黃振英，孫曉龍，朱蕓楚，倉(cāng) 智，袁俊申，呂建兵

（1. 廣州華暉交通技術(shù)有限公司, 廣東 廣州 510335；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006；3. 山西交通控股集團(tuán) 大同北高速公路分公司, 山西 大同 037000）

西部地區(qū)具有紫外輻射強(qiáng)、日照時(shí)間長(zhǎng)及溫差大等典型區(qū)域性氣候特征[1-2]，其中，強(qiáng)烈的紫外輻射會(huì)顯著加速瀝青材料老化，進(jìn)而加劇瀝青面層的裂縫、松散等病害[3-4]，勢(shì)必嚴(yán)重影響瀝青路面的耐久性及行車(chē)安全。因此，有效控制瀝青材料的紫外老化行為，顯著提升瀝青路面的服役壽命，對(duì)于西部地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要。

作為新型抗紫外老化改性材料，受阻胺光穩(wěn)定劑(Hindered Amine Light Stabilizer, HALS)可有效捕獲活性自由基，猝滅單線態(tài)氧基團(tuán)，抑制紫外誘發(fā)化學(xué)組分轉(zhuǎn)化，顯著改善載體材料的抗紫外老化性能[5-6]，對(duì)于緩解瀝青路面的紫外老化問(wèn)題具有重要意義。然而，瀝青材料化學(xué)組成極為復(fù)雜，與分子鏈構(gòu)型及聚合度明確的高分子材料具有明顯差異，而且改性過(guò)程中持續(xù)高溫作用可能影響受阻胺光穩(wěn)定劑的改性效應(yīng)。因此，簡(jiǎn)單借鑒和復(fù)制受阻胺光穩(wěn)定劑在塑料、纖維及橡膠等高分子材料中的改性經(jīng)驗(yàn)，將其用于瀝青路面材料的紫外老化控制具有一定的盲目性，這也導(dǎo)致受阻胺光穩(wěn)定劑在瀝青紫外老化控制過(guò)程中難以保持高效穩(wěn)定的延衰效能。而解決該問(wèn)題的關(guān)鍵在于明確受阻胺光穩(wěn)定劑對(duì)瀝青微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分及力學(xué)性能變化的作用效應(yīng)。

在光穩(wěn)定劑改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)表征方面，部分學(xué)者采用高分辨率顯微技術(shù)表征光穩(wěn)定改性瀝青微觀形貌變化，如蘇州科技大學(xué)Dai等[7]，德州農(nóng)工大學(xué)Ilaria Menapace等[8]采用原子力顯微鏡表征瀝青及其組分紫外老化后微觀形貌的變化，發(fā)現(xiàn)不同紫外老化時(shí)間下瀝青及其組分呈現(xiàn)出迥然相異的微觀結(jié)構(gòu)，且在納觀尺寸上存在明顯差異；武漢理工大學(xué)Li Yuanyuan等[9]研究發(fā)現(xiàn)紫外老化后瀝青內(nèi)部“蜂型結(jié)構(gòu)”尺寸增大而數(shù)量減少，350～370 nm波段紫外光對(duì)蜂型結(jié)構(gòu)的作用較大；長(zhǎng)沙理工大學(xué)Yu Huanan等[10]，哥倫比亞大學(xué)Mehdi Zadshir等[11]通過(guò)掃描電子顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)紫外老化瀝青表面會(huì)產(chǎn)生微裂縫并逐漸延伸，最終呈現(xiàn)破碎和翹曲態(tài)。紫外老化瀝青微觀形貌變化反映了其結(jié)構(gòu)缺陷的產(chǎn)生過(guò)程，為紫外老化行為的進(jìn)一步探索提供了微觀形貌學(xué)依據(jù)?；诖?，現(xiàn)今針對(duì)受阻胺光穩(wěn)定改性瀝青微觀形貌相關(guān)研究多集中于紫外老化前后瀝青微觀形貌的變化，缺乏針對(duì)高溫制備及老化作用后光穩(wěn)定改性瀝青微觀形貌變化的相關(guān)研究，無(wú)法為受阻胺光穩(wěn)定改性瀝青在熱老化作用下改性效果的變化提供科學(xué)依據(jù)。

本文優(yōu)選T770受阻胺光穩(wěn)定劑制備改性瀝青，對(duì)光穩(wěn)定改性瀝青進(jìn)行熱老化處置，采用原子力顯微鏡表征不同熱老化條件下光穩(wěn)定改性瀝青表面粗糙度變化，通過(guò)3D形貌重建深入分析熱老化作用對(duì)于瀝青微觀形貌的影響，明確熱老化作用對(duì)于光穩(wěn)定改性瀝青的影響，從而為確定受阻胺光穩(wěn)定劑在瀝青高溫改性制備過(guò)程性質(zhì)的變化提供相關(guān)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 光穩(wěn)定劑

本文選用穩(wěn)定性相對(duì)更優(yōu)的T770光穩(wěn)定劑(雙(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯)作為抗紫外老化劑，以保證在高溫改性后光穩(wěn)定劑在瀝青中能夠穩(wěn)定分布。為能夠準(zhǔn)確表征光穩(wěn)定改性瀝青中的微觀結(jié)構(gòu)及粗糙度，將T770摻量擴(kuò)大至瀝青質(zhì)量的3%(約為正常添加量的6～8倍)，T770光穩(wěn)定劑的主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 T770光穩(wěn)定劑技術(shù)性能指標(biāo)Table 1 Technical properties of T770 light stabilizer

1.1.2 膠結(jié)材料

選用70#基質(zhì)瀝青作為膠結(jié)載體材料用于光穩(wěn)定改性瀝青的制備，以排除其他改性劑對(duì)于測(cè)試結(jié)果的干擾。70#基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)性能1)Table 2 Technical properties of 70# asphalt

1.2 光穩(wěn)定改性瀝青制備

將70#基質(zhì)瀝青放入110 ℃恒溫烘箱內(nèi)，保溫6 h，然后稱(chēng)取一定質(zhì)量的瀝青置于潔凈容器中，并放置在油浴加熱裝置上在(160±5) ℃保溫；稱(chēng)取一定質(zhì)量的分散劑加入熔融瀝青中，然后以3 000 rad/min的剪切速度對(duì)瀝青進(jìn)行15 min剪切攪拌；稱(chēng)取一定質(zhì)量的光穩(wěn)定劑T770，并將稱(chēng)取好的T770等質(zhì)量均分為3份待用；采用高速剪切儀對(duì)熔融態(tài)瀝青進(jìn)行剪切攪拌，加入第1份T770，以2 000 rad/min剪切速度攪拌5 min，加入第2份T770，以1 200 rad/min剪切速度攪拌5 min，加入最后一份T770，以2 000 rad/min剪切速度攪拌7 min；最后，在600 rad/min剪切速度下對(duì)混合完成的光穩(wěn)定改性瀝青進(jìn)行8 min低速攪拌，然后將制備的光穩(wěn)定改性瀝青保溫靜置，待溶脹完成后進(jìn)行瀝青試件的澆筑。

1.3 試件制備與試驗(yàn)方法

1.3.1 試件制備方法

T770光穩(wěn)定劑與70#基質(zhì)瀝青通過(guò)熔融共混法制備改性瀝青，光穩(wěn)定劑摻量占基質(zhì)瀝青質(zhì)量的3%，采用70#基質(zhì)瀝青作為對(duì)照組。將制備好的瀝青分別倒入由錫紙做成的開(kāi)口的立方體容器中，隨即放入烘箱中進(jìn)行熱老化處理，設(shè)置溫度為120 ℃，老化保溫時(shí)間為1、2、3、6、9、18、36 h。采用熱滴法進(jìn)行AFM試驗(yàn)試件制備，具體流程為：裁剪1 cm×1 cm×1 μm的瀝青試件，放入由錫紙制成的容器中，并在加熱器上進(jìn)行加熱，待其形成流態(tài)之后用滴管吸取并馬上滴在載玻片上，然后將載玻片繼續(xù)在加熱器上加熱使其自流平，放入密閉盒中冷卻備用。

1.3.2 三大指標(biāo)

軟化點(diǎn)、針入度及延度試驗(yàn)具體參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)，其中針入度試驗(yàn)溫度為25 ℃，延度測(cè)試溫度選用10 ℃。

1.3.3 表觀黏度試驗(yàn)

表觀黏度試驗(yàn)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行，具體采用Brookfield黏度試驗(yàn)儀實(shí)施。表觀黏度的測(cè)試溫度選定為135℃。

1.3.4 原子力顯微鏡試驗(yàn)(AFM)

AFM試驗(yàn)采用美國(guó)Bruker公司的Dimension FastScan型掃描探針顯微鏡進(jìn)行微觀表征。其中，快速和慢速掃描頭的最大掃描范圍分別為30 μm×30 μm和90 μm×90 μm，所用儀器探針為氮化硅懸臂探針。AFM試驗(yàn)在ScanAsyst智能模式下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果采用NanoScope Analysis軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由于樣品的掃描過(guò)程中可能存在曲面誤差，因此，為了保證數(shù)據(jù)的一致性和可分析性，本文對(duì)列出的(改性)瀝青原AFM二維圖進(jìn)行二階Flatten處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青三大指標(biāo)變化規(guī)律

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)，在0、2、6、18及36 h熱老化時(shí)間下對(duì)70#基質(zhì)瀝青和T770改性瀝青的軟化點(diǎn)、10℃延度及25℃針入度進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 軟化點(diǎn)隨熱老化時(shí)間的變化規(guī)律Fig.1 Variation of softening point with thermal aging time

由圖1分析可知，隨熱老化時(shí)間的延長(zhǎng)，70#基質(zhì)瀝青與T770改性瀝青的軟化點(diǎn)均呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，但70#瀝青的軟化點(diǎn)增加速率要明顯高于T770改性瀝青；在熱老化影響下，T770改性瀝青軟化點(diǎn)的上升趨勢(shì)較為穩(wěn)定，這表明T770改性劑能夠在一定程度上緩解熱老化作用對(duì)瀝青的影響效應(yīng)。

而T770改性劑對(duì)于瀝青膠結(jié)料熱老化的改善效應(yīng)還體現(xiàn)在延度和針入度兩方面。對(duì)于延度(圖2)，70#瀝青表現(xiàn)出了明顯的下降趨勢(shì)，而在36 h老化時(shí)間范圍內(nèi)，延度下降幅度達(dá)到了26.4%，而T770改性瀝青的下降幅度僅為11.6%，這也驗(yàn)證了T770改性劑對(duì)于瀝青熱老化具有明顯的調(diào)控效應(yīng)。而由圖3可知，T770改性瀝青的針入度的變化幅度和范圍明顯小于70#瀝青，與延度和軟化點(diǎn)的變化規(guī)律相近。

圖2 延度隨熱老化時(shí)間的變化規(guī)律Fig.2 Variation of ductility with thermal aging time

圖3 針入度隨熱老化時(shí)間的變化規(guī)律Fig.3 Variation of penetration with thermal aging time

2.2 瀝青表觀黏度變化規(guī)律

在0，2，6，18，36 h熱老化時(shí)間下，分別對(duì)70#瀝青和T770改性瀝青進(jìn)行布氏黏度試驗(yàn)，表觀黏度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4分析可知，瀝青表觀黏度隨熱老化時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，這表明熱老化作用會(huì)引起瀝青黏滯性的增大，從而導(dǎo)致表觀黏度的顯著提高。相對(duì)于70#瀝青，T770改性瀝青的表觀黏度增長(zhǎng)趨勢(shì)較為穩(wěn)定，這可能是由于熱老化作用過(guò)程中，70#瀝青中輕組分的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致瀝青質(zhì)含量的相對(duì)提高，這在一定程度上增大了瀝青的黏滯性，而T770改性劑能夠在一定程度上提高和保證瀝青中輕組分的比例，減緩輕組分的揮發(fā)和轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于瀝青膠結(jié)料熱老化行為的有效控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱老化過(guò)程中瀝青表觀黏度的穩(wěn)定變化。

圖4 表觀黏度隨熱老化時(shí)間的變化規(guī)律Fig.4 Variation of apparent viscosity with thermal aging time

2.3 基于熱老化處置的瀝青材料AFM表征

2.3.1 基質(zhì)瀝青

圖5為在不同熱老化時(shí)間及放大倍數(shù)下70#基質(zhì)瀝青的AFM表征結(jié)果。由圖1中80 μm×80 μm表征結(jié)果分析可知，經(jīng)過(guò)1 h的熱老化后，瀝青表面出現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量且形貌明顯的絮狀物，彼此相互連接并覆蓋在瀝青表面，在一定程度上提高了其表面的粗糙度。老化2 h后，瀝青表面的絮凝狀結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變成多塊獨(dú)立區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中間部分形成約狹長(zhǎng)10 nm的密集區(qū)，但是相對(duì)整體視域范圍數(shù)量較少。當(dāng)老化時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)至18 h時(shí)，表面光滑區(qū)域內(nèi)形成了一定長(zhǎng)度的褶皺狀，內(nèi)部明暗相間，即其內(nèi)部高度高低交替。而當(dāng)老化時(shí)間最終達(dá)36 h后，瀝青表面之前出現(xiàn)的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)幾乎全部消失，從色柱高度可知其表面最高僅9 nm，整體區(qū)域高度較為平緩，無(wú)明顯特征結(jié)構(gòu)存在。

圖5 70#基質(zhì)瀝青AFM表征結(jié)果(a～e) 80 μm×80 μm，(f～j) 30 μm×30 μm，(k～o) 10 μm×10 μmFig.5 AFM results of 70# asphalt (a～e) 80 μm×80 μm, (f～j) 30 μm×30 μm, (k～o) 10 μm×10 μm

由圖5中30 μm×30 μm的AFM表征結(jié)果分析可知，1 h結(jié)果中絮狀結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度差異較小，平均端?端長(zhǎng)度約為3.6 μm。而2 h過(guò)程中，瀝青內(nèi)部出現(xiàn)了點(diǎn)狀形貌，且由稀疏逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊芗?。老化時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，通過(guò)放大后，可清晰地觀察到基質(zhì)瀝青內(nèi)部在熱老化6 h即出現(xiàn)蜂狀結(jié)構(gòu)，而根據(jù)相變理論，熱老化過(guò)程中瀝青表面的分散相開(kāi)始向各自的中心融合聚集[12]，從而形成多塊“獨(dú)立單元”(蜂狀結(jié)構(gòu))，其特點(diǎn)在于高度相比于其他未聚集的地方更高，而內(nèi)部有所塌陷，從而造成了四周高中間低且內(nèi)部高度存在差異的蜂狀結(jié)構(gòu)。蜂狀結(jié)構(gòu)形成的原因可能是由于中心部分存在強(qiáng)極性的瀝青質(zhì)，再加上周?chē)哪z質(zhì)以及蠟組分等向中間包圍而形成[13]。當(dāng)熱老化時(shí)間達(dá)到36 h，在30 μm×30 μm表征區(qū)域內(nèi)，蜂狀結(jié)構(gòu)的平均尺寸降至3.48 μm，且內(nèi)部高低交替，形貌清晰度下降?；诖耍跓崂匣瘯r(shí)間逐漸延長(zhǎng)的過(guò)程中，基質(zhì)瀝青內(nèi)部經(jīng)歷了“絮狀—點(diǎn)狀—蜂狀—不完整蜂狀”的轉(zhuǎn)變過(guò)程，這也表明其表面粗糙度經(jīng)歷了復(fù)雜的變化過(guò)程。

AFM圖像繼續(xù)放大至10 μm×10 μm(圖5(k)～(o))，瀝青表面形態(tài)及特征結(jié)構(gòu)更加清晰和明顯。老化2 h后的基質(zhì)瀝青表面中間部位出現(xiàn)狹長(zhǎng)明亮區(qū)，而且深色區(qū)夾雜在明亮區(qū)之間顯示出明顯的高低區(qū)別，同時(shí)色柱的高度最高達(dá)89 nm，這表明表征區(qū)域內(nèi)的表面局部區(qū)域出現(xiàn)凸起形態(tài)。當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到6 h，通過(guò)色柱顯示高度最高降至30 nm以下，瀝青表面形成較多黑點(diǎn)，即小坑洞較多。當(dāng)老化時(shí)間至18 h后，瀝青表面的高度又重新上升，并出現(xiàn)了蜂狀特殊結(jié)構(gòu)，該特殊結(jié)構(gòu)的中間部分明暗相間，尾處的形成可能是由于長(zhǎng)時(shí)間老化造成原本分離的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相互熔合得到。當(dāng)熱老化時(shí)間達(dá)到36 h，蜂狀結(jié)構(gòu)明顯縮小，且由明暗相間的多結(jié)構(gòu)組成轉(zhuǎn)變?yōu)閱蚊靼迪嚅g結(jié)構(gòu)。

2.3.2 光穩(wěn)定改性瀝青

圖6為T(mén)770改性瀝青(光穩(wěn)定改性瀝青)在不同老化時(shí)間及放大倍數(shù)下的AFM表征結(jié)果。與基質(zhì)瀝青不同的是，改性瀝青熱老化后表面出現(xiàn)了較多相異的結(jié)構(gòu)，如圖6(a)老化1 h后的瀝青表面有明顯數(shù)量的類(lèi)似樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，其分布較為均勻，在表征區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)度范圍約為50～80 μm，通過(guò)顏色的區(qū)分可以看出表面的樹(shù)枝根莖部分均較為明亮，即根莖部分比樹(shù)葉部分高度更高，而色柱高度顯示最高點(diǎn)在500 nm，而根莖周?chē)叨妊杆俳档?。老? h后，出現(xiàn)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，高度最高達(dá)到了500.3 nm，但在6 h后，高度降至31.1 nm，這種變化表明，在0～6 h老化過(guò)程中，T770改性瀝青表面經(jīng)歷了一次高度的峰值變化。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在老化的第6 h，瀝青表面充滿了蜂狀結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度尺寸為15 μm左右，高度為31.1 nm，說(shuō)明這老化6 h對(duì)改性瀝青的表面形狀影響較為明顯，可能是由于老化時(shí)間的延長(zhǎng)使得原本結(jié)構(gòu)成分相似的蜂狀結(jié)構(gòu)相互吸引熔合，形成較明顯的蜂狀結(jié)構(gòu)尺寸。當(dāng)熱老化時(shí)間最終達(dá)到36 h后，改性瀝青表面原有結(jié)構(gòu)幾乎全部消失，出現(xiàn)了長(zhǎng)度約4 μm、數(shù)量急劇增多的圓形結(jié)構(gòu)，其中間凹陷，表面較為平緩。

圖6 T770改性瀝青AFM表征結(jié)果 (a～e) 80 μm×80 μm，(f～j) 30 μm×30 μm，(k～o) 10 μm×10 μmFig.6 AFM results of T770 modified asphalt (a～e) 80 μm×80 μm, (f～j) 30 μm×30 μm, (k～o) 10 μm×10 μm

圖6(f～j)中，T770改性瀝青在1 h出現(xiàn)了一定程度的絮狀結(jié)構(gòu)，而在老化2 h后的瀝青表面的絮狀結(jié)構(gòu)更為明顯，其結(jié)果在微觀形貌圖中，呈現(xiàn)為亮色區(qū)域，通過(guò)該結(jié)構(gòu)隱約分出了明暗界線，同時(shí)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量得出其平均寬度約為1.75 μm。熱老化6 h后，在原有明亮處即右上方出現(xiàn)了大小均勻的蜂狀結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度增大至9.4 μm。隨著老化時(shí)間推移至18 h，改性瀝青表面原有的蜂狀結(jié)構(gòu)消失，取代的是平均長(zhǎng)度為6.4 μm的白色條狀物以及周?chē)嬖诘暮邳c(diǎn)(可能為坑洞)，從圖6(n)中看出白色條狀物內(nèi)部依稀分布有幾處白點(diǎn)，表明該位置高度相比整體更高。在老化36 h后瀝青內(nèi)部特征性結(jié)構(gòu)的大小和尺寸達(dá)到最低，數(shù)量反而增多，同時(shí)中心的明暗結(jié)構(gòu)更加明顯。

2.4 熱老化處置瀝青材料3D表面形貌重建

2.4.1 基質(zhì)瀝青

AFM試驗(yàn)結(jié)果處理后可得到基質(zhì)瀝青3D形貌重建圖，如圖7所示。由圖7分析可知，熱老化1 h至2 h，瀝青表面整體粗糙度變化相對(duì)較小，老化1 h瀝青表面形成有較多的針尖狀分布，但是高度較為均勻。老化2 h后，基質(zhì)瀝青表面相對(duì)平整，但是部分區(qū)域?yàn)r青表面粗糙度出現(xiàn)較大幅度降低，同時(shí)高度以周邊高、中部低分布，中部形成結(jié)構(gòu)高度明顯高于周邊，這也與基質(zhì)瀝青的AFM的2D分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。而6 h瀝青表面出現(xiàn)較多的局部高點(diǎn)，老化18 h部分位置凹陷，通過(guò)2D圖可知主要是由于蜂狀結(jié)構(gòu)的存在，該結(jié)構(gòu)的存在會(huì)引起瀝青表面產(chǎn)生中間高四周低的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)構(gòu)中部以階梯狀高度分布。老化36 h后的基質(zhì)瀝青整體以波浪狀分布，形成兩邊高中間低的3D形貌，但其高度相比開(kāi)始大幅下降。

圖7 70#基質(zhì)瀝青80 μm×80 μm 3D表征結(jié)果Fig.7 80 μm×80 μm 3D results of 70# asphalt

由圖8(30 μm×30 μm)分析可知，老化1 h的表面整體趨于平整，與80 μm×80 μm圖相差較小。老化2 h后瀝青表面高度起伏明顯，在2D圖中可知主要為多處明亮位置表現(xiàn)在中間凹陷處，其高度略高于周?chē)Y(jié)構(gòu)。老化6 h后瀝青表面整體起伏變化越發(fā)明顯，高度以及表面粗糙度均大幅上升。老化18 h后基質(zhì)瀝青表面高度變化繼續(xù)增加，老化時(shí)間的延長(zhǎng)引起表面高度與粗糙度再次上升。至36 h結(jié)束，基質(zhì)瀝青表面高度趨于平緩，整體仍以波浪狀形式存在。

圖8 70#基質(zhì)瀝青30 μm×30 μm 3D表征結(jié)果Fig.8 30 μm×30 μm 3D results of 70# asphalt

2.4.2 光穩(wěn)定改性瀝青

T770改性瀝青AFM 3D表征結(jié)果如圖9所示。老化1 h后改性瀝青表面粗糙度變化明顯，高度達(dá)到500 nm，通過(guò)2D圖對(duì)應(yīng)為樹(shù)枝結(jié)構(gòu)，較高處為結(jié)構(gòu)根莖部分。老化2 h后，瀝青表面原本存在的諸多針尖狀結(jié)構(gòu)逐漸消失。老化6 h后蜂狀結(jié)構(gòu)布滿瀝青表面，同時(shí)蜂狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部有明顯的高度變化區(qū)域存在，在3D形貌圖中呈現(xiàn)出中間高兩邊低的特征，其中最高高度約為31.1 nm。老化9 h后的瀝青表面起伏變大，表面蜂狀結(jié)構(gòu)主要分布在高處，但數(shù)量有所減少，尺寸相對(duì)增大。老化36 h后改性瀝青表面無(wú)特殊結(jié)構(gòu)存在，僅部分區(qū)域存在高度變化。

圖9 T770改性瀝青80 μm×80 μm 3D表征結(jié)果Fig.9 80 μm×80 μm 3D results of T770 modified asphalt

由圖10可知，熱老化1 h瀝青表面針尖狀高度變化明顯，但無(wú)特殊結(jié)構(gòu)存在。老化2 h后T770改性瀝青表面各獨(dú)立的針尖狀結(jié)構(gòu)分別融合成體積較大的凸起結(jié)構(gòu)，高度更高，最高可達(dá)151.5 nm，同時(shí)起伏變化明顯。在老化6 h、9 h的3D圖中，蜂狀結(jié)構(gòu)數(shù)量相對(duì)減少，除蜂狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的高度變化區(qū)域外，平緩區(qū)也出現(xiàn)少量的針尖狀高度分布。熱老化時(shí)間繼續(xù)增加，T770改性瀝青表面蜂狀結(jié)構(gòu)基本消失，高度進(jìn)一步上升。

圖10 T770改性瀝青30 μm×30 μm 3D表征結(jié)果Fig.10 30 μm×30 μm 3D results of T770 modified asphalt

2.4.3 熱老化瀝青材料表面粗糙度分析

為了分析基質(zhì)瀝青和T770改性瀝青在不同老化時(shí)間下表面粗糙度情況，對(duì)70#基質(zhì)瀝青和T770改性瀝青30 μm×30 μm AFM表征結(jié)果進(jìn)行Roughness處理，得到7個(gè)老化時(shí)間點(diǎn)瀝青表面的粗糙度評(píng)價(jià)值，分別為三維表面積和二維投影表面積差值(Image Surface Area Difference, ISAD)、高度均方差(Rq)及高度偏差(Ra)，結(jié)果如表3所示。

由表3分析可知，未摻加改性劑的基質(zhì)瀝青表面粗糙度Rq值呈現(xiàn)出“增大—減小—增大—減小”的起伏變化趨勢(shì)，當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到18 h時(shí)，粗糙度達(dá)到最大值，約為22.5 nm，并在36 h處降至最低值4.3 nm，Ra值的變化趨勢(shì)與Rq基本一致，這表明基質(zhì)瀝青在老化18 h后其表面粗糙程度最大，老化時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)基質(zhì)瀝青表面粗糙程度降至最低，這可能是因?yàn)槌掷m(xù)的高溫狀態(tài)誘發(fā)了基質(zhì)瀝青表面瀝青質(zhì)、蠟分等成分聚集成核，而當(dāng)保溫時(shí)間持續(xù)增長(zhǎng)后，成核的組分性質(zhì)不穩(wěn)定而發(fā)生擴(kuò)散，從而引發(fā)了表面粗糙度的變化趨勢(shì)。對(duì)于T770改性瀝青，其粗糙度指標(biāo)Rq、Ra變化趨勢(shì)于基質(zhì)瀝青基本一致。在熱老化過(guò)程中，T770改性瀝青的粗糙度變化趨勢(shì)則是先降低后增大，在老化18 h的粗糙度已達(dá)到最大，粗糙度指標(biāo)的最大差值分別為1.157%、27.45 nm、18.59 nm，其表面起伏變化幅度在整體上大于基質(zhì)瀝青，這表明T770的添加會(huì)在一定程度加劇熱老化瀝青表面的粗糙度變化，但粗糙度的較大變化并不一定意味著瀝青性能的衰減，由于瀝青在與集料黏附時(shí)表面并非是光滑的，其粗糙度指標(biāo)越高，可能會(huì)在一定程度上增強(qiáng)瀝青與集料之間的黏附性[14-15]。

3 結(jié)論

本文制備受阻胺光穩(wěn)定劑改性瀝青，借助三大指標(biāo)試驗(yàn)及布氏黏度試驗(yàn)系統(tǒng)研究熱老化作用對(duì)光穩(wěn)定改性瀝青膠結(jié)料路用性能的影響規(guī)律，采用原子力顯微鏡表征不同熱老化條件下光穩(wěn)定改性瀝青表面粗糙度變化，分析熱老化作用下光穩(wěn)定改性瀝青的特征形貌及其特征，明確熱老化作用對(duì)于光穩(wěn)定改性瀝青的影響。主要研究結(jié)論如下：

(1) T770改性劑能夠在一定程度上提高和保證瀝青中輕組分的比例，減緩輕組分的揮發(fā)和轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于瀝青膠結(jié)料熱老化行為的有效控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱老化過(guò)程中瀝青表觀黏度的穩(wěn)定變化。

(2) 在熱老化時(shí)間大于6 h后，基質(zhì)瀝青中均有蜂狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，平均長(zhǎng)度為6 μm，然而隨著老化時(shí)間的增加，基質(zhì)瀝青表面形成的特征結(jié)構(gòu)逐漸變小，至老化時(shí)間36 h，其特征結(jié)構(gòu)的平均尺寸在3.48 μm左右。

(3) T770改性瀝青在老化時(shí)間6 h和9 h時(shí)均出現(xiàn)了蜂狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度約為老化時(shí)長(zhǎng)1 h蜂狀結(jié)構(gòu)的2.5倍，同時(shí)，T770改性瀝青的表面粗糙程度要比基質(zhì)瀝青更大。

(4) 老化9 h后的觀察可以看出，T770改性瀝青表面出現(xiàn)線狀高度排列變化，高度變化由兩側(cè)向中間均勻增大，高度最高達(dá)20.9 nm，具體表現(xiàn)為蜂狀結(jié)構(gòu)；老化18 h后瀝青表面粗糙度增大，最高峰可達(dá)96.1 nm，蜂狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)度下降；36 h后瀝青表面出現(xiàn)了多個(gè)獨(dú)立的立式塊狀結(jié)構(gòu)，其粗糙程度有所上升。

(5) T770的添加會(huì)在一定程度加劇熱老化瀝青表面的粗糙度變化，但粗糙度的較大變化并不一定意味著瀝青性能的衰減，由于瀝青在與集料黏附時(shí)表面并非是光滑的，其粗糙度指標(biāo)越高，可能會(huì)在一定程度上增強(qiáng)瀝青與集料之間的黏附性。