(1．蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2．甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 前 言

瀝青作為一種重要的筑路和防水材料，在工程建設中扮演著重要的角色，世界范圍內約80%路面為瀝青路面，但瀝青路面在使用過程中，受空氣、水分、陽光等自然因素以及行車荷載作用，易發(fā)生老化，導致瀝青混合料產生開裂、坑槽等病害。這些老化的廢舊瀝青混合料中含有豐富的瀝青和集料資源，在公路養(yǎng)護維修過程中具有很高的利用價值，近年來對廢舊瀝青混合料進行再生利用已經逐漸成為公路維修建設的常規(guī)手段，但目前對瀝青再生的研究大多以相容性理論和組分調節(jié)理論為依據[1-2]，集中于再生瀝青及瀝青混合料的路用性能研究，如張清平[3]對現場熱再生瀝青混合料的各項性能指標及再生工藝進行了系統(tǒng)研究；Zaumanis等[4]研究了六種再生劑對再生瀝青混合料的路用性能影響；Junan等[5]提出了通過動態(tài)剪切流變試驗確定再生劑最佳摻量的方法。

材料的微觀結構對其宏觀性能有深刻影響，因而國內外學者越來越注重瀝青化學組分、微觀結構方面的研究。原子力顯微鏡(AFM)能從三維角度觀測材料表面微觀結構和力學性能，具有較高的分辨率，且制樣簡單，目前已逐漸在瀝青研究中廣泛應用。早在上世紀末，Loeber等[6]率先使用AFM研究了瀝青的微觀結構，發(fā)現并命名了“蜂狀結構”，認為“蜂狀結構”的形成源于瀝青質的團聚。Masson等[7]的研究認為蜂狀結構與瀝青中金屬元素鎳和釩的含量有關，且瀝青分子稠環(huán)結構對微觀結構有重要影響。Gong等[8]量化研究了瀝青微觀結構與其化學組分之間的關系，發(fā)現瀝青AFM圖像粗糙度與瀝青極性組分和非極性組分的比例有較高相關性。Nahar等[9,10]研究了瀝青老化及再生過程中的微觀形貌變化，且最先觀察到老化瀝青與新瀝青的微觀融合過程。楊軍等[11]通過AFM研究，分析了瀝青中蜂狀結構的形成機理。王明[12]研究了老化過程中瀝青微觀結構與流變性能之間的聯系。張正宇[13]的研究表明，瀝青的紅外光譜官能團特征峰與微觀結構之間存在一定關系。但國內鮮有利用AFM研究再生瀝青的報道。本研究采用動態(tài)剪切流變和AFM，研究了瀝青老化和再生過程中的流變特性和微觀結構變化，以期探索瀝青再生過程中微觀結構演變及其與宏觀性能之間的聯系。

2 實 驗

2.1 原材料

2.1.1基質瀝青 選用由甘肅省常用的SK90#基質瀝青，其主要技術性能見表1。

表1 瀝青性能指標Table 1 Properties of SK90# asphalt binder

2.1.2再生劑 研究中用到三種不同的再生劑，其主要技術性能見表2。

表2 再生劑性能指標Table 2 Properties of the rejuvenators

2.2 實驗方法

2.2.1老化及再生瀝青制備 本研究中的老化瀝青采用實驗室人工模擬老化方法獲得，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)規(guī)定的方法，在163℃±0.5℃溫度下進行85min旋轉薄膜烘箱老化試驗(RTFOT)，模擬瀝青在拌合、攤鋪過程中發(fā)生的短期熱氧老化，然后將RTFOT后的瀝青在100±0.5℃，2.1±0.1MPa壓力下進行20h壓力老化試驗(PAV)，模擬路面使用過程中的長期老化，即獲得老化瀝青。

將老化瀝青在145℃烘箱中加熱40min，加入設計摻量再生劑，用攪拌機在145℃條件下攪拌5min，即制得再生瀝青樣品。文中所有再生劑摻量均為8%。

2.2.2動態(tài)剪切流變試驗 采用AR-1500ex動態(tài)剪切流變儀進行動態(tài)剪切試驗。選用直徑為25mm的鋼轉子，間隙為1mm，以應變控制加載模式得到64℃下的車轍因子(G*/sinδ)，并進行頻率掃描，溫度40～70℃，頻率0.1～10Hz[14-15]。

2.2.3AFM試驗 AFM測試要求樣品表面光滑，采用加熱自流平方法制備AFM樣品。將約0.1g瀝青滴在1×1cm的玻璃片上，加熱至115℃保持5min，瀝青融化為液體之后會在玻璃片表面自流平，然后自然冷卻至室溫，形成一層光滑的瀝青膜，將制得的樣品移至封閉絕塵容器中保存24h之后，即可用于AFM測試。

使用Bruker Dimension IconAFM，Bugdet Sensors Tap300Al-G探針，在Peak Force Tapping Quantitative Nanomechanical(PFT QNM)模式下進行樣品形貌及力學性質測試，掃描頻率為1.0Hz，掃描范圍為30×30μm，分辨率為512×512，試驗溫度為25℃。

3 結果與討論

3.1 動態(tài)剪切流變試驗結果

圖1為G*/sinδ(64℃)試驗結果；圖2為40、50、60、70℃條件下的頻率掃描試驗結果，根據時溫轉換效應，通過水平位移轉換后得到的40℃的主曲線。

圖1 G*/sin δ試驗結果Fig.1 Results of G*/sin δ test

由圖1和圖2可知，老化過程使瀝青復數模量(G*)和車轍因子增大、相位角(δ)降低，原樣瀝青G*/sinδ為1.33kPa，經老化過后G*/sinδ上升到4.92kPa，由“柔而軟”變得“剛而脆”，與以往的研究結果一致[15]；再生劑的加入對老化瀝青的流變性能產生了明顯的影響，復數模量降低、相位角增大，再生劑A、B、C分別使G*/sinδ降低至1.19、1.08及3.32kPa，這表明再生劑A和B對老化瀝青軟化效果要明顯高于再生劑C，這是由再生劑的粘度差異所致。加入再生劑A和B的再生瀝青復數模量和原樣瀝青非常接近，但相位角卻介于原樣瀝青與老化瀝青之間，這是由于瀝青在老化過程中發(fā)生一些不可逆的化學反應，長鏈分子增多，雖然加入再生劑可以一定程度上調節(jié)瀝青組分，但并不能從根本上改變?yōu)r青的分子鏈結構，故再生劑的引入對相位角的改善效果有限[16]。加入再生劑C對低頻段的復數模量影響程度高于中高頻段，即根據時溫等效原理，加入再生劑C對瀝青的高溫性能影響程度大于對中溫性能的影響。加入再生劑A和B瀝青的復數模量曲線較為接近，與老化瀝青大致平行，且非常接近原樣瀝青，但均在高頻段低于原樣瀝青、低頻段高于原樣瀝青，表明加入再生劑A和B的再生瀝青中高溫段的流變性能均優(yōu)于原樣瀝青。

圖2 頻率掃描試驗結果 (a)復數模量;(b)相位角Fig.2 Results of the frequency scanning tests (a)complex modululs;(b)delta

3.2 原子力顯微鏡試驗結果

將原樣瀝青、老化瀝青及再生瀝青在相同條件下進行AFM試驗，得到其微觀形貌如圖3所示。從圖可見，SK瀝青微觀形貌主要由黑白相間的蜂狀結構和基質相組成，經過人工模擬老化之后，這些蜂狀結構的尺寸明顯變小，與Nahar等[9]、楊軍等[11]的研究結果一致。在老化瀝青中添加再生劑后，這些蜂狀結構尺寸有所增大。根據現階段的研究，對蜂狀結構的成因有兩種觀點，一種認為瀝青質是構成蜂狀結構的主要成分，另一種認為蜂狀結構的形成是因為瀝青中的蠟成分結晶導致[17]。

圖3 瀝青試樣的形貌圖(a)原樣瀝青;(b)老化瀝青;(c)添加再生劑A的老化瀝青;(d)添加再生劑B的老化瀝青；(e)添加再生劑C的老化瀝青
Fig.3 Topographic images of the asphalt samples(a)Virgin asphalt;(b)Aged asphalt;(c)Aged asphalt with rejuvenator A;(d)Aged asphalt with rejuvenator B;(e)Aged asphalt with rejuvenator C

為進一步精確統(tǒng)計老化和再生過程中的蜂狀結構變化，采用Image Pro Plus(IPP)圖像分析軟件對試驗結果進行了處理分析。圖4為經過處理后的原樣瀝青試樣形貌圖。可見，經過處理后的蜂狀結構十分便于區(qū)分，有助于形狀特征參數的數理統(tǒng)計。由IPP軟件處理得到的各試樣瀝青微觀蜂狀結構特征參數列于表3，分析可知，經過老化后，蜂狀結構總面積比例由原來的8.32%下降至3.97%，平均面積從0.17μm2降低至0.09μm2，最大面積從1.41μm2降低至0.74μm2。加入再生劑后，各試樣的微觀形貌特征參數均有所回升，回升程度因再生劑種類而異，其中添加再生劑A的瀝青微觀蜂狀結構總面積比例達到6.02%，最接近原樣瀝青，且其蜂狀結構平均面積達到0.30μm2，遠超過原樣瀝青；添加再生劑B和C的瀝青蜂狀結構總面積提升程度相對較低，但其蜂狀結構平均面積恢復到與原樣瀝青同等水平。

圖4 IPP軟件處理后的原樣瀝青試樣形貌照片Fig.4 Topographic images of the virgin asphalt sample processed by IPP software

表3 瀝青微觀形貌圖蜂狀結構特征參數Table 3 Characteristic parameters of bee structure in the topographic images

以Nanoscope Analysis軟件提取單個蜂狀結構高度進行分析(如圖5)，可知蜂狀結構高度呈波浪形變化，有明顯的“波峰”、“波谷”、“振幅”等特征，且高度向中點附近遞增。對比不同試樣的AFM形貌圖中的蜂狀結構后，發(fā)現其蜂狀結構的高度有明顯變化，由于瀝青微觀形貌中基質相高度變化很小，蜂狀結構的高度是影響形貌高度分布的決定性因素，故使用Nanoscope Analysis軟件中的“Depth”功能對形貌圖高度進行統(tǒng)計分析，可近似表征蜂狀結構的高度變化，結果見圖6。從圖可見，原樣瀝青形貌高度集中分布在61nm附近，老化瀝青試樣的形貌高度則分布于45nm附近，表明老化后蜂狀結構高度發(fā)生了下降；加入再生劑后，微觀形貌高度明顯提升，加入再生劑A、B、C的再生瀝青試樣形貌高度分別分布于71nm、72nm和57nm附近。產生此現象的主要原因是瀝青中的蜂狀結構受瀝青的組分影響，瀝青老化后，非極性組分(飽和分、芳香分)含量減少，極性組分(瀝青質、膠質)比例增大，導致蜂狀結構數量、面積、高度等參數下降；加入再生劑后，非極性組分得到補充，蜂狀結構參數得到恢復。

圖5 單個蜂狀結構高度(內插圖為單個蜂狀結構)Fig.5 Height of single bee structure

圖6 瀝青微觀形貌高度分布Fig.6 Height distribution of asphalt micromorphology

3.3 微觀結構與流變性能相關性

在老化和再生過程中，瀝青微觀結構與流變性能的變化均是由瀝青的化學組成變化所導致，因此，宏觀瀝青材料的流變性能的變化與微觀結構的演變之間必然存在著某種特定的關系。以微觀形貌高度分布頻率最大處為代表值與G*/sinδ(64℃)進行線性擬合，結果見圖7。由圖可知，G*/sinδ與形貌高度代表值之間的相關系數為0.88，說明瀝青微觀形貌高度與瀝青流變性能之間密切相關。

圖7 G*/sin δ與微觀形貌高度代表值的關系Fig.7 Relationship between G*/sin δ and the typical values of height distribution of micromorphology

4 結 論

1．瀝青老化后G*/sinδ和復數模量增大，相位角降低；老化瀝青中加入再生劑后G*/sinδ和復數模量降低，相位角增大，由于老化過程中發(fā)生了不可逆的化學反應，相位角的恢復程度有限；再生劑A和B對老化瀝青的再生效率優(yōu)于再生劑C。

2．瀝青試樣微觀形貌主要由蜂狀結構和基質相組成，老化后蜂狀結構面積比例、平均面積、高度分布等參數均降低；加入再生劑后蜂狀結構參數均得到一定提升。

3．微觀形貌高度代表值與G*/sinδ(64℃)具有良好的相關性，瀝青微觀結構特性與瀝青流變性能之間密切相關。