李 波， 陳占權， 劉 祥，2， 呂鎮(zhèn)鋒,2， 李曉民(.蘭州交通大學 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；2.長安大學 公路學院， 陜西 西安 70064)

SBS改性瀝青施工溫度較高，在瀝青混合料拌和、運輸、攤鋪和碾壓過程中需要更多的能源，而且施工中產(chǎn)生的煙霧和有毒氣體對環(huán)境和施工人員的健康造成了諸多不利影響.實踐表明，采用溫拌技術可以有效地降低SBS改性瀝青的施工溫度，從而減少能源消耗和有害氣體排放.然而，溫拌瀝青施工溫度較低的技術特點使其水穩(wěn)定性受到了很大的挑戰(zhàn)[1].因此，客觀評價溫拌瀝青及其混合料的水穩(wěn)定性有利于該項技術的推廣和應用.目前，研究人員多采用一些宏觀的物理力學方法來評價溫拌瀝青或溫拌瀝青混合料(WMA)的水穩(wěn)定性.總體來看，這些宏觀尺度的試驗得出了很多不同的結論，究其原因是宏觀試驗方法不能區(qū)分WMA體系內的黏附破壞和黏聚破壞[2].研究人員采用以經(jīng)典潤濕理論為基礎的表面能理論對(改性)瀝青及其與集料體系的黏附性做了較多研究，結果也充分證明了表面能理論可以定量地表征瀝青-集料體系的黏附性[3].但是，這些方法仍無法直觀解釋溫拌瀝青體系的水損害機制.

近年來，納米力學技術中的原子力顯微鏡(AFM)有望闡明并量化溫拌瀝青與集料體系的黏附性.Tarefder等[4]的研究結果證明AFM可以測量改性瀝青材料中的黏附力和黏聚力.Nazzal等[5]的研究結果表明溫拌劑可以顯著提升瀝青浸水前的黏附力，除Sasobit外的所有溫拌劑均不會影響瀝青浸水后的黏附力.Lyne等[6]的研究表明，在瀝青內部“蜂狀”周圍區(qū)域和內部測得的黏附力比順滑區(qū)域測得的黏附力小.Yu等[7]的研究表明，基于AFM得到的瀝青微觀結構中不同區(qū)域的黏附性差異有助于建立瀝青化學組成與力學特性的關系.國外學者利用AFM技術在瀝青納觀黏附性表征方面的研究表明，AFM可以將瀝青-集料體系黏附性的內在機理耦合到納米尺度的分析中.近年來，國內部分學者也開始利用AFM對瀝青及改性瀝青的微觀結構進行研究，并取得了一些值得關注的結論[8-9].遺憾的是，國內仍未見到利用AFM來研究瀝青黏附特性的報道.從文獻檢索結果來看，國內外在溫拌劑以及浸水條件對SBS改性瀝青納觀黏附特性的影響方面關注較少，亟待補充與完善.因此，本文嘗試引入基于原子力顯微鏡的力譜技術來研究溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附特性，并對比了添加常用溫拌劑的SBS改性瀝青在浸水前后的納觀黏附力，考察了溫拌劑和浸水條件對SBS改性瀝青納觀黏附特性的影響，以期為客觀評價添加溫拌劑的SBS改性瀝青黏附性、揭示溫拌SBS改性瀝青的黏附機理、保證和改善溫拌SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性提供試驗和理論參考.

1 原材料

選用甘肅路橋養(yǎng)護科技有限公司提供的SBS改性瀝青，其主要技術性能見表1.

表1 SBS改性瀝青性能指標Table 1 Properties of SBS modified asphalt

選取目前中國公路建設中應用較多的有機降黏類(Sasobit)和表面活性類(Evotherm)溫拌劑對SBS改性瀝青進行溫拌改性.Sasobit溫拌劑是德國Sasol Wax公司生產(chǎn)的一種有機降黏型溫拌劑，它是由煤炭氣化后經(jīng)“費-托工藝”制備而成的一種硬質蠟；Evotherm溫拌劑是Mead Westvac公司生產(chǎn)的一種表面活性類溫拌劑，本文使用該系列溫拌劑的第三代產(chǎn)品——Evothern 3G，這種溫拌劑中往往包含表面活性劑、抗剝落劑等成分.

2 研究方案

溫拌SBS改性瀝青制備：將原樣SBS改性瀝青(Control)置于163℃烘箱中加熱約1h后倒入制備容器中，然后按比例將不同摻量的Sasobit或Evotherm 3G溫拌劑緩慢加入SBS改性瀝青中，用機械攪拌機對SBS改性瀝青-溫拌劑混合物低速攪拌2min 后，即制得所需的Sasobit或Evotherm 3G溫拌SBS改性瀝青.其中，Sasobit溫拌劑的摻量分別為瀝青質量的1.5%和3.0%(相應試樣編號為1.5%Sa，3.0%Sa)，Evotherm 3G溫拌劑的摻量分別為瀝青質量的0.5%和1.0%(相應試樣編號為0.5%Ev，1.0%Ev).

AFM試樣成型及浸水處理：參照文獻[5-8]中瀝青AFM試樣制備方法，將瀝青置于163℃烘箱中加熱至牛頓流體狀態(tài)，然后取少量瀝青滴在1cm×1cm大小的載玻片上，使載玻片保持水平并在163℃環(huán)境中靜置15～20min，待瀝青自然平躺之后使其自然冷卻至室溫，即為AFM瀝青初樣，密封保存?zhèn)溆?對初樣進行浸水處理時，首先將其放入25℃水中保持72h，隨后將其取出與未浸水初樣一并放入40℃的通風干燥箱中48h.最后，將2組試樣依次取出，即可用于AFM力譜試驗.

AFM力譜試驗：采用布魯克Icon型原子力顯微鏡，在輕敲模式下對瀝青試樣進行力譜試驗.測試溫度為25℃，所用氮化硅探針和懸臂梁的彈性系數(shù)分別為0.3,40.0N/m.為便于橫向比較，浸水和不浸水AFM試樣應處于同一環(huán)境中進行相同條件的干燥處理.在進行AFM測試時，應在相同測試環(huán)境下，采用相同的探針對同一瀝青的浸水和不浸水試樣先后進行測試.

表面自由能試驗：采用接觸角法獲得瀝青的表面自由能.首先通過躺滴法測定瀝青與蒸餾水、甘油和甲酰胺等測試液體的接觸角，再根據(jù)接觸角和測試液體的表面自由能參數(shù)計算出瀝青的表面自由能，具體方法參見文獻[10].

3 結果與討論

3.1 不浸水條件下溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附特性

圖1，2分別為不浸水條件下溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附力FN,dry以及摻Sasobit的溫拌SBS改性瀝青顯微結構.由圖1可知，相比原樣SBS改性瀝青，摻入Sasobit的溫拌SBS改性瀝青納觀黏附力小幅降低，而不同Sasobit摻量的溫拌SBS改性瀝青納觀黏附力并無顯著差異.原因是摻入Sasobit溫拌劑后，瀝青表面形成的微小孔隙(見圖2)會減小探針與瀝青試樣接觸面積，從而使其納觀黏附力降低[5].然而，隨著Sasobit溫拌劑摻量的增大，Sasobit會在瀝青中形成均勻堅固的晶體結構，導致瀝青與探針間的黏附作用增強[11].因此，在微小孔隙和晶體結構的共同作用下，Sasobit溫拌劑摻量不同的SBS改性瀝青納觀黏附力并無明顯差異.與此不同的是，摻入Evotherm 3G溫拌劑后的SBS改性瀝青納觀黏附力明顯增大，且試樣1.0%Ev的納觀黏附力比試樣0.5%Ev的納觀黏附力進一步增大25.4%.究其原因，作為表面活性物質且包含抗剝落劑成分的Evotherm 3G溫拌劑在加入SBS改性瀝青之后，其中的極性基團指向了瀝青表面，導致瀝青表面極性增強，從而使得瀝青與探針之間表現(xiàn)出較高的黏附性[12].

圖1 不浸水條件下溫拌SBS改性瀝青納觀黏附力Fig.1 Nano-adhesive force of warm mix SBS modified asphalt under dry condition

圖2 摻Sasobit的溫拌SBS改性瀝青顯微結構Fig.2 Microstructure of SBS modified asphalt containing Sasobit warm mix additive(100×)

3.2 基于表面能理論的溫拌SBS改性瀝青納觀黏附力的驗證

為驗證基于AFM測定的瀝青納觀黏附力在表征瀝青黏附特性時的有效性，測得各瀝青試樣與蒸餾水、甘油和甲酰胺等測試液體的接觸角后，計算其表面自由能并建立表面自由能與納觀黏附力的相關性，結果如圖3，4所示.

圖3 溫拌SBS改性瀝青的表面自由能Fig.3 Surface free energy of warm mix SBS modified asphalt

圖4 表面自由能與納觀黏附力的相關性Fig.4 Relationship between surface free energy and nano-adhesive force

由圖3可知，相比原樣SBS改性瀝青，摻入Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青表面自由能減小，而摻入Evotherm 3G溫拌劑的SBS改性瀝青表面自由能呈增大趨勢.對比圖1可以發(fā)現(xiàn)，添加2種溫拌劑的SBS改性瀝青表面自由能與納觀黏附力表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律.從圖4中溫拌SBS改性瀝青的表面自由能和納觀黏附力之間的相關性回歸結果可以看出，這2個指標之間表現(xiàn)出一定的正相關關系，其擬合相關系數(shù)為0.7371，說明瀝青宏觀尺度與納觀尺度之間存在內在聯(lián)系，即基于AFM測定的瀝青納觀黏附力可用于表征瀝青的黏附特性.

3.3 浸水條件下溫拌SBS改性瀝青納觀黏附特性

圖5為浸水條件下溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附力FN,wet.由圖5可見，浸水處理后摻Evotherm 3G溫拌劑的SBS改性瀝青納觀黏附力相對較大，摻Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青納觀黏附力次之，而原樣SBS改性瀝青的納觀黏附力最小.與原樣SBS改性瀝青相比，試樣1.5%Sa的納觀黏附力增大了20.7%，而試樣1.5%Sa與試樣3.0%Sa的納觀黏附力無明顯變化，這與不浸水條件下的情況類似.與原樣SBS改性瀝青相比，摻入0.5%與1.0%Evotherm 3G溫拌劑的SBS改性瀝青納觀黏附力增幅分別為33.1%與41.9%，說明Evotherm 3G溫拌劑對浸水處理后的SBS改性瀝青納觀黏附力影響較大.上述結果表明，浸水條件下溫拌SBS改性瀝青相比原樣SBS改性瀝青的納觀黏附性更好，即溫拌劑有助于改善SBS改性瀝青的抗水損害能力.

圖5 浸水條件下溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附力Fig.5 Nano-adhesive force of warm mix SBS modified asphalt under wet condition

3.4 浸水后溫拌SBS改性瀝青納觀黏附特性的變化

為進一步分析浸水條件對溫拌SBS改性瀝青納觀黏附特性的影響，構建納觀黏附力變化率(AR)作為評價指標來描述改性瀝青在浸水前后納觀黏附特性的變化情況.AR計算公式為：

(1)

根據(jù)式(1)計算的AR值如圖6所示.由圖6可見，5種改性瀝青試樣的AR均為正值，說明經(jīng)過浸水處理后，各SBS改性瀝青的納觀黏附力均比浸水前要小，這與Al-rawashdeh等[13]采用表面能理論和Malladi等[14]采用浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗得到的結果類似.比較各改性瀝青試樣的AR值可知，摻Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青納觀黏附力在浸水前后的變化幅度要明顯小于原樣SBS改性瀝青和摻Evotherm 3G溫拌劑的SBS改性瀝青.試驗結果表明，從黏附特性的角度看，摻Sasobit溫拌劑的瀝青材料本身在浸水過程中具有相對較好的穩(wěn)定性，而這種良好的穩(wěn)定性有利于瀝青混合料體系抗水損害能力的提高.這是因為Sasobit溫拌劑在瀝青中會形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀晶格結構，且Sasobit作為一種有機合成蠟，本身具有較強的疏水性，這兩方面的原因共同導致該類溫拌瀝青在浸水前后的納觀黏附力變化率較小[6].

圖6 浸水前后溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附力變化率Fig.6 Changing rate of nano-adhesive force of warm mix SBS modified asphalt before and after immersion in water

3.5 納觀黏附力試驗結果統(tǒng)計分析

對原樣SBS改性瀝青和摻入不同溫拌劑的溫拌SBS改性瀝青在浸水和不浸水條件下的納觀黏附力進行統(tǒng)計分析，分析比較溫拌劑類型、摻量及是否浸水等因素對SBS改性瀝青納觀黏附力差異的顯著性影響，結果如表2所示.

表2 納觀黏附力試驗結果的顯著性差異分析Table 2 Significant difference of nano-adhesive force test results

Note：N represents no significant difference; S represents significant difference.

由表2可知，原樣SBS改性瀝青與摻Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青在不浸水條件下的納觀黏附力之間并無顯著差異，即Sasobit溫拌劑在不浸水條件下對SBS改性瀝青的納觀黏附特性并無顯著影響.然而，原樣SBS改性瀝青與摻Evotherm 3G溫拌劑的SBS改性瀝青在不浸水條件下的納觀黏附力表現(xiàn)出顯著的差異，表明Evothern 3G溫拌劑及其摻量對SBS改性瀝青的納觀黏附力具有顯著影響.與不浸水條件下不同的是，浸水條件下各改性瀝青試樣的納觀黏附力之間呈不顯著差異的情況明顯增多，說明溫拌劑類型及其摻量對浸水處理后的SBS改性瀝青試樣納觀黏附力造成的差異呈變小的趨勢.此外，不同SBS改性瀝青試樣在浸水前后納觀黏附力的差異性有所不同.其中，原樣SBS改性瀝青以及摻Evotherm 3G溫拌劑的SBS改性瀝青在浸水前后的納觀黏附力具有顯著差異，不同的是，摻Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青在浸水前后的納觀黏附力之間并無顯著差異.

4 結論

(1)采用原子力顯微鏡中的力譜技術可以直觀地得到溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附力，其試驗結果與表面自由能具有較好的相關性.

(2)不浸水條件下，Sasobit溫拌劑能小幅降低SBS改性瀝青的納觀黏附性，而Evotherm 3G溫拌劑能增強SBS改性瀝青的納觀黏附性.

(3)浸水處理后，SBS改性瀝青的納觀黏附力要比浸水前小，而溫拌劑的摻入改善了SBS改性瀝青在浸水后的黏附性能.

(4)摻Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青在浸水過程中具有相對較好的穩(wěn)定性，其浸水前后的納觀黏附力變化率較小.

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