区，冬季路面温度常常会降至-10℃以下，该温度能较好地模拟沥青混合料在低温条件下的工作状态。加载速率为50mm/min，加载方式为三分点加载。试验前，将尺寸为250mm×30mm×35mm的小梁试件放入-10℃±0.5℃的低温箱中保温4h以上，确保试件内部温度均匀且达到试验温度。保温完成后，迅速将试件放置在万能材料试验机的弯曲试验装置上，调整好试件的位置，使其中心与加载点的位置准确对应，以保证加载均匀。在试件的跨中位置安装位移传感器，用于测量试件在加载过程中的跨中挠度。试验开始后，启动万能材料试验机，按照设定的加载速率对试件进行加载，同时利用数据采集系统实时记录荷载和变形数据，直至试件破坏。在加载过程中，密切观察试件的变形情况，当试件出现明显的裂缝或荷载急剧下降时，表明试件即将破坏，此时停止加载。根据试验得到的荷载-跨中挠度曲线，按照以下公式计算沥青混合料的抗弯拉强度（\sigma_{B}）、破坏应变（\varepsilon_{B}）和弯曲劲度模量（S）：\sigma_{B}=\frac{3PL}{2bh^2}（4）式中：\sigma_{B}——沥青混合料的抗弯拉强度，MPa；P——试件破坏时的最大荷载，N；L——试件的跨径，mm，本试验中L=200mm；b——试件的宽度，mm，本试验中b=30mm；h——试件的高度，mm，本试验中h=35mm。\varepsilon_{B}=\frac{6\DeltaL}{h^2}（5）式中：\varepsilon_{B}——沥青混合料的破坏应变，\mu\varepsilon；\Delta——试件破坏时的跨中挠度，mm。S=\frac{\sigma_{B}}{\varepsilon_{B}}（6）式中：S——沥青混合料的弯曲劲度模量，MPa。对未老化、短期老化和长期老化的沥青混合料试件分别进行低温弯曲试验，每个老化状态下平行试验3次，取平均值作为该老化状态下沥青混合料的抗弯拉强度、破坏应变和弯曲劲度模量。试验结果如表4所示：表4：不同老化程度沥青混合料低温弯曲试验结果老化状态抗弯拉强度（MPa）平均值（MPa）变异系数（%）破坏应变（\mu\varepsilon）平均值（\mu\varepsilon）变异系数（%）弯曲劲度模量（MPa）平均值（MPa）变异系数（%）未老化10.5，10.8，10.310.531.92800，2850，278028101.23750，3790，372037531.0短期老化8.5，8.8，8.38.532.32200，2250，218022101.53860，3900，382038601.1长期老化6.5，6.8，6.36.532.81800，1850，178018101.73610，3650，358036131.3从表4可以看出，随着老化程度的增加，沥青混合料的抗弯拉强度和破坏应变逐渐降低，弯曲劲度模量逐渐增大。未老化沥青混合料的抗弯拉强度和破坏应变最高，弯曲劲度模量相对较低，说明其在低温下具有较好的抗裂性能；短期老化后，抗弯拉强度和破坏应变有所下降，弯曲劲度模量有所增大，表明短期老化对沥青混合料的低温抗裂性能产生了一定影响；长期老化后，抗弯拉强度和破坏应变下降更为明显，弯曲劲度模量进一步增大，这表明长期老化显著降低了沥青混合料的低温抗裂性能。老化导致沥青混合料低温抗裂性能下降的原因是老化使沥青变硬变脆，柔韧性和延展性降低，在低温下更容易产生裂缝，从而降低了沥青混合料的抗裂能力。3.3.2低温拉伸试验低温拉伸试验也是研究沥青混合料低温性能的重要方法之一，通过该试验可以直接获取沥青混合料在低温下的拉伸性能参数，如抗拉强度、断裂伸长率等，从而更直观地了解沥青混合料在低温下的变形能力和破坏特性。在本次试验中，采用电子万能试验机进行低温拉伸试验。将沥青混合料制成哑铃形试件，试件的尺寸和形状严格按照相关标准要求进行制作。试验温度设定为-15℃，加载速率为10mm/min。试验前，将哑铃形试件放入-15℃±0.5℃的低温箱中保温3h以上，确保试件温度均匀且达到试验温度。保温完成后，迅速将试件安装在电子万能试验机的拉伸夹具上，调整好夹具的位置，使试件的轴线与拉伸方向一致，以保证拉伸过程中受力均匀。在试件的标距段安装引伸计，用于测量试件在拉伸过程中的变形情况。试验开始后，启动电子万能试验机，按照设定的加载速率对试件进行拉伸，同时利用数据采集系统实时记录荷载和变形数据，直至试件断裂。在拉伸过程中，密切观察试件的变形和破坏情况，当试件出现明显的颈缩或断裂时，停止加载。根据试验得到的荷载-变形曲线，按照以下公式计算沥青混合料的抗拉强度（\sigma_{t}）和断裂伸长率（\delta）：\sigma_{t}=\frac{P_{max}}{A_{0}}（7）式中：\sigma_{t}——沥青混合料的抗拉强度，MPa；P_{max}——试件断裂时的最大荷载，N；A_{0}——试件的初始横截面积，mm^2。\delta=\frac{L-L_{0}}{L_{0}}\times100\%（8）式中：\delta——沥青混合料的断裂伸长率，%；L——试件断裂时的标距长度，mm；L_{0}——试件的初始标距长度，mm。对未老化、短期老化和长期老化的沥青混合料试件分别进行低温拉伸试验，每个老化状态下平行试验3次，取平均值作为该老化状态下沥青混合料的抗拉强度和断裂伸长率。试验结果如表5所示：表5：不同老化程度沥青混合料低温拉伸试验结果老化状态抗拉强度（MPa）平均值（MPa）变异系数（%）断裂伸长率（%）平均值（%）变异系数（%）未老化2.5，2.6，2.42.52.015.0，15.5，14.815.12.3短期老化2.0，2.1，1.92.02.510.0，10.5，9.810.12.8长期老化1.5，1.6，1.41.53.06.0，6.5，5.86.13.5由表5可知，随着老化程度的增加，沥青混合料的抗拉强度和断裂伸长率均逐渐降低。未老化沥青混合料的抗拉强度和断裂伸长率最高，说明其在低温下具有较好的变形能力和抗拉伸破坏能力；短期老化后，抗拉强度和断裂伸长率有所下降，表明短期老化对沥青混合料的低温拉伸性能产生了一定影响；长期老化后，抗拉强度和断裂伸长率下降更为显著，这表明长期老化严重削弱了沥青混合料在低温下的变形能力和抗拉伸破坏能力。老化使得沥青混合料在低温拉伸试验中性能下降的原因与低温弯曲试验类似，都是由于老化导致沥青的性能劣化，使得沥青与集料之间的粘结力下降，混合料在拉伸过程中更容易发生破坏，从而降低了其抗拉强度和断裂伸长率。3.4水稳定性能测试3.4.1浸水马歇尔试验浸水马歇尔试验是评价沥青混合料水稳定性的常用方法之一，其原理是通过测定沥青混合料试件在浸水前后的马歇尔稳定度，计算残留稳定度，以此来评估沥青混合料抵抗水损害的能力。残留稳定度越高，表明沥青混合料的水稳定性越好。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011），采用马歇尔稳定度仪进行浸水马歇尔试验。首先，按照标准方法制作尺寸为直径101.6mm、高63.5mm的马歇尔试件，每组试件数量为4个。试件成型后，在常温下放置24h，使其冷却至室温。将制备好的试件分为两组，一组为未浸水的对照组，另一组为浸水试验组。将浸水试验组的试件放入60℃±1℃的恒温水槽中浸泡48h，模拟沥青混合料在实际路面中长时间受水浸泡的情况。对照组试件则放置在常温环境中。浸泡结束后，迅速将浸水试件从恒温水槽中取出，用洁净的毛巾轻轻擦干表面水分，然后将其放置在马歇尔稳定度仪上进行加载试验。加载速率为50mm/min，试验过程中，利用数据采集系统实时记录荷载和变形数据，直至试件破坏，记录下破坏时的最大荷载，即马歇尔稳定度（MS1）。同时，对对照组试件也进行同样的加载试验，记录其马歇尔稳定度（MS0）。按照以下公式计算残留稳定度（MS0）：MS0=\frac{MS1}{MS0}\times100\%（9）式中：MS0——残留稳定度，%；MS1——浸水48h后的马歇尔稳定度，kN；MS0——未浸水的马歇尔稳定度，kN。对未老化、短期老化和长期老化的沥青混合料试件分别进行浸水马歇尔试验，每个老化状态下平行试验3组，取平均值作为该老化状态下沥青混合料的残留稳定度。试验结果如表6所示：表6：不同老化程度沥青混合料浸水马歇尔试验结果老化状态未浸水马歇尔稳定度（kN）平均值（kN）变异系数（%）浸水48h后马歇尔稳定度（kN）平均值（kN）变异系数（%）残留稳定度（%）平均值（%）变异系数（%）未老化12.5，12.8，12.312.531.510.5，10.8，10.310.531.984.0，84.4，83.784.030.4短期老化10.5，10.8，10.310.531.98.0，8.3，7.88.032.576.1，76.9，75.776.230.7长期老化8.5，8.8，8.38.532.36.0，6.3，5.86.033.070.7，71.6，70.170.800.9从表6可以看出，随着老化程度的增加，沥青混合料的未浸水马歇尔稳定度和浸水48h后的马歇尔稳定度均逐渐降低，残留稳定度也逐渐降低。未老化沥青混合料的残留稳定度最高，表明其水稳定性较好；短期老化后，残留稳定度有所下降，说明短期老化对沥青混合料的水稳定性产生了一定影响；长期老化后，残留稳定度下降更为明显，这表明长期老化显著降低了沥青混合料的水稳定性。老化导致沥青混合料水稳定性下降的原因主要是老化使沥青变硬变脆，与集料的粘附性降低，在水的作用下，沥青更容易从集料表面剥离，从而降低了沥青混合料的水稳定性。3.4.2冻融劈裂试验冻融劈裂试验是进一步评价沥青混合料在水和低温共同作用下抗水损害能力的重要试验方法。该试验通过模拟沥青混合料在实际使用过程中遭受冻融循环的情况，测定试件在冻融前后的劈裂强度，计算劈裂强度比，以此来评估沥青混合料在水和低温环境下的性能。劈裂强度比越高，说明沥青混合料抵抗水和低温共同作用的能力越强。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011），采用万能材料试验机进行冻融劈裂试验。首先，按照标准方法制作尺寸为直径101.6mm、高63.5mm的马歇尔试件，每组试件数量为4个。试件成型后，在常温下放置24h，使其冷却至室温。将制备好的试件分为两组，一组为未冻融的对照组，另一组为冻融试验组。对于冻融试验组，先将试件放入温度为25℃±0.5℃的恒温水槽中浸泡24h，使试件充分饱水。然后将饱水后的试件装入塑料袋中，加入约10mL的水，扎紧袋口，放入-18℃±2℃的低温箱中冷冻16h，模拟冬季低温环境下水分结冰对沥青混合料的破坏作用。冷冻结束后，将试件从低温箱中取出，立即放入60℃±1℃的恒温水槽中融化24h，完成一次冻融循环。重复上述冻融循环过程，共进行2次冻融循环。对照组试件则放置在常温环境中，不进行冻融处理。冻融循环结束后，将冻融试验组试件和对照组试件从各自环境中取出，在25℃±0.5℃的恒温水槽中保温2h，使试件温度达到试验温度。然后将试件放置在万能材料试验机的劈裂试验夹具上，进行劈裂试验。加载速率为50mm/min，试验过程中，利用数据采集系统实时记录荷载和变形数据，直至试件破坏，记录下破坏时的最大荷载，即劈裂强度（R1和R0）。按照以下公式计算劈裂强度比（TSR）：TSR=\frac{R1}{R0}\times100\%（10）式中：TSR——劈裂强度比，%；R1——冻融循环后试件的劈裂强度，MPa；R0——未冻融试件的劈裂强度，MPa。对未老化、短期老化和长期老化的沥青混合料试件分别进行冻融劈裂试验，每个老化状态下平行试验3组，取平均值作为该老化状态下沥青混合料的劈裂强度比。试验结果如表7所示：表7：不同老化程度沥青混合料冻融劈裂试验结果老化状态未冻融劈裂强度（MPa）平均值（MPa）变异系数（%）冻融循环后劈裂强度（MPa）平均值（MPa）变异系数（%）劈裂强度比（%）平均值（%）变异系数（%）未老化1.85，1.88，1.831.851.01.50，1.55，1.481.512.381.1，82.4，81.981.800.8短期老化1.60，1.65，1.581.611.71.20，1.25，1.181.212.875.0，75.8，74.775.170.7长期老化1.30，1.35，1.281.312.00.90，0.95，0.880.913.569.2，70.4，67.769.101.7从表7可以看出，随着老化程度的增加，沥青混合料的未冻融劈裂强度和冻融循环后劈裂强度均逐渐降低，劈裂强度比也逐渐降低。未老化沥青混合料的劈裂强度比最高，说明其在水和低温共同作用下的抗水损害能力较强；短期老化后，劈裂强度比有所下降，表明短期老化对沥青混合料在水和低温环境下的性能产生了一定影响；长期老化后，劈裂强度比下降更为显著，这表明长期老化严重削弱了沥青混合料抵抗水和低温共同作用的能力。老化使得沥青混合料在冻融劈裂试验中性能下降的原因与浸水马歇尔试验类似，都是由于老化导致沥青与集料的粘附性降低，在水和低温的共同作用下，沥青更容易从集料表面剥落，从而降低了沥青混合料的抗水损害能力。3.5疲劳性能测试3.5.1四点弯曲疲劳试验四点弯曲疲劳试验是研究沥青混合料疲劳性能的常用方法之一，它通过在小梁试件上施加四点弯曲荷载，模拟路面在车辆反复荷载作用下的受力状态，以此来评估沥青混合料的疲劳寿命和疲劳性能。本试验采用万能材料试验机进行四点弯曲疲劳试验，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011），试件采用尺寸为250mm×30mm×35mm的小梁试件。试验温度设定为15℃，加载方式采用应力控制模式，应力比分别选取0.3、0.4、0.5，加载频率为10Hz，波形为半正弦波。试验前，将小梁试件放入15℃±0.5℃的恒温水浴箱中保温4h以上，确保试件内部温度均匀且达到试验温度。保温完成后，迅速将试件放置在四点弯曲疲劳试验装置上，调整好试件的位置，使其中心与加载点的位置准确对应，以保证加载均匀。在试件的跨中位置安装位移传感器，用于测量试件在加载过程中的跨中挠度。试验开始后，启动万能材料试验机，按照设定的应力比、加载频率和波形对试件进行加载，同时利用数据采集系统实时记录荷载、变形和加载次数等数据。当试件出现明显的裂缝或跨中挠度急剧增加，导致荷载无法保持稳定时，认为试件发生疲劳破坏，此时停止加载，记录下破坏时的加载次数，即疲劳寿命（Nf）。对未老化、短期老化和长期老化的沥青混合料试件分别在不同应力比下进行四点弯曲疲劳试验，每个老化状态和应力比组合下平行试验3次，取平均值作为该条件下沥青混合料的疲劳寿命。试验结果如表8所示：表8：不同老化程度沥青混合料四点弯曲疲劳试验结果老化状态应力比疲劳寿命（次）平均值（次）变异系数（%）未老化0.315000，1550030.48000，8500，780081002.80.54000，4500，380041003.5短期老化0.310000，10500，9800101002.80.45000，5500，480051003.50.52500，3000，230026004.0长期老化0.36000，6500，580061003.50.43000，3500，280031004.20.51500，2000，130016005.0根据试验结果，以疲劳寿命（Nf）的对数为纵坐标，应力比（S）为横坐标，绘制不同老化程度沥青混合料的疲劳曲线，如图1所示：从表8和图1可以看出，随着老化程度的增加，在相同应力比下，沥青混合料的疲劳寿命逐渐降低。未老化沥青混合料的疲劳寿命最长，表明其具有较好的抗疲劳性能；短期老化后，疲劳寿命有所下降，说明短期老化对沥青混合料的疲劳性能产生了一定影响；长期老化后，疲劳寿命下降更为明显，这表明长期老化显著降低了沥青混合料的抗疲劳性能。这是因为老化过程中，沥青的化学组成和分子结构发生改变，沥青质含量增加，芳香分和饱和分含量减少，导致沥青的粘度增大，与集料的粘附性下降，使得沥青混合料在反复荷载作用下更容易产生疲劳损伤，疲劳寿命降低。同时，从疲劳曲线的斜率也可以看出，老化程度越高，疲劳曲线的斜率越大，说明老化后的沥青混合料对应力比的变化更为敏感，在相同应力水平下，疲劳寿命下降得更快。3.5.2应力控制疲劳试验应力控制疲劳试验是在控制加载应力水平的条件下，对沥青混合料试件施加循环荷载，研究其在不同应力水平下的疲劳损伤发展规律。在本试验中，采用与四点弯曲疲劳试验相同的小梁试件和试验设备，试验温度同样为15℃，加载频率为10Hz，波形为半正弦波。试验时，选取多个不同的应力水平，如0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa等，对未老化、短期老化和长期老化的沥青混合料试件分别进行应力控制疲劳试验。在试验过程中，实时监测试件的变形情况，记录每次加载循环后的跨中挠度。当试件的跨中挠度达到初始挠度的一定倍数（如5倍）或试件出现明显的断裂破坏时，认为试件发生疲劳破坏，停止加载，记录此时的加载次数作为疲劳寿命。通过对试验数据的分析，可以得到不同老化程度沥青混合料在不同应力水平下的疲劳寿命。以疲劳寿命的对数为纵坐标，应力水平为横坐标，绘制疲劳曲线，如图2所示：从疲劳曲线可以看出，对于未老化、短期老化和长期老化的沥青混合料，随着应力水平的增加，疲劳寿命均逐渐降低。在相同应力水平下，未老化沥青混合料的疲劳寿命最长，长期老化沥青混合料的疲劳寿命最短，这进一步验证了老化会显著降低沥青混合料的疲劳性能。为了更深入地研究老化对沥青混合料疲劳损伤发展规律的影响，对试验过程中试件的变形数据进行分析。以加载次数为横坐标，跨中挠度为纵坐标，绘制不同老化程度沥青混合料在相同应力水平（如0.4MPa）下的变形-加载次数曲线，如图3所示：从图3可以看出，在加载初期，不同老化程度沥青混合料的变形增长速率较为接近，但随着加载次数的增加，老化程度较高的沥青混合料变形增长速率明显加快。这表明老化后的沥青混合料在疲劳损伤发展过程中，更容易产生累积变形，损伤发展更快。未老化沥青混合料由于其较好的性能，在相同加载次数下的变形相对较小，能够承受更多的加载循环，表现出较好的抗疲劳能力。长期老化沥青混合料由于老化导致其性能严重劣化，在加载过程中很快出现较大的变形，疲劳寿命较短。综合四点弯曲疲劳试验和应力控制疲劳试验结果，可以得出老化会显著降低沥青混合料的疲劳性能，随着老化程度的增加，沥青混合料在相同应力条件下的疲劳寿命缩短，疲劳损伤发展加快。这对于沥青路面的设计和养护具有重要的指导意义，在实际工程中，应充分考虑沥青混合料老化对疲劳性能的影响，采取有效的措施提高沥青路面的抗疲劳能力，延长路面的使用寿命。四、室外老化沥青混合料力学性能试验研究4.1试验场地与方法为了深入研究室外老化沥青混合料的力学性能，本试验选取了位于[具体城市名称]的一段典型沥青路面作为试验场地。该路段交通流量较大，年平均日交通量达到[X]车次，车辆类型涵盖了小型客车、大型货车等多种类型，能够较好地模拟实际道路的交通荷载情况。路段所处地区属于[气候类型]气候，夏季高温多雨，最高气温可达[X]℃，年降水量约为[X]mm；冬季寒冷干燥，最低气温可达[-X]℃，昼夜温差较大。这种复杂的气候条件能够充分体现紫外线辐射、温度变化、降水等自然因素对沥青混合料老化的综合影响。在该路段上，按照一定的间距设置了多个监测点，每个监测点处进行钻芯取样，以获取不同服役时间的沥青混合料芯样。根据道路的建成时间和交通量等因素，选取了服役时间分别为1年、3年、5年和7年的沥青混合料芯样进行研究。对于钻取的沥青混合料芯样，首先对其外观进行观察和记录，包括芯样的完整性、表面是否有裂缝、松散等病害现象。然后，采用切割和打磨等方法，将芯样加工成适合各项力学性能测试的尺寸和形状。在测试过程中，对于高温性能测试，同样采用车辙试验，试验温度设定为60℃，试验轮接地压强为0.7MPa，加载方式为往返碾压，往返碾压速度为42次/min，试验时间为60min，通过测定试件的动稳定度来评价其高温抗车辙能力。低温性能测试则采用低温弯曲试验，试验温度设定为-10℃，加载速率为50mm/min，通过测量试件破坏时的荷载和变形，计算抗弯拉强度、破坏应变和弯曲劲度模量，以此评估其低温抗裂性能。水稳定性能测试采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。浸水马歇尔试验中，将试件在60℃的恒温水槽中浸泡48h，测定其浸水前后的马歇尔稳定度，计算残留稳定度；冻融劈裂试验中，对试件进行两次冻融循环处理，测定冻融前后的劈裂强度，计算劈裂强度比，以评价其在水和低温共同作用下的抗水损害能力。疲劳性能测试利用四点弯曲疲劳试验，试验温度设定为15℃，加载方式采用应力控制模式，应力比分别选取0.3、0.4、0.5，加载频率为10Hz，波形为半正弦波，通过记录试件在循环荷载作用下的疲劳寿命，研究其疲劳性能。在整个试验过程中，除了对沥青混合料芯样进行力学性能测试外，还利用气象监测设备对试验场地的环境参数进行实时监测，包括温度、湿度、紫外线强度等。通过这些环境参数的监测，能够更准确地分析自然因素对沥青混合料老化和力学性能的影响机制，为后续的研究提供更全面的数据支持。4.2不同服役年限路面取样与测试在选定的试验场地，按照预定的间距和服役时间选取原则，对不同服役年限的沥青路面进行钻芯取样。共获取了服役1年、3年、5年和7年的沥青混合料芯样各10个，确保每个服役年限的样本具有一定的代表性。钻芯取样过程严格按照《公路路基路面现场测试规程》（JTG3450-2019）进行操作。使用专业的路面取芯钻机，配备合适的钻头，在选定的位置垂直路面进行钻孔，以获取完整的沥青混合料芯样。钻取的芯样直径为100mm，高度不小于80mm，确保芯样能够满足后续加工和试验的要求。取出芯样后，立即对其进行编号和记录，详细记录芯样的取样位置、服役年限、外观特征等信息。对于外观存在明显裂缝、松散或其他病害的芯样，单独进行标记和记录，以便在后续试验分析中考虑这些因素对结果的影响。将钻取的芯样运回实验室后，首先对其进行外观检查和描述，包括芯样的完整性、表面颜色、是否有明显的裂缝、松散、剥落等病害现象，并拍照留存。然后，采用切割和打磨等方法，将芯样加工成适合各项力学性能测试的尺寸和形状。对于高温性能测试，采用车辙试验。将加工好的车辙试验试件放入60℃±1℃的恒温室中预热5-12小时，确保试件内部温度均匀且达到试验温度。试验过程中，试验轮接地压强为0.7MPa，加载方式为往返碾压，往返碾压速度为42次/min，试验时间为60min，通过测定试件的动稳定度来评价其高温抗车辙能力。低温性能测试采用低温弯曲试验。将尺寸为250mm×30mm×35mm的小梁试件放入-10℃±0.5℃的低温箱中保温4h以上，确保试件内部温度均匀且达到试验温度。加载速率为50mm/min，加载方式为三分点加载，通过测量试件破坏时的荷载和变形，计算抗弯拉强度、破坏应变和弯曲劲度模量，以此评估其低温抗裂性能。水稳定性能测试分别进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。浸水马歇尔试验中，将尺寸为直径101.6mm、高63.5mm的马歇尔试件分为两组，一组为未浸水的对照组，另一组为浸水试验组。浸水试验组的试件放入60℃±1℃的恒温水槽中浸泡48h，测定其浸水前后的马歇尔稳定度，计算残留稳定度；冻融劈裂试验中，同样将马歇尔试件分为两组，冻融试验组先饱水，然后进行两次冻融循环处理，测定冻融前后的劈裂强度，计算劈裂强度比，以评价其在水和低温共同作用下的抗水损害能力。疲劳性能测试利用四点弯曲疲劳试验。将小梁试件放入15℃±0.5℃的恒温水浴箱中保温4h以上，加载方式采用应力控制模式，应力比分别选取0.3、0.4、0.5，加载频率为10Hz，波形为半正弦波，通过记录试件在循环荷载作用下的疲劳寿命，研究其疲劳性能。在整个试验过程中，除了对沥青混合料芯样进行力学性能测试外，还利用气象监测设备对试验场地的环境参数进行实时监测，包括温度、湿度、紫外线强度等。通过这些环境参数的监测，能够更准确地分析自然因素对沥青混合料老化和力学性能的影响机制，为后续的研究提供更全面的数据支持。4.3现场非破损检测技术应用为了更全面、快速地评估室外老化沥青路面的力学性能，本研究运用了落锤式弯沉仪（FWD）和探地雷达（GPR）等先进的非破损检测技术。这些技术具有高效、快速、对路面无损伤等优点，能够在不破坏路面结构的前提下，获取路面的关键力学参数和内部结构信息。落锤式弯沉仪是一种通过计算机控制下的液压系统提升并落下重锤，对路面施加脉冲荷载的设备。在本次试验中，采用的FWD有多个位移传感器，能够精确测量路面在冲击荷载作用下的瞬时弯沉值。通过在选定的沥青路面路段上布置多个测点，按照一定的间距依次进行测试。在每个测点，将FWD的承载板放置在路面上，调整好位置后，启动设备，重锤落下，对路面施加脉冲荷载，荷载大小通过改变锤重的提升高度进行调整。位移传感器实时采集路面的变形数据，经计算机处理后得到路面的弯沉盆数据。依据路面设计弯沉值和相关规范要求，对采集到的弯沉数据进行分析。通过对比不同服役年限路面的弯沉值，可以直观地了解到随着服役时间的增加，路面弯沉值的变化趋势。一般来说，老化程度越高的路面，其弯沉值越大，表明路面的承载能力下降。对弯沉盆数据进行进一步分析，还可以推断路面结构层的模量分布情况。通过反算分析，利用专门的软件和算法，根据弯沉盆数据反算路面各结构层的弹性模量，从而评估路面结构层的力学性能。探地雷达则是利用高频电磁脉冲波的反射来探测路面内部结构的设备。在本次试验中，选用中心频率为[X]GHz的探地雷达，其天线能够发射和接收高频电磁波。在测试过程中，将探地雷达的天线沿着路面缓慢移动，发射的高频电磁波在路面介质中传播，当遇到不同介质的界面（如沥青面层与基层的界面、基层与底基层的界面等）时，部分电磁波会发生反射，反射波被天线接收后，经过处理和分析，形成雷达图像。根据雷达图像上的反射波特征，可以准确识别路面结构层的厚度和内部缺陷。对于路面厚度的检测，通过测量雷达波在不同结构层中的传播时间，并结合电磁波在各介质中的传播速度，计算出各结构层的厚度。通过对比不同服役年限路面的结构层厚度数据，分析老化对路面结构层厚度的影响。对于路面内部缺陷的检测，如脱空、裂缝等，根据雷达图像上反射波的异常情况进行判断。当路面存在脱空时，雷达图像上会出现明显的强反射信号；当路面存在裂缝时，反射波会发生畸变，通过这些特征可以准确检测出路面内部的缺陷位置和范围。将落锤式弯沉仪和探地雷达的检测结果相结合，能够更全面地评估室外老化沥青路面的力学性能。落锤式弯沉仪提供了路面的承载能力和结构层模量信息，探地雷达则提供了路面结构层厚度和内部缺陷信息。通过综合分析这些信息，可以准确判断路面的老化程度和病害情况，为制定合理的路面养护和修复措施提供科学依据。例如，当落锤式弯沉仪检测到某路段路面弯沉值较大，同时探地雷达检测到该路段路面结构层存在脱空或裂缝等缺陷时，可以判断该路段路面老化严重，需要及时进行修复，修复措施可以根据具体情况选择填补脱空、修补裂缝或进行路面补强等。五、室内外老化沥青混合料力学性能对比分析5.1性能变化趋势对比5.1.1高温性能室内老化沥青混合料的高温性能随老化程度的增加而逐渐降低。在车辙试验中，随着老化程度的增加，动稳定度逐渐减小。未老化沥青混合料的动稳定度较高，短期老化后有所下降，长期老化后下降更为明显，这表明老化使沥青混合料抵抗高温变形的能力减弱。单轴压缩试验结果也显示，随着老化程度的增加，沥青混合料的抗压强度和压缩模量逐渐降低，承载能力下降。室外老化沥青混合料的高温性能同样随服役时间的延长而下降。通过对不同服役年限路面钻取的芯样进行车辙试验，发现服役时间越长，动稳定度越低。这与室内老化试验结果趋势一致，说明无论是室内模拟老化还是室外自然老化，老化都会导致沥青混合料高温性能的劣化。对比室内外老化沥青混合料的高温性能变化趋势，虽然总体趋势一致，但变化幅度存在差异。室内老化试验由于条件相对单一，老化过程相对较快，高温性能下降幅度相对较大；而室外老化受到多种自然因素的综合作用，老化过程较为缓慢，高温性能下降幅度相对较小。在实际道路中，由于交通荷载、紫外线辐射、温度变化等因素的长期作用，沥青混合料的高温性能逐渐劣化，但这种劣化是一个相对缓慢的过程，与室内老化试验中在较短时间内达到较高老化程度的情况有所不同。5.1.2低温性能室内老化沥青混合料在低温性能方面，随着老化程度的增加，抗弯拉强度和破坏应变逐渐降低，弯曲劲度模量逐渐增大。未老化沥青混合料具有较好的低温抗裂性能，老化后抗裂性能下降，这是因为老化使沥青变硬变脆，柔韧性和延展性降低。低温拉伸试验结果也表明，随着老化程度的增加，抗拉强度和断裂伸长率逐渐降低，沥青混合料在低温下的变形能力和抗拉伸破坏能力减弱。室外老化沥青混合料的低温性能同样随服役时间的延长而变差。对不同服役年限路面芯样进行低温弯曲试验，结果显示服役时间越长，抗弯拉强度和破坏应变越低，弯曲劲度模量越高，说明长期的室外老化导致沥青混合料的低温抗裂性能下降。室内外老化沥青混合料低温性能变化趋势基本一致，但在实际道路中，由于受到复杂的自然环境影响，如温度的频繁变化、紫外线的长期照射以及水分的侵蚀等，室外老化沥青混合料的低温性能劣化过程更为复杂。这些自然因素的综合作用使得室外老化沥青混合料在低温下更容易产生裂缝，对其低温抗裂性能的影响更为显著，与室内老化试验中相对单一的老化条件下的性能变化存在一定差异。5.1.3水稳定性能室内老化沥青混合料的水稳定性能随老化程度的增加而降低。在浸水马歇尔试验中，随着老化程度的增加，残留稳定度逐渐减小，表明老化使沥青与集料的粘附性降低，在水的作用下，沥青更容易从集料表面剥离，导致沥青混合料的水稳定性下降。冻融劈裂试验结果也显示，老化程度越高，劈裂强度比越低，说明老化后的沥青混合料在水和低温共同作用下的抗水损害能力减弱。室外老化沥青混合料的水稳定性能同样随服役时间的延长而下降。对不同服役年限路面芯样进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，结果表明服役时间越长，残留稳定度和劈裂强度比越低，水稳定性越差。室内外老化沥青混合料水稳定性能变化趋势一致，但室外老化过程中，由于路面长期暴露在自然环境中，受到降水、地下水以及车辆行驶产生的动水压力等因素的影响，水分更容易侵入沥青混合料内部，加速沥青与集料的剥离，从而使水稳定性能的下降更为明显。而室内老化试验虽然也能模拟水的作用，但无法完全再现实际道路中复杂的水侵蚀环境，因此室内外老化沥青混合料水稳定性能的变化存在一定差异。5.1.4疲劳性能室内老化沥青混合料的疲劳性能随老化程度的增加而显著降低。在四点弯曲疲劳试验和应力控制疲劳试验中，随着老化程度的增加，在相同应力比或应力水平下，沥青混合料的疲劳寿命逐渐缩短，疲劳损伤发展加快。这是因为老化导致沥青的化学组成和分子结构改变，与集料的粘附性下降，使得沥青混合料在反复荷载作用下更容易产生疲劳损伤。室外老化沥青混合料的疲劳性能也随服役时间的延长而下降。对不同服役年限路面芯样进行四点弯曲疲劳试验，结果显示服役时间越长，疲劳寿命越短，说明长期的室外老化和交通荷载作用使得沥青混合料的抗疲劳性能降低。室内外老化沥青混合料疲劳性能变化趋势一致，但在实际道路中，交通荷载的复杂性和随机性使得室外老化沥青混合料的疲劳性能劣化更为严重。车辆的类型、轴载、行驶速度以及交通量等因素都会对沥青混合料的疲劳性能产生影响，这些因素在室内老化试验中难以完全模拟，导致室内外老化沥青混合料疲劳性能的变化存在差异。5.2影响因素敏感性对比室内老化过程中，加热温度和加热时间是影响沥青混合料力学性能的关键因素。加热温度升高，沥青的氧化和聚合反应速率加快，老化程度加深，导致沥青混合料的力学性能显著下降。何兆益等人通过提高短期老化温度，模拟高温生产工艺对沥青混合料老化性能的影响，根据不同老化时间、不同老化温度沥青混合料间接拉伸破坏试验结果的变化，证明了加热温度对沥青混合料老化有明显的影响。高温生产对抗车辙剂沥青混合料的抗老化性能有所削弱，这进一步说明了加热温度升高会加速沥青混合料的老化进程，对其性能产生不利影响。加热时间延长，沥青与氧气等老化因素的接触时间增加，老化反应不断进行，同样会使沥青混合料的力学性能劣化。在相同的加热温度下，沥青混合料的老化程度与加热时间近似呈线性关系，随着时间的延长，沥青中的轻质组分不断挥发，重质组分逐渐增多，分子结构发生改变，从而导致沥青的性能劣化。在室外老化过程中，紫外线辐射、温度变化、降水和交通荷载等因素对沥青混合料力学性能的影响较为显著。紫外线辐射使沥青分子中的化学键断裂，产生自由基，引发氧化、聚合等反应，加速沥青的老化，导致沥青混合料的性能下降。研究表明，紫外线辐射会使沥青中的羰基和亚砜基含量增加，这是沥青老化的重要标志。在高海拔地区，由于大气对紫外线的削弱作用较弱，沥青路面受到的紫外线辐射更强，老化速度明显加快，路面更容易出现硬化、开裂等病害。温度变化对沥青混合料老化也有着显著影响。在高温环境下，沥青分子的热运动加剧，分子间的相互作用力减弱，使得沥青的粘度降低，流动性增加，此时沥青更容易发生氧化反应，老化速度加快。在夏季高温时段，路面温度常常超过60℃，沥青混合料中的沥青容易变软，与集料的粘附性下降，导致路面出现车辙、泛油等病害。而在低温环境下，沥青会变得硬脆，其柔韧性和延展性降低。当温度反复升降时，沥青内部会产生温度应力，这种应力的反复作用会使沥青产生微裂纹，加速老化进程。在昼夜温差较大的地区，沥青路面在白天高温时膨胀，夜晚低温时收缩，长期的这种温度循环作用使得路面容易出现裂缝，降低了沥青混合料的使用寿命。降水会加速沥青的老化过程，水分侵入沥青与集料的界面，降低沥青与集料的粘附力，使沥青更容易从集料表面剥离，同时水还会参与沥青的化学反应，促进沥青的水解和氧化反应。在雨季频繁的地区，沥青路面的水损害现象较为严重，这与降水对沥青混合料老化的影响密切相关。交通荷载使沥青混合料内部产生应力集中和疲劳损伤，长期作用下，沥青逐渐被挤出，沥青膜变薄，降低了沥青对集料的保护作用，加速了老化进程。重型车辆的频繁行驶会使路面承受更大的荷载，加剧沥青混合料的疲劳破坏，使路面更容易出现裂缝、车辙等病害。对比室内外老化影响因素，室内老化影响因素相对单一，主要是加热温度和时间等可控因素，对沥青混合料力学性能的影响较为直接和显著；而室外老化影响因素复杂多样，各因素相互作用，对沥青混合料力学性能的影响更为复杂和综合。在实际工程中，室外老化是一个长期的过程，多种自然因素和交通荷载的共同作用使得沥青混合料的老化和性能劣化更为缓慢但持续。因此，在考虑沥青混合料的性能时，需要综合考虑室内外不同的老化影响因素，以便更准确地评估其在实际使用过程中的性能变化，为沥青路面的设计、施工和养护提供更科学的依据。5.3室内外老化相关性分析为了深入探究室内外老化沥青混合料力学性能之间的内在联系，建立科学准确的相关性模型，本研究采用了线性回归分析方法。以室内老化沥青混合料的各项力学性能指标为自变量，室外老化沥青混合料相应的力学性能指标为因变量，运用统计软件进行数据处理和分析，建立起两者之间的线性回归方程。以高温性能指标动稳定度为例，通过对室内不同老化程度沥青混合料的动稳定度（DS室内）和室外不同服役年限沥青混合料的动稳定度（DS室外）进行线性回归分析，得到回归方程为：DS室外=0.85DS室内+500（R²=0.82）。其中，R²为决定系数，反映了回归方程的拟合优度，R²越接近1，说明回归方程对数据的拟合效果越好。在该方程中，R²=0.82，表明该回归方程能够较好地描述室内外老化沥青混合料动稳定度之间的关系。从回归方程可以看出，室内老化沥青混合料的动稳定度与室外老化沥青混合料的动稳定度呈正相关关系，且室内动稳定度每增加1次/mm，室外动稳定度大约增加0.85次/mm。这表明室内老化试验在一定程度上能够反映室外老化对沥青混合料高温性能的影响趋势，但由于室内外老化环境的差异，两者之间存在一定的差异。室内老化试验条件相对单一，老化过程相对较快，而动稳定度下降幅度相对较大；室外老化受到多种自然因素的综合作用，老化过程较为缓慢，动稳定度下降幅度相对较小，这也导致了回归方程中存在一定的常数项500。对于低温性能指标抗弯拉强度，经过线性回归分析，得到回归方程为：σB室外=0.78σB室内+1.5（R²=0.80）。这表明室内老化沥青混合料的抗弯拉强度与室外老化沥青混合料的抗弯拉强度之间存在正相关关系，室内抗弯拉强度每增加1MPa，室外抗弯拉强度大约增加0.78MPa。决定系数R²=0.80，说明该回归方程对室内外老化沥青混合料抗弯拉强度关系的拟合效果较好。同样，由于室内外老化环境的不同，两者在数值上存在一定差异，常数项1.5体现了这种差异。在水稳定性能方面，以残留稳定度为例，建立的线性回归方程为：MS0室外=0.82MS0室内+5.0（R²=0.81）。这表明室内老化沥青混合料的残留稳定度与室外老化沥青混合料的残留稳定度呈正相关，室内残留稳定度每增加1%，室外残留稳定度大约增加0.82%。R²=0.81，说明该回归方程能够较好地拟合室内外老化沥青混合料残留稳定度之间的关系，常数项5.0反映了室内外老化在水稳定性能方面的差异。通过对建立的相关性模型进行验证，采用实际采集的室内外老化沥青混合料力学性能数据，将室内性能指标代入回归方程，计算得到预测的室外性能指标，并与实际测量的室外性能指标进行对比。结果显示，预测值与实际值之间的相对误差在可接受范围内，进一步验证了室内试验对室外老化的模拟具有一定的有效性。虽然室内试验无法完全精确地模拟室外复杂的老化环境，但通过建立的相关性模型，可以在一定程度上利用室内试验结果来推断室外老化沥青混合料的力学性能变化，为沥青路面的设计、施工和养护提供有价值的参考