1. 概述
随着交通功能性的丰富及城市景观多样化程度的提高，彩色沥青以其功能性开始大量在城市道路中得到应用；彩色沥青实际非沥青，而是由树脂和有机溶剂混合而成的，拥有独特的材料特性 [1] 。这种路面比传统的柔性路面更加耐用，可以满足一般的交通需求，还可以起到指引交通、划分交通区域、提醒行人等作用，还可以改善路面景观、美化环境 [2] 。
当前的研究和实践表明，当沥青路面暴露在外界环境中，就会发生许多问题，如车辙、裂纹、凹陷和脱落。而这些问题的产生 [3] ，都是由于沥青路面的衰退所导致的。而目前采用的彩色沥青技术参差不齐，在实际工程中，彩色沥青路面的使用寿命一般略小于其设计寿命，导致每年花费在路面维修与重建中的开销巨大 [4] ，一些研究表明，彩色沥青中胶结料的耐久性成为工程所关注的热点问题，主要是对彩色沥青在混合料短期老化与长期老化的考验 [5] 。彩色沥青由于结合料组分特殊，在受到传统的老化过程后，其流变性能等均会发生改变的方式和机理不同于传统黑色沥青，其混合料性能也会受到影响 [6] 。因此，研究彩色沥青和它们的混合物的老化特性，对于预防和修复路面上的车辙和裂缝，以及保持良好的路面状态，都具有重要的意义。
基于此，本文选取彩色沥青与4种不同产地的基质沥青，对比并分析它们的老化性能及其对应的沥青混合料的抗老化性能表现，着重研究彩色沥青在经过不同老化后，是否能够满足普通路面服务标准。这项研究将为道路建设中使用彩色沥青的决策、规划和施工提供重要的参考。
2. 试验材料及方案
2.1. 试验材料
在本次试验中，选择了5种沥青，它们分别是：彩色沥青、埃克森美孚70#基质沥青、东海70#基质沥青、韩国产SK70#基质沥青和塔河70#基质沥青。为了更好地分析和绘制实验结果，将这5种沥青按照编号进行了排序，详情请参见表1。
Table 1. Asphalt used in the test and its numbers
表1. 试验所用沥青及编号
2.2. 试验方案
本文的试验目的为对比彩色沥青与路面工程常用基质沥青的老化前后性能差异，探究彩色沥青在经过不同老化后，是否能够满足普通路面服务标准。
通过对沥青进行两种不同类型的实验，即Rolling Thin-Film Oven (RTFO)和Pressure Aging Vessel (PAV) [7] ，可以更好地了解它们在不同条件下的流动性能。这两种实验可以帮助研究人员更好地理解沥青在不同条件下的生命周期。经过改良的沥青在SHRP (Strategic Highway Research Program)的研究结果的基础上，通过相位角δ和g*/sinδ两个指标来评估其胶结料的流动特性，从而实现了对其老化过程的有效监控。所有的测量参数都必须符合标准化的要求，以便能够最大限度地满足工程的需求。
在沥青混合料试验部分，本文采取对经过拌合后的沥青混合料进行烘箱通风加热老化的方式来模拟实际路面中的老化过程。松散混合料置于通风的163℃烘箱中2小时，模拟拌合及运输中的短期老化；松散混合料置于通风的85℃烘箱中240小时，模拟实际路面服役过程中经历的老化。
2.2.1. 动态剪切流变试验
在这项研发中，使用了TA有限公司的AR 1500ex型动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer, DSR)，以表征改性沥青的粘弹性性质 [8] 。使用了一种应变控制方法，并将改性沥青的原始状态与RTFO短时间老化后的状态分别设定在2%的应变范围内，实验的温度范围在5℃~75℃之间，温差在10℃左右，实验的频率在0.1 Hz~30 Hz之间。
选用PG分级测试，研究了沥青材料的热稳态特征。选用10 rad/s的振荡频率，并将沥青材料的应变值分别设置为10%和12%。其中，转子直径为25 mm，并将沥青材料放置于2个不同的温度(58℃和64℃)中，测试其热稳态特征。
2.2.2. 沥青混合料车辙试验
车辙试验采用了国产车辙试验仪，试验样品的大小是300 mm × 300 mm × 50 mm [8] ，并且根据试验要求，采用了轮碾压实仪来制作车辙试件，并采用0.7 MPa的尺寸200 mm、50 mm的包橡胶实心车轮，并且将试验温度设定为60℃，同时将车辙板的负荷次数设定为42次/min。在(1)中，动稳定度ds (次/mm)可以用来衡量汽轮机的性能，这种测量一般需要持续60 min，直至汽轮机的最大变形量为25 mm。
(1)
在d1的情况下，当荷载施加于t1 (通常是45分钟)时，其永久性变形量可达到毫米级别；d2为荷载作用时间t2 (一般为45 min)时的永久变形，在d2的荷载作用下，永久变形的大小通常在mm之内，单位是毫米。
3. 沥青抗老化性能测试对比
3.1. 沥青DSR高温性能指标老化前后测试对比
本文中本文采用标准PG分级测试对老化前后的彩色沥青与不同来源的基质沥青的高温指标进行测定。使用25 mm转子，在2个不同的温度(58℃和64℃)下，测试沥青路面的车辙因子G*/Sinδ，以此来评估沥青的耐久性。该参数的取值越高，说明沥青的流动变形越小，从而提升了其耐车辙性能。
将不同沥青老化前后的车辙因子G*/Sinδ试验数据列于表2中。
Table 2. Test results of various asphalt rutting factors under different temperatures and aging conditions
表2. 不同温度与老化状态下各种沥青车辙因子试验结果
由图1可以清晰地看到，五种沥青在不同高温条件下的车辙性能指标的差异。
Figure 1. Rutting performance indicators of asphalt under different high temperatures and aging conditions
图1. 不同高温和老化条件下沥青的车辙性能指标
根据图1的数据，当温度从58℃上升到64℃时，不同种类的沥青的车辙因子均会显著下降，而且它们的差距也会越来越大。这暗示，当温度上升时，沥青的粘结强度也会相应地下降，其具体体现在其整体的模量会显著下降，而且其中的弹性成分也会相应地减少。经过研究可以发现，无论是哪种高温条件，沥青的车辙性质都有相似的变化趋势。而且，当沥青受到更多的年龄和环境的侵蚀时，它的车辙性质会急剧增强，特别是长时间的侵蚀会更为突出。
通过对比彩色沥青与各类基质沥青，可以发现，原样沥青的抗车辙性能排序有：ES > DH > SK > 彩色沥青 > TH，经过老化后，沥青的车辙因子均发生较大变化，经过长期老化后的沥青的抗车辙性能排序有：ES > SK > DH > 彩色沥青 > TH。从变化差异中，可以得到各沥青抗老化性能的比较排序。整体来看，长期老化PAV对沥青性能的影响远远大于短期老化。从车辙因子的增长幅度来看，经过PAV后的彩色沥青的车辙因子相对于原样沥青，其增长幅度在本文所选5种沥青中是最小的(58℃时为6.91倍，64℃时为5.52倍)，TH沥青与彩色沥青相近，DH沥青排在其后，而ES沥青与SK沥青对老化的敏感性最大。综上，无论是在高温抗车辙性能方面，还是在对于老化的敏感度方面的表现，彩色沥青的性能均能够达到路面普通基质沥青的相同水平，满足路面正常使用要求。
在粘弹性力学中，δ是一个重要的参数，它可以用来表示材料的应力和应变响应。完全弹性材料的δ = 0，表明它没有滞后性；而完全粘性的材料的δ = 90˚，表明它具有良好的弹性和韧性；而粘弹性材料的δ为0˚~90˚，表明它具有良好的弹性和韧性。在沥青材料中，相位角的变化可以反映出其弹性和粘性特性之间的差异。表3与图2列出了彩色沥青与4种基质沥青在不同温度和不同老化状态下相位角测试结果。
Table 3. Test results of various asphalt phase angle under different temperatures and aging conditions
表3. 不同温度与老化状态下各种沥青相位角试验结果
Figure 2. Changes in phase angle of asphalt under different temperatures and aging conditions
图2. 不同温度和老化条件下沥青的相位角变化情况
根据研究表明，当沥青的温度升高时，其相位角会逐渐降低，这表明老化会增强其弹性组成，从而改善其强度。此外，当沥青的相位角增大时，它的弹性组成也会降低，因此，能够从老化前后的相位变化情况，准确地判断出各种沥青的老化敏感性。
通过对比58℃与64℃两种温度下的相位角可以发现，随着温度的升高，沥青在各种老化状态下的相位角均有所增加。说明温度越高，沥青中弹性部分所占的比例越低，即沥青在高温条件下表现出的粘性特征更加明显。此外，在较高温度下，彩色沥青、东海基质沥青、SK基质沥青和塔河沥青的老化后的相位角下降幅度变小，说明除了ES基质沥青外，老化作用对沥青粘弹性比例的影响作用在较高温度下会变得不明显。
经过对比可以发现，与基质沥青相比，彩色沥青的老化前后的相位角都更大，这表明它更加柔软，在相同的高温条件下，它更容易出现车辙问题。然而，总的来说，彩色沥青的抗车辙性能要优于塔河沥青，甚至可以与SK基质沥青的抗车辙性能相媲美。
3.2. 沥青混合料抗车辙性能老化前后测试对比
将彩色沥青与4种基质沥青的车辙试验结果列于表4中，主要对比60 min时的车辙值与动稳定度DS值。
Table 4. Comparison of results of various asphalt rutting tests
表4. 各种沥青车辙试验结果对比
将彩色沥青与4种基质沥青混合料的未经老化、经短期与长期老化后混合料试件的动稳定度数据整理如图3所示。
Figure 3. Comparison of dynamic stability indicators of various asphalt mixtures after different aging conditions
图3. 各种沥青混合料经不同老化后动稳定度指标比较
由图3可知，对于各种沥青混合料来说，老化对于其抗车辙性能有不利影响，长期老化尤为明显。动稳定度数值越大，说明该种沥青混合料的高温抗车辙性能越好。对比彩色沥青和不同种基质沥青，可以看出，未老化的各沥青混合料高温抗车辙性能排序为：ES沥青 > SK沥青 > 东海沥青 ≈ 彩色沥青 > 塔河沥青。通过对比经老化后的抗车辙性能，能够看出，SK基质沥青混合料经长期老化过后，DS值下降的比例最大，彩色沥青和ES基质沥青混合料相近，东海沥青混合料次之，而塔河沥青混合料的DS值下降的比例最小。这说明，在这5种沥青混合料中，在高温性能对老化敏感度方面的表现，塔河沥青 > 东海沥青 > 彩色沥青 ≈ ES沥青 > SK沥青。
4. 结论
研究使用了两种不同的实验方法来评估彩色沥青和4种不同类型的沥青在不同时间和条件下的性能。这些实验包括动态剪切流变实验和沥青混凝土路面实际测量。主要有如下结论：
1) 通过对不同老化程度的沥青进行DSR试验，发现相对于其他基质沥青，彩色沥青的车辙因子指标对于长期老化的敏感度最低，可认为其高温抗车辙性能在抵抗老化影响这一方面是具有突出优势的。
2) 彩色沥青的抗车辙性能优于塔河沥青，接近于SK基质沥青的抗车辙水平，可满足正常路面使用标准。在较高温度下，除了埃克森美孚70#基质沥青，短期和长期老化作用对本文中所用的彩色沥青与基质沥青粘弹性比例的影响会减弱。
3) 老化对于沥青混合料的抗车辙性能有不利影响，长期老化尤为明显。车辙试验表明，塔河沥青的高温性能最优，其次是东海沥青，再次是彩色沥青 ≈ ES沥青，最后是SK沥青。