道路沥青的流变性能直接影响道路在高温与低温环境下的使用性能及其使用寿命，同时它也是沥青研制与生产中的重要参数，因此对沥青流变性能进行研究具有重要意义。

由于沥青路面拌和与摊铺等施工过程中温度较高而产生的短期老化是影响沥青流变性能主要因素之一^{[1, 2, 3]}，因此研究短期老化作用对沥青流变性能的影响对于改善路面使用性能具有一定意义^{[4, 5, 6]}。目前，国内外学者多采用沥青三大指标以及传统的路用性能指标对其流变性能进行分析，Yamada与Shashidhar等早在1995年就利用软化点和脆点以及车辙和疲劳实验研究了沥青的流变学特性^{[7, 8]}，Huang等在2013年利用沥青三大指标对基质沥青和改性沥青在短期老化后的流变性能进行研究，并得出改性沥青抗老化能力优于基质沥青的结论^{[9, 10]}；部分学者从微观角度分析老化作用的机理及微观变化对沥青流变性能的影响研究，Rojas等在2010年从微观结构特征研究了聚合物改性沥青的流变学性能，得出改性沥青的改性机理并发现聚合物可以有效地提高沥青的高温稳定性^[11]；Xiao等在2013年从微观角度分析研究了老化对橡胶粉(Crumb Rubber,CR)改性沥青结构的影响，并对CR改性沥青的抗老化性能进行评价^{[12, 13]}。

目前将宏观与微观相结合，从微观角度分析宏观现象、从宏观现象表征微观特征，进而评价老化作用对两种改性沥青影响的研究还不多见^{[14, 15]}。本工作通过动态剪切流变(Dynamic Shear Rheological ，DSR)实验和重复蠕变恢复实验(Repeated Creep Recovery Test,RCRT)以及扫描电子显微镜(SEM)将宏观和微观分析相结合，研究了老化作用对相应流变指标在不同温度时的敏感程度及老化作用对沥青流变性能的影响规律。

橡胶粉颗粒具有分子量大、弹性好的特点，作为一种改性剂用于沥青改性既能显著提高沥青的弹性性能，降低沥青的高低温敏感性，又能提高车辆的行驶安全及路面使用寿命，降低噪声影响；同时能使作为固体废弃物的废旧轮胎得到有效利用，达到既环保又经济的效果。

实验用的CR改性沥青是在90^#基质沥青中掺入质量分数为20%的30目胶粉颗粒经湿法加工制成，90^#基质沥青和CR改性沥青的性能参数如表 1所示。CR改性剂是以汽车废旧轮胎为原料采用常温粉碎法加工而成的硫化胶粉，橡胶粉目数为30目。

为了研究短期老化作用对CR改性沥青流变性能的影响，首先通过旋转薄膜烘箱实验(Rolling Thin Film Oven Test,RTFOT)对改性沥青进行短期老化，RTFOT实验时取CR改性沥青试样各35g，装入高140mm，直径64mm的开口玻璃瓶中，盛样瓶插入旋转烘箱中，一边接受以4000mL/min流量吹入的热空气，一边在163℃的高温下以15r/min的速率旋转，老化75min，模拟沥青短期老化(此实验温度与老化时间条件下，能较好地对道路施工过程中的短期老化程度进行模拟)。然后采用Hitachi S-3400NⅡ型扫描电子显微镜(SEM)分别对老化前后的CR改性沥青进行扫描，对其内部结构进行观察分析。最后采用Physical MCR 101型动态剪切流变仪对老化前后的CR改性沥青和SBS改性沥青进行动态剪切流变实验，选用直径为 20mm的底盘，沥青试样厚度为1.5mm，控制应力目标值为120Pa进行实验，以10rad/s的荷载作为扫描频率，温度步长为10℃，对老化前后的CR改性沥青进行20~80℃温度扫描，测定沥青的复数剪切模量G^*和相位角。

图 1(a)，(b)分别为CR改性沥青老化前后的扫描电镜图片。可以看出，老化后沥青在胶粉颗粒表面的包裹情况明显差于老化前，老化前沥青胶浆将胶粉颗粒很好地覆盖，沥青与胶粉颗粒达到较好的共混，而老化后共混程度明显下降，结合情况劣化。

	图1 沥青及改性剂老化前后扫描电镜图片 (a)胶粉改性沥青老化前；(b)胶粉改性沥青老化后； (c)橡胶粉颗粒老化前；(d)90#基质沥青老化后 Fig.1 The SEM photos of asphalt and modifier before and after aging (a)modified asphalt before aging; (b)modified asphalt after aging;(c)CR before aging;(d)90#base asphalt after aging
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CR改性沥青中胶粉颗粒与沥青能够共混一方面是因为橡胶粉的分子受到沥青轻组分的作用发生溶胀和溶解；另一方面是因为胶粉颗粒表面呈网状结构，具有较大的比表面积，可以很好地吸附沥青。沥青老化使其化学组分发生变化^[16]，结合处轻质油分挥发，沥青组分中轻质组分不断聚合成胶质并进一步转化为沥青质，使沥青轻质组分减少，从而使沥青与胶粉颗粒的共混程度下降。图 1(c)为橡胶粉颗粒在老化前的扫描电镜图片，对比图 1(a)与图 1(c)可以看出，经过短期老化作用后CR改性沥青中橡胶粉颗粒的结构并未发生较大的变化，这意味着其受短期老化的影响较小，因此橡胶粉颗粒仍能保持较大的弹性性能。短期老化作用使橡胶粉颗粒与沥青的结合情况劣化，整体性变差，导致沥青的弹性性能降低，但由于橡胶粉颗粒对自身弹性性能的保持，可以使CR改性沥青经过短期老化作用后仍能保持一定的弹性性能。图 1(d)为90^#基质沥青在短期老化后的扫描电镜图片，可以看到老化后的基质沥青外观并无明显变化，但由于短期老化作用使沥青成分中胶质含量降低、沥青质含量增高，在沥青组分中胶质可赋予沥青可塑性、流动性和黏结性，而沥青质决定沥青的温度敏感性、硬度等特性，因此短期老化作用使沥青变得硬脆。由于短期老化对沥青产生的影响大于对橡胶粉产生的影响，而CR改性沥青中橡胶粉颗粒的加入可以降低老化作用对改性沥青整体弹性性能的影响，因此无论短期老化前后，CR改性沥青中橡胶粉颗粒的加入都可以对沥青的流变性能有所改善。

复数剪切模量G^*是沥青抵抗变形的总能力^[17]，图 2为CR改性沥青在老化前后G^*随温度的变化关系。由图 2可知，在60℃之前老化后的G^*值明显大于老化前的G^*值，且都随温度的升高而下降；而在60℃之后两条曲线几乎趋于重合且相对平稳。这是由于沥青在温度相对较低时处于弹性为主的状态，随着温度的升高逐渐向黏流状态转变；因此随温度升高弹性成分减少，黏性成分增多，沥青的抗变形能力相应减小，产生的变形增大，从而导致G^*值减小。在60℃之前短期老化作用使G^*增大，说明老化作用增加了沥青的弹性及硬脆性，这与扫描电镜结果一致，老化作用使沥青结构接近凝胶型结构，弹性增强，延性变差，对沥青的抗变形能力是有利的；60℃之后短期老化前后G^*几乎一致，这主要是由于沥青组分中蜡分含量变化的影响，蜡在沥青中常温下以固体形式存在，高温时融化。在60℃之后随温度的升高蜡含量随之增多，使沥青黏度降低、针入度增加即沥青变软；老化作用使沥青组分中重质成分增加，重质组分(如沥青质)使沥青高温黏度增大导致沥青变硬；两种组分的变化形成中和作用，使得老化作用对CR改性沥青的黏弹性影响较小。由此可知，老化作用引起的沥青组分变化对G^*在60℃前较敏感，在60℃之后不太敏感。

	图 2 老化前后复数剪切模量G*与温度关系曲线 Fig. 2 Relationship curves between G* and temperature before and after aging
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相位角δ是沥青黏性和弹性变形数量的相对指标，δ越小，tanδ越小，沥青越接近于弹性体。图 3为老化作用前后tanδ与温度的变化关系，由图 3可知，短期老化前后tanδ在20～40℃温度范围内均呈接近直线上升，且老化前的值要明显大于老化后的值；40℃之后老化前后tanδ曲线开始逐渐靠拢，到60℃时接近重合。在20～40℃温度范围内随温度的升高，沥青逐渐由弹性态向黏性态转变，导致tanδ呈上升趋势。而老化使沥青组分的胶质向沥青质转变，其流动性变差、延性降低，抵抗变形的能力增强，即老化作用使沥青更接近弹性体。由于蜡在低温时以晶体析出，高温融化。当蜡含量少于某一范围时蜡对沥青性能的影响很小，当含量超出这一范围时影响将十分显著，因此20～40℃时蜡对沥青弹性影响较小，此时主要表现为老化作用的影响使老化前后tanδ值产生较大变化。40℃之后蜡的融化对沥青的影响开始显现，随蜡含量的增加沥青中黏性成分的增大与老化作用产生的硬脆性相抵消，导致两曲线开始靠拢，老化作用影响开始减小；到60℃时两曲线接近重合说明此时由于温度变化引起蜡含量的增加对沥青的影响已经与老化作用对沥青的影响基本相当。这说明在40～60℃时老化作用对相位角的影响逐渐减小，60℃之后老化作用几乎不再对其产生影响。因此老化作用引起的沥青组分变化对相位角δ也是在60℃之前比较敏感，在60℃之后不太敏感。

	图 3 老化前后tanδ与温度关系曲线 Fig. 3 Relationship curves between tanδ and temperature before and after aging
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ε_L/ε_P可一定程度上反映沥青的变形恢复能力，其中ε_L为恢复阶段的初始应变即卸载瞬时应变，ε_P为恢复阶段末未能恢复的残余应变。本工作将100次蠕变恢复中第25,50,75,100次的ε_L/ε_P值进行了分析比较，由于在实际道路工程中夏季沥青路面温度可达60℃左右，因此本工作取55℃和65℃作为实验温度对沥青混合料的重复蠕变能力进行分析。

图 4为变形恢复能力指标ε_L/ε_P随加载次数的变化关系。ε_L/ε_P表示总应变与残余应变的比值，ε_P越小则ε_L/ε_P越大，表明未恢复应变在总应变中所占比例越少即恢复得越多，恢复能力越强。由图 4可知，不同温度老化前后的ε_L/ε_P值都随加载次数增加而减小，说明变形恢复能力随加载次数的增加而减小，这主要是由于随加载次数的增加沥青出现疲劳现象，累积变形逐渐增大，其变形恢复能力越差。

	图 4 老化前后εL/εP与加载次数的关系 Fig. 4 The relationship between εL/εP and loading times before and after aging
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从图 4还可以看出，55℃时短期老化后的恢复能力明显较老化前的恢复能力强，这是由于老化作用使沥青变硬，其抵抗变形能力增强，因此在加载时变形较老化之前会减小，但老化作用并未使沥青中的弹性成分减少，因此其弹性性能并未减弱即加载后恢复的变形并未减少，因此恢复的部分在总变形中的比例增加，其变形恢复能力有所增强。由65℃时老化前后曲线变化可知，其变形恢复能力在老化前后相差较小，这是由于沥青在高温时融化的蜡含量增多，沥青变软，老化又使沥青组分中沥青质含量增加导致沥青变硬，最终表现为对沥青黏弹性影响较小，变形恢复能力变化不大。而55℃时沥青中融化的蜡含量较65℃时少因此沥青相对更硬，加之老化作用使沥青变硬，所以55℃时老化对沥青黏弹性影响较大，变形恢复能力相差较大。这说明55℃时短期老化作用引起的沥青组分变化对变形影响较65℃时要敏感。

累积应变反映沥青在加卸载全过程中的总应变，图 5为老化前后两种温度下胶粉改性沥青加卸载100次的累积应变。可以看出，无论老化前后，65℃时的累积应变都大于55℃时的值。55℃时老化后的累积应变要比老化前小很多，但是在65℃时老化前后的累积应变曲线几乎重合。这是因为一方面温度与老化作用导致沥青组分的变化，使沥青在55℃时相对于65℃时更硬，抵抗变形能力增强；另一方面55℃时沥青老化后的变形恢复能力有所增强，因此55℃时老化后的累积应变降低，而在65℃时短期老化对其影响很小。说明55℃时短期老化对减小胶粉改性沥青的累积变形有所帮助，使其最终的应变值减小，随温度的升高老化作用对沥青的累积应变影响减弱。

	图 5 老化前后累积应变与加载次数的关系 Fig. 5 The relationship between accumulative strain and loading times before and after aging
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为消除延迟弹性变异的影响，采用重复蠕变恢复实验的第50次和第51次结果通过Burgers四单元流变模型拟合得到蠕变劲度的黏性部分G_V评价沥青老化前后流变性能^[18]。图 6为老化前后G_V与温度/应力的关系图。由图 6可知，四种情况下老化后的G_V均比老化前的大，说明老化使CR改性沥青的抗变形能力有所增加。温度为55℃时不同应力下老化后G_V增大的比例明显要大于65℃时的情况，而在温度相同时150Pa和300Pa两种不同应力条件下短期老化的影响很小。这说明CR改性沥青的黏性成分主要受温度和老化作用的影响，应力对其影响相对较弱。

	图 6 老化前后GV与温度/应力的关系 Fig. 6 The relationship between GV and temperature/stress before and after aging
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(1)由扫描电镜对CR改性沥青的微观结构分析可知，老化前沥青与胶粉颗粒达到较好的共混，老化后沥青与胶粉颗粒的结合情况劣化。

(2)老化作用使沥青组分的变化对复数剪切模量G^*、相位角δ的影响均在60℃之前较敏感，60℃之后不太敏感，总体表现为在一定温度区间内随温度的升高老化作用对其影响减弱。

(3)老化作用对沥青的变形恢复能力以及累积应变的影响随温度的升高而减弱；蠕变劲度的黏性部分G_V变化主要受温度和老化作用的影响，应力对其影响相对较小。