基于组学技术的基质沥青老化基因鉴定及老化机理研究

The aging of asphalt is an important factor affecting performance and durability of pavement. Now the research about asphalt aging mainly based on the characterization of macro performance of specific asphalt samples. The results indicated that the change rules of macro performance of aged asphalt are basically identical, however, the ageing resistance of different asphalts show a larger difference. Furthermore, these difference of macro performance and its changes led by aging is the external appearance of complex chemical composition, molecular structure, and its changes and interaction. The molecular mechanism of asphalt aging and the aging mechanism are still unclear due to the extremely complex composition and structure of asphalt. In this paper, the aging law and molecular mechanism of asphalt will be studied using omics techniques andchemometrics approach. Furthermore, the key chemical composition, molecular structure (namely as "ageing genes") which determine the aging performance of asphalt will be confirmed. After, the incidence relation between "ageing genes" and aging performance of asphalt will be revealed. We also seek to set up the prediction model of aging process of asphalt based on "ageing genes". Through this project, it helps in finding out the technical indexes which can reflect the different of asphalt aging resistance in molecular level and revealing the molecular mechanism of asphalt aging. Moreover, this study would guide the rational use of different aging asphalt, the modified of aging resistance of asphalt, and the timing of the asphalt pavement maintenance and regeneration. It has important theoretical significance and practical value to realize the sustainable and green development of highway industry.

沥青老化是影响沥青路面使用性能和耐久性的重要因素。目前关于沥青老化的研究主要基于特定沥青样本宏观性能表征，研究表明沥青老化后宏观性能变化规律基本一致，但是不同沥青的抗老化性差异较大。这些宏观性能指标及其变化是沥青复杂的化学组成、分子结构及其变化和相互作用的反映，然而，沥青老化的分子机制和老化机理尚不清楚。本项目拟采用组学技术和化学计量学方法研究沥青老化的分子机制和机理；鉴定决定沥青老化的关键化学组成、分子结构，即“老化基因”；揭示沥青“老化基因”与老化性能之间的关联关系；建立基于“老化基因”的沥青老化预测模型。本项目的完成将从分子水平上找出能够可靠反映不同沥青抗老化性差异的技术指标，阐明沥青老化的分子机制，指导不同抗老化沥青的合理利用、沥青抗老化性的改良以及沥青路面养护和再生时机的选择，对于实现公路行业的可持续和绿色发展具有重要的理论意义和实践价值。

由于沥青容易发生老化，严重影响路面的使用性能和耐久性。目前基于特定样本的研究认为沥青老化后宏观性能变化规律基本一致，但是不同沥青的抗老化性差异很大。这些差异是沥青化学组成、分子结构及其相互作用的反映，然而，沥青老化的分子机制和老化机理尚不清楚。. 为此，本项目采用组学技术对沥青的老化基因进行了鉴定，探讨了沥青的老化机理。首先，基于化学计量学对18种典型沥青的基本性能、抗老化性能和组成结构进行了统计学分析，建立了相互之间的关联关系，得出了抗老化性能与沥青来源（油源）之间的关系；同时，基于ATR-FTIR和指纹鉴别技术，建立了快速鉴别和评测沥青抗老化性能（油源归属）的方法。其次，选取了不同的油源体系生产的5种典型的AH-70沥青进行老化试验，得到30个沥青样本，考察了老化时间对沥青物理性能的影响；采用四组分分析、XPS、元素分析、红外分析、热重分析对不同老化时间的沥青的组成和结构进行了表征，鉴定出了沥青老化基因；基于偏最小二乘法建立了沥青物理性能和四组分的预测模型。. 研究结果表明，生产沥青的油源决定了沥青的组成，是造成抗老化性能差异的根本原因。利用线性判别分析建立了不同抗老化性能沥青的判别模型，准确率高达100%。采用红外光谱基于ATR-FTIR和指纹判别技术，建立了沥青抗老化性能（油源体系）的快速鉴别方法，准确率高达高达96.2%。沥青老化后发生了芳香分→胶质→沥青质的组成转变，氧元素含量增加，生成了含氧极性官能团（羰基、亚砜），这些变化的组成和官能团结构即为基质沥青的“老化基因”。通过ATR-FTIR技术结合组学技术建立了沥青老化前后物理性能和四组分组成的预测模型，预测精度均达到了94%以上。. 本项目从分子水平上找出了可靠反映不同沥青抗老化性差异的技术指标，阐明了沥青老化的分子机制，能够指导不同抗老化沥青的合理利用、沥青抗老化性的改良以及沥青路面养护和再生时机的选择，对于实现公路行业的可持续和绿色发展具有重要的理论意义和实践价值。