一种分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法

1.本发明属于路面材料性能提升技术领域，具体涉及一种分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法。


背景技术：

2.沥青路面因具有行车平稳舒适、修补方便和可再生利用等优势，目前已成为世界各国道路建设的首选路面类型。然而，在服役期间暴露于复杂环境因素下（如高温、紫外辐射、大气和雨水等），沥青胶结料将持续发生老化反应。同时，受路面某一深度位置的沥青混合料层吸收和阻隔环境因素的影响，其在深度方向向下邻近的沥青混合料层受到的不利影响较小，即导致不同层沥青材料老化的因素类型和强度具有较大的差异。故在一定服役阶段后，自路表面向下不同（深度）层位的沥青混合料具有不同的老化程度。按照老化因素和方式的差异，沥青路面自路表向下可分为三层。其中，第一层中的沥青材料因暴露在太阳辐射下、与大气和热量充分接触，其主要发生热氧老化和紫外老化，故老化程度往往最大；第一层材料吸收的热量向下传递，但因路面内部空气无法流动导致热量扩散缓慢，热量在第二层发生累积，加上外界渗透而来的空气（氧气），第二层中的沥青材料主要发生热氧老化，老化程度次之；第三层中的沥青材料主要发生热老化，其老化的主要原因是第二层材料缓慢传递扩散而来的热量。因老化因素对沥青材料的影响逐层衰减，故第三层以下的沥青混合料老化程度微弱。最终，自路表向下至一定深度，沥青混合料的老化程度具有梯度式下降的规律。
3.为减少沥青混合料生产的工艺和流程，对于上面层和中面层沥青混合料，道路建设过程中往往采用不同的设计级配但同一种沥青胶结料进行生产。而上面层沥青混合料通常采用的是价格昂贵的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（sbs）改性沥青，以避免在服役期间因沥青胶结料老化造成的路面功能失效。然而，中面层的沥青混合料虽有老化，但往往在服役期结束时，中面层内的沥青材料的老化程度仍较低。这在一定程度是上造成了资源和成本的浪费。此外，随着废旧沥青路面再生利用技术的发展和推广应用，达到服役期或功能无法满足需要的沥青路面将进行铣刨回收利用。但因不同层位的沥青混合料的老化程度不同，导致铣刨后旧料的老化程度往往不均匀，这给废旧沥青路面的再生利用带来困难。而且即使通过添加再生剂等手段恢复了旧料的性能，但旧料不均匀的老化程度也将增加再生路面的病害发生风险。另一方面，如果将不同层位的铣刨旧料的按不同的老化程度分别处理，则会大大地影响旧料再生利用的施工效率和进度，从而增加再生利用的成本。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述问题或缺陷，本发明的目的在于提供一种分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法。
5.为了实现本发明的目的，解决目前技术发展的需求和不足，本发明采用的技术方案如下：
一种分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法，包括如下步骤：s1：将待研究沥青路面的上面层和中面层作为整体，以上面层表面为基准纵深向下依次分为第一层材料、第二层材料和第三层材料；s2：对第一层材料，添加按质量百比分计占沥青胶结料质量2%-12%范围内的由防紫外辐射老化剂和防强热氧老化剂复配而成的添加剂；s3：对第二层材料，添加按质量百比分计占沥青胶结料质量1%-8%范围内的防热氧老化剂；s4：对第三层材料，添加按质量百比分计占沥青胶结料质量0.5%-5%范围内的防热老化剂。
6.进一步地，所述的一种分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法，所述步骤s1中：第一层材料厚度占上面层和中面层总厚度的10%-25%、第二层材料厚度占上面层和中面层厚度和的20%-30%，余下的为第三层材料厚度。
7.进一步地，所述的一种分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法，所述步骤s2-s4中的第一层材料、第二层材料和第三层材料所添加的组分是在改性沥青制备过程或者沥青混合料制备过程添加。
8.进一步地，所述的分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法，所述步骤s2中的防紫外辐射老化剂包括紫外吸收剂uv326、层状双金属氢氧化物、炭黑、纳米zno和纳米tio2中的任意一种；所述防强热氧老化剂包括有机膨胀蛭石、有机蒙脱石和有机累托石中的任意一种；且所述防紫外辐射老化剂与防强热氧老化剂复配的质量比为（1:1）~（3:1）；进一步地，当防紫外辐射老化剂包括纳米zno或纳米tio2时，所述纳米zno、纳米tio2为表面亲油型，平均粒径为40nm；进一步地，当复配而成的添加剂中包括层状双金属氢氧化物、炭黑、有机膨胀蛭石、有机蒙脱石、有机累托石的任意一种时，所述组分的粒度均为300目。
9.进一步地，所述的分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法，所述步骤s3中的防热氧老化剂包括irganox1010、抗氧剂168、抗氧剂b215、抗氧剂264和抗氧剂1076中的任意一种。
10.进一步地，所述的分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法，所述步骤s3中的防热老化剂是膨胀蛭石、蒙脱石、累托石中的任意一种，组分的粒度为300目。
11.进一步地，所述的分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法，所述步骤s2中的第一层材料组成成分包括：粗集料、细集料、沥青胶结料、矿粉和防紫外辐射老化剂和防强热氧老化剂。
12.进一步地，所述的分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法，所述步骤s3中的第二层材料组成成分包括：粗集料、细集料、沥青胶结料、矿粉和防热氧老化剂。
13.进一步地，所述的分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法，所述步骤s4中的第三层材料组成成分包括：粗集料、细集料、沥青胶结料、矿粉和防热老化剂。
14.进一步地，所述的分层改性提升沥青路面材料老化性能的方法，所述粗集料和细集料的公称最大粒径为13.2mm，且粗集料和细集料通过率均满足：16mm筛孔尺寸通过率为100.0%、13.2mm筛孔尺寸通过率为95.0%、9.5mm筛孔尺寸通过率为76.5%、4.75mm筛孔尺寸通过率为53.0%、2.36mm筛孔尺寸通过率为37.0%、1.18mm筛孔尺寸通过率为26.5%、0.6mm筛
孔尺寸通过率为19.0%、0.3mm筛孔尺寸通过率为13.5%、0.15mm筛孔尺寸通过率为10.0%、0.075mm筛孔尺寸通过率为6.0%；进一步地，所述沥青胶结料为石油沥青，针入度等级为60~80mm；进一步地，所述矿粉为碱性石灰岩矿粉，且满足以下性能要求：表观相对密度(g/cm3) ≥2.8、粒度《0.6mm含量为100%、粒度《0.15mm含量为90%~100%、粒度《0.075mm含量为70%~100%。
15.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明以沥青路面不同层位材料存在梯度老化行为特性为基础，针对造成各层位沥青材料老化的因素和老化方式特点，对不同层位材料进行分层防老化设计，以期应对梯度老化行为特征，减少道路面层材料生产和建设成本并在路面服役期结束时获得老化程度均匀的旧料，为旧料的再生利用创造良好的基础条件。这对于提升沥青路面性能、降低沥青路面的病害发生风险和延长路面服役寿命具有重要意义，并在废旧沥青路面再生利用过程中有利于降低废旧沥青路面的再生利用难度和节省再生沥青路面建设投资。
具体实施方式
16.为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
17.为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本技术中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。
18.实施例1：某拟建高速公路的路面设计厚度为：上面层厚度4cm，中面层厚度6cm；取适量其道路建设过程中使用的原材料用于后续的试验和测试，样品原材料种类包括粗集料、细集料、沥青胶结料、矿粉等。其中，粗集料和细集料的公称最大粒径为13.2mm，且级配满足下表1；沥青胶结料sk70#石油沥青的针入度等级为68mm；矿粉表观相对密度为2.9 g/cm3、粒度《0.6mm含量为100%、粒度《0.15mm含量为95%、粒度《0.075mm含量为85%。
19.表1 实施例1中粗集料和细集料的颗粒级配数据（1）对沥青路面上面层和中面层所使用的材料进行分层：自路表面向下0~2cm为第一层材料，2~4cm为第二层材料，4~10cm为第三层材料；（2）分别取两份适量第一层材料各组分作为对照组和实验组，其中实验组在改性沥青制备过程添加按沥青胶结料质量百分比计的4.5%表面亲油型纳米zno和1.5%有机膨胀蛭石以提高第一层材料的耐紫外辐射和耐强热氧老化性能，并依据待研究沥青路面上面层材料组成特性分别制备第一层松散材料的对照组和实验组；（3）分别取两份适量第二层材料各组分作为对照组和实验组，其中实验组在改性沥青制备过程添加按沥青胶结料质量百分比计的4%抗氧剂irganox1010以提高第二层材料的耐热氧老化性能，并依据待研究沥青路面上面层材料组成特性制备第二层松散材料的对
照组和实验组；（4）分别取两份适量第三层材料各组分作为对照组和实验组，其中实验组在改性沥青混合料制备过程添加按沥青胶结料质量百分比计的2%膨胀蛭石以提高第三层材料的耐热老化性能，并依据待研究沥青路面中面层材料组成特性制备第三层松散材料的对照组和实验组；（5）取适量所述第一层、第二层和第三层的对照组和实验组松散材料参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程jtg e20-2011》中的t 0734以21~22 kg/m2的松铺密度分别将其放入135℃电热鼓风烘箱中强制通风4小时，每小时用铲子翻拌一次，以模拟沥青混合料在实际拌和、生产和运输过程中发生的老化；（6）取适量上述室内短期模拟老化后的第一层、第二层和第三层松散材料采用轮碾法分别制备各层材料压实后的对照组和实验组，使得各层材料成型厚度满足前述各层材料设计厚度，且压实度与原路面设计厚度一致；（7）在第三层的对照组和实验组成型材料上方依次叠放相应的第二层成型材料和第一层成型材料，之后将叠放的三层成型的对照组和实验组分别放入自制的紫外老化环境箱中，其中紫外辐照强度为60w/m2、紫外老化温度为60℃、紫外老化时长为30天，以模拟一定时期的实际老化过程中太阳辐射、热与氧对沥青路面不同层位材料的影响；（8）参照规程中的t 0727利用旋转蒸发器法对经历30天老化前后所获得的对照组和实验组中第一层、第二层和第三层沥青混合料中的沥青胶结料分别进行抽提回收，之后对对照组和实验组的各层材料老化前后回收的沥青胶结料进行软化点（参照规程t 0606）、布氏旋转粘度（参照规程t 0625）和温度扫描（参照规程t 0628）测试，以获得软化点sp
unaged
和sp
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、布氏旋转粘度v
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以及基于动态剪切流变仪温度扫描模式下获得的复数模量c
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和c
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及相位角pa
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和pa
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，基于所述参数分别计算对照组和实验组的第一层材料、第二层材料和第三层材料中沥青胶结料的软化点增量spi=sp
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－sp
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及布氏旋转粘度变化率vai=v
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、复数模量变化率cai=c
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和相位角变化率pai=pa
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pa
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，并通过软化点增量spi和布氏旋转粘度变化率vai评价对照组和实验组的各层材料的物理老化性能；通过复数模量变化率cai和相位角变化率pai评价对照组和实验组的各层材料的流变老化性能。
20.（9）对照组和实验组的第一层材料、第二层材料和第三层材料老化前后抽提回收的沥青胶结料的软化点、布氏旋转粘度、复数模量和相位角测试结果及其老化指数如表2和表3所示。由表2和表3可知：室内模拟老化环境增加了对照组和实验组各层沥青材料的软化点、粘度和复数模量但降低了沥青材料的相位角；同时，第一层材料的物理和复数模量指数最高，第二层材料次之，第三层材料最低，相位角老化指数结果恰好相反，验证了路面材料的梯度老化行为特性，也明确了各层材料间耐老化性能差异。此外，对照组的第一层、第二层和第三层沥青材料的软化点增量spi、粘度老化指数vai和复数模量老化指数cai均明显高于相应实验组各层材料的老化指数值，相位角老化指数pai结果规律则恰好相反，表明了通过基于沥青路面梯度老化行为进行分层改性进而提升铺面材料老化性能的可行性和有效性。
21.表2对照组和实验组各层沥青材料老化前后的性能测试结果
表3对照组和实验组各层沥青材料的物理和流变老化指数实施例2：某拟建高速公路的路面设计厚度为：上面层厚度4cm，中面层厚度5cm；取适量其道路建设过程中使用的原材料用于后续的试验和测试，样品原材料种类包括粗集料、细集料、沥青胶结料、矿粉等。其中，粗集料和细集料的公称最大粒径为13.2mm，且级配满足下表4；沥青胶结料金陵70#石油沥青的针入度等级为72mm；矿粉表观相对密度为3.1 g/cm3、粒度《0.6mm含量为100%、粒度《0.15mm含量为94%、粒度《0.075mm含量为88%。
22.表4 实施例2中粗集料和细集料的颗粒级配数据
（1）对沥青路面上面层和中面层所使用的材料进行分层：自路表面向下0~2cm为第一层材料，2~4cm为第二层材料，4~9cm为第三层材料；（2）分别取两份适量第一层材料各组分作为对照组和实验组，其中实验组在改性沥青制备过程添加按沥青胶结料质量百分比计的2.5%紫外吸收剂uv326和2.5%有机蒙脱石以提高第一层材料的耐紫外辐射和耐强热氧老化性能，并依据待研究沥青路面上面层材料组成特性分别制备第一层松散材料的对照组和实验组；（3）分别取两份适量第二层材料各组分作为对照组和实验组，其中实验组在改性沥青制备过程添加按沥青胶结料质量百分比计的4%抗氧剂b215以提高第二层材料的耐热氧老化性能，并依据待研究沥青路面上面层材料组成特性分别制备第二层松散材料的对照组和实验组；（4）分别取两份适量第三层材料各组分作为对照组和实验组，其中实验组在改性沥青混合料制备过程添加按沥青胶结料质量百分比计的1.5%膨胀蛭石以提高第三层材料的耐热老化性能，并依据待研究沥青路面中面层材料组成特性分别制备第三层松散材料的对照组和实验组；（5）取适量所述第一层、第二层和第三层的对照组和实验组松散材料参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程jtg e20-2011》中的t 0734以21~22 kg/m2的松铺密度分别将其放入135℃电热鼓风烘箱中强制通风4小时，每小时用铲子翻拌一次，以模拟沥青混合料在实际拌和、生产和运输过程中发生的老化；（6）取适量上述室内短期模拟老化后的第一层、第二层和第三层松散材料采用轮碾法分别制备各层材料压实后的对照组和实验组，使得各层材料成型厚度满足前述各层材料设计厚度，且压实度与原路面设计厚度一致；（7）在第三层的对照组和实验组成型材料上方依次叠放相应的第二层成型材料和第一层成型材料，之后将叠放的三层成型的对照组和实验组分别放入自制的紫外老化环境箱中，其中紫外辐照强度为60w/m2、紫外老化温度为60℃、紫外老化时长为30天，以模拟一定时期的实际老化过程中太阳辐射、热与氧对沥青路面不同层位材料的影响；（8）参照规程中的t 0727利用旋转蒸发器法对经历30天老化前后所获得的对照组和实验组中第一层、第二层和第三层沥青混合料中的沥青胶结料分别进行抽提回收，之后对对照组和实验组的各层材料老化前后回收的沥青胶结料进行软化点（参照规程t 0606）、布氏旋转粘度（参照规程t 0625）和温度扫描（参照规程t 0628）测试，以获得软化点sp
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和sp
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、布氏旋转粘度v
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以及基于动态剪切流变仪温度扫描模式下获得的复数模量c
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及相位角pa
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，基于所述参数分别计算对照组和实验组的第一层材料、第二层材料和第三层材料中沥青胶结料的软化点增量spi=sp
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及布氏旋转粘度变化率vai=v
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、复数模量变化率cai=c
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和相位角变化率pai=pa
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，并通过软化点增量spi和布氏旋转粘度变化率vai评价对照组和实验组的各层材料的物理老化性能；通过复数模量变化率cai和相位角变化率pai评价对照组和实验组的各层材料的流变老化性能。
23.（9）对照组和实验组的第一层材料、第二层材料和第三层材料老化前后抽提回收的沥青胶结料的软化点、布氏旋转粘度、复数模量和相位角测试结果及其老化指数如表5和表6所示。由表5和表6可知：室内模拟老化环境增加了对照组和实验组各层沥青材料的软化点、粘度和复数模量但降低了沥青材料的相位角；同时，第一层材料的物理和复数模量指数最高，第二层材料次之，第三层材料最低，相位角老化指数结果恰好相反，验证了路面材料的梯度老化行为特性，也明确了各层材料间耐老化性能差异。此外，对照组的第一层、第二层和第三层沥青材料的软化点增量spi、粘度老化指数vai和复数模量老化指数cai均明显高于相应实验组各层材料的老化指数值，相位角老化指数pai结果规律则恰好相反，表明了通过基于沥青路面梯度老化行为进行分层改性进而提升铺面材料老化性能的可行性和有效性。
24.表5对照组和实验组各层沥青材料老化前后的性能测试结果表6对照组和实验组各层沥青材料的物理和流变老化指数
实施例3：某拟建高速公路的路面设计厚度为：上面层厚度4cm，中面层厚度6cm；取适量其道路建设过程中使用的原材料用于后续的试验和测试，样品原材料种类包括粗集料、细集料、沥青胶结料、矿粉等。其中，粗集料和细集料的公称最大粒径为13.2mm，且级配满足下表；沥青胶结料gs70#石油沥青的针入度等级为71mm；矿粉表观相对密度为3.0g/cm3、粒度《0.6mm含量为100%、粒度《0.15mm含量为95%、粒度《0.075mm含量为88%。
25.表7实施例3中粗集料和细集料的颗粒级配数据（1）对沥青路面上面层和中面层所使用的材料进行分层：自路表面向下0~2cm为第一层材料，2~5cm为第二层材料，5~10cm为第三层材料；（2）分别取两份适量第一层材料各组分作为对照组和实验组，其中实验组在改性沥青制备过程添加按沥青胶结料质量百分比计的6%炭黑和3%有机累托石以提高第一层材料的耐紫外辐射和耐强热氧老化性能，并依据待研究沥青路面上面层材料组成特性分别制备第一层松散材料的对照组和实验组；（3）分别取两份适量第二层材料各组分作为对照组和实验组，其中实验组在改性沥青制备过程添加按沥青胶结料质量百分比计的5%抗氧剂1076以提高第二层材料的耐热氧老化性能，并依据待研究沥青路面上中面层材料组成特性分别制备第二层松散材料的对照组和实验组；（4）分别取两份适量第三层材料各组分作为对照组和实验组，其中实验组在改性沥青混合料制备过程添加按沥青胶结料质量百分比计的3%累托石以提高第三层材料的耐热老化性能，并依据待研究沥青路面中面层材料组成特性分别制备第三层松散材料的对照组和实验组；（5）取适量所述第一层、第二层和第三层的对照组和实验组松散材料参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程jtge20-2011》中的t0734以21~22kg/m2的松铺密度分别将其放入135℃电热鼓风烘箱中强制通风4小时，每小时用铲子翻拌一次，以模拟沥青混合料在实际拌和、生产和运输过程中发生的老化；
（6）取适量上述室内短期模拟老化后的第一层、第二层和第三层松散材料采用轮碾法分别制备各层材料压实后的对照组和实验组，使得各层材料成型厚度满足前述各层材料设计厚度，且压实度与原路面设计厚度一致；（7）在第三层的对照组和实验组成型材料上方依次叠放相应的第二层成型材料和第一层成型材料，之后将叠放的三层成型的对照组和实验组分别放入自制的紫外老化环境箱中，其中紫外辐照强度为60w/m2、紫外老化温度为60℃、紫外老化时长为30天，以模拟一定时期的实际老化过程中太阳辐射、热与氧对沥青路面不同层位材料的影响；（8）参照规程中的t 0727利用旋转蒸发器法对经历30天老化前后所获得的对照组和实验组中第一层、第二层和第三层沥青混合料中的沥青胶结料分别进行抽提回收，之后对对照组和实验组的各层材料老化前后回收的沥青胶结料进行软化点（参照规程t 0606）、布氏旋转粘度（参照规程t 0625）和温度扫描（参照规程t 0628）测试，以获得软化点sp
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和sp
aged
、布氏旋转粘度v
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和v
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以及基于动态剪切流变仪温度扫描模式下获得的复数模量c
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和c
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及相位角pa
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和pa
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，基于所述参数分别计算对照组和实验组的第一层材料、第二层材料和第三层材料中沥青胶结料的软化点增量spi=sp
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及布氏旋转粘度变化率vai=v
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÷vunaged
、复数模量变化率cai=c
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÷cunaged
和相位角变化率pai=pa
aged
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pa
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，并通过软化点增量spi和布氏旋转粘度变化率vai评价对照组和实验组的各层材料的物理老化性能；通过复数模量变化率cai和相位角变化率pai评价对照组和实验组的各层材料的流变老化性能。
26.（9）对照组和实验组的第一层材料、第二层材料和第三层材料老化前后抽提回收的沥青胶结料的软化点、布氏旋转粘度、复数模量和相位角测试结果及其老化指数如表8和表9所示。由表8和表9可知：室内模拟老化环境增加了对照组和实验组各层沥青材料的软化点、粘度和复数模量但降低了沥青材料的相位角；同时，第一层材料的物理和复数模量指数最高，第二层材料次之，第三层材料最低，相位角老化指数结果恰好相反，验证了路面材料的梯度老化行为特性，也明确了各层材料间耐老化性能差异。此外，对照组的第一层、第二层和第三层沥青材料的软化点增量spi、粘度老化指数vai和复数模量老化指数cai均明显高于相应实验组各层材料的老化指数值，相位角老化指数pai结果规律则恰好相反，表明了通过基于沥青路面梯度老化行为进行分层改性进而提升铺面材料老化性能的可行性和有效性。
27.表8对照组和实验组各层沥青材料老化前后的性能测试结果
表9对照组和实验组各层沥青材料的物理和流变老化指数以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。