宋春濤，王麗麗，谷萬鵬

（黑龍江遠升工程咨詢有限公司，黑龍江 哈爾濱，150001）

0 引 言

瀝青路面是公路與城市道路的主要形式，路面的舒適與耐久是影響使用性能的主要因素。在瀝青路面的施工和運營過程中，瀝青受到溫度和光照等影響逐漸老化，路用性能下降，容易出現(xiàn)裂縫及老化病害。對瀝青老化機理和行為進行研究，是制定瀝青老化性能提升措施的依據(jù)，對于保障瀝青路面性能的持續(xù)穩(wěn)定，具有現(xiàn)實意義[1]。當(dāng)前學(xué)術(shù)界對于瀝青老化性能的研究主要集中在宏觀層面，但是對于微觀結(jié)構(gòu)、微觀力學(xué)層面的研究則較少。而宏觀性能表現(xiàn)必然受到微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。因此本文開展相關(guān)研究，從微觀層面分析瀝青老化前后的特性變化，探究瀝青宏觀性能與微觀尺度的聯(lián)系，希望研究成果能為其他同類型研究項目提供參考。

1 老化前后宏觀性能分析

1.1 瀝青試樣制備

本次試件制作采用盤錦90#基質(zhì)瀝青，烘箱加熱至120 ℃熔融狀態(tài)后，置于加熱爐上，在160 ℃下加熱30 min。采用薄膜烘箱試驗和壓力老化容器模擬瀝青短期老化與長期老化過程。其中，模擬短期老化條件為：旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（163±0.5）℃，受熱時間75 min；長期老化條件為：短期老化后殘留物置于壓力老化容器，溫度（100±0.5）℃，空氣壓力2.1±0.1 MPa，持續(xù)時間20 h，老化作用總時間1 275 min[2]。為制作用于原子力顯微鏡觀察的瀝青試樣，需將未老化、短期老化、長期老化3 種條件下的瀝青加熱至流動狀態(tài)后，倒入內(nèi)徑30 mm、高5 mm 的陶瓷皿中，自然流淌冷卻成型，制成薄膜狀A(yù)FM試樣。

1.2 針入度變化

針入度、軟化點和黏度是表征瀝青黏彈性質(zhì)和路用性能的3 大關(guān)鍵指標(biāo)。針入度是用于評價瀝青稠度的指標(biāo)，能夠間接判斷瀝青的抗變形能力和軟硬程度。表1 所示為25 ℃下的瀝青針入度。從表1中可以看出，在老化后基質(zhì)瀝青針入度逐漸減小，瀝青逐漸變硬，老化1 275 min 下針入度下降34.9%。

表1 老化前后基質(zhì)瀝青25 ℃針入度測定值Table 1 Before and after aging, the measured penetration degree of matrix asphalt at 25 ℃

1.3 軟化點變化

軟化點用于評價瀝青的高溫性能，能夠間接反應(yīng)瀝青熱穩(wěn)定性。軟化點高的瀝青，其高溫性能和高溫穩(wěn)定性較好。表2 所示為基質(zhì)瀝青在老化前后的軟化點值。由表2 可知，基質(zhì)瀝青的軟化點隨著老化過程而增大，老化1 275 min 后軟化點增大13.8%。表明老化過程提高了瀝青的高溫性能。原因可能在于，瀝青在老化過程中，其相對分子質(zhì)量與分子間摩擦阻力逐漸增大，宏觀上表現(xiàn)為軟化點升高。

表2 老化前后基質(zhì)瀝青軟化點測定值Table 2 The measured softening point of matrix asphalt before and after aging

1.4 延度變化

延度反應(yīng)瀝青低溫下的抗變形能力，是評價瀝青低溫性能的主要指標(biāo)。延度越大，表明瀝青低溫抗變形能力越強。表3 所示為基質(zhì)瀝青5 ℃延度試驗。從表3 中可知，瀝青的低溫延度隨著老化過程而降低。老化1 275 min 的瀝青延度下降至24.5%，表明長期老化狀態(tài)下的瀝青延度下降十分明顯。原因可能是老化過程導(dǎo)致輕質(zhì)組分含量減少，導(dǎo)致瀝青低溫性能下降[3]。

表3 老化前后基質(zhì)瀝青5 ℃延度測定值Table 3 The measured 5 ℃elongation of matrix asphalt before and after aging

2 老化前后微觀形貌分析

2.1 觀測設(shè)備

試驗選擇原子力顯微鏡進行瀝青表面的探測與掃描成像。AFM儀器采用BRUKER 公司生產(chǎn)的Dimension FastScan 設(shè)備。數(shù)據(jù)與圖像整理采用AFM自帶的Nanoscope Analysis 分析軟件。探針選擇SCANASSYST-AIR 型。表面形貌的掃描模式為AFM輕敲模式。

2.2 老化前后蜂狀結(jié)構(gòu)形貌分析

圖1 所示為老化前后基質(zhì)瀝青的AFM形貌圖。在三維形貌圖中，波峰顯示為亮白色柱狀凸起，有研究認(rèn)為該蜂狀結(jié)構(gòu)是瀝青質(zhì)與高分子蠟晶締結(jié)形成的蠟晶體，相互合并團聚，形成的晶核結(jié)構(gòu)[4]。從圖1可以看出，老化前后蜂狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量和面積發(fā)生明顯變化，表明基質(zhì)瀝青的微觀形貌受到老化作用的影響較大[5]。瀝青基質(zhì)中蜂狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量隨著老化過程而逐漸減少，但是蜂狀結(jié)構(gòu)的面積卻逐漸增大。這種蜂狀結(jié)構(gòu)面積增長且趨于集中的現(xiàn)象，在長期老化階段尤為突出。分析原因在于老化過程中，瀝青質(zhì)含量增多，因此瀝青質(zhì)- 蠟晶形成的晶核物質(zhì)增加，物質(zhì)的極性增大，蜂狀結(jié)構(gòu)的面積也逐漸增大，同時晶核間相互吸引合并的概率增大，導(dǎo)致蜂狀結(jié)構(gòu)數(shù)量減小、面積增大。

圖1 老化前后基質(zhì)瀝青微觀形貌圖Fig. 1 The microstructure of matrix asphalt before and after aging

2.3 蜂狀結(jié)構(gòu)面積分析

進一步分析瀝青老化過程對蜂狀結(jié)構(gòu)的影響，通過AFM分析軟件對蜂狀結(jié)構(gòu)的面積占比進行計算。計算結(jié)果如表4 所示。從表4 中可以看出，蜂狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量在老化作用下減少明顯，老化75 min 時下降31.5%，老化1 275 min 時下降53.7%；蜂狀結(jié)構(gòu)的面積在老化作用下明顯上升，老化75 min 時增加29.9%，老化1 275 min 時增加45.8%。結(jié)果表明，隨著老化的進行，這種蜂狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量和面積變化更加明顯。

表4 老化前后基質(zhì)瀝青蜂狀結(jié)構(gòu)變化情況Table 4 The changes in bee shape structure of matrix asphalt before and after aging

2.4 表面粗糙度變化分析

瀝青微觀結(jié)構(gòu)和相態(tài)間的差異性，可以通過粗糙度指標(biāo)來表征。粗糙度大，說明瀝青的微觀相態(tài)差異性大，相位分離明顯[3]。本文根據(jù)美國機械工程協(xié)會ASME 提出的均方根粗糙度計算公式，來計算分析均方根粗糙度Rq（nm），公式如下所示[6]：

式中，Rq代表均方根粗糙度；h（x，y）為形貌高度函數(shù)，可由AFM分析軟件中的Roughness 模塊測定；h0為參考高度；圖像掃描范圍為20 μm×20 μm。對不同老化狀態(tài)下基質(zhì)瀝青的均方根粗糙度進行測定計算，具體結(jié)果如表5 所示。從表5 中可以看出，老化75 min 時，表面粗糙度下降23.5%；老化1 275 min 時，表面粗糙度下降51.4%。粗糙度隨著老化作用而下降，表明老化導(dǎo)致瀝青組分發(fā)生遷移變化。結(jié)合微觀形貌分析，是由于芳香分向膠質(zhì)轉(zhuǎn)變，膠質(zhì)向瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致瀝青質(zhì)含量增加，飽和分含量降低，瀝青的多組分相態(tài)發(fā)生較大變化，并呈現(xiàn)出“均一化”趨勢。

表5 老化前后基質(zhì)瀝青粗糙度指標(biāo)Table 5 The roughness index of matrix asphalt before and after aging

3 老化前后微觀力學(xué)特性分析

3.1 DMT 模量和黏附力圖像分析

考慮到集料的主要成分為二氧化硅，因此可以通過硅探針對瀝青與集料間的界面黏附力進行探測[7]。圖2 所示為未老化時基質(zhì)瀝青的AFM力學(xué)圖像。從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，瀝青力學(xué)圖像與圖1 形貌圖相似，可以觀察到2 種明顯相態(tài)，蜂狀結(jié)構(gòu)與非蜂狀結(jié)構(gòu)間的黏附力、DMT 模量有明顯差異。圖像顏色越深，代表黏附力及模量越大?？梢钥闯觯錉罱Y(jié)構(gòu)表現(xiàn)出黏附力低、DMT 模量高的特征；非蜂狀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出黏附力高、DMT 模量低的特征。這與下文老化前后瀝青模量與黏附力變化情況一致。推測原因在于，蜂狀結(jié)構(gòu)由瀝青質(zhì)和蠟晶組成，相對分子質(zhì)量較大，因此模量較高、黏附力較?。欢欠錉罱Y(jié)構(gòu)主要是飽和分與芳香分，相對分子質(zhì)量較小，模量小、黏附力高。

圖2 老化前基質(zhì)瀝青AFM 力學(xué)特性圖像Fig. 2 The images of AFM mechanical characteristic of matrix asphalt before aging

3.2 DMT 模量和黏附力值變化

利用AFM的PF-QNM模式，測定老化前后基質(zhì)瀝青的DMT 模量和黏附力，觀察老化作用對微觀力學(xué)特性的影響。具體結(jié)果如表6 所示。

表6 老化前后基質(zhì)瀝青黏附力及DMT 模量變化情況Table 6 The changes in adhesion and DMT modulus of matrix asphalt before and after aging

從表6 中可以發(fā)現(xiàn)，在老化75 min 時，瀝青的整體DMT 模量增大21.2%，整體黏附力下降10.7%；老化1 275 min 時，DMT 模量增大51.4%，黏附力降低28.3%。這表明隨著老化的進行，基質(zhì)瀝青DMT 模量逐漸增大，瀝青的彈性提高，同時瀝青的黏附力逐漸下降，部分黏性損失，這與老化前后的宏觀性能變化表現(xiàn)一致。分析老化不同階段時黏附力的下降程度可以發(fā)現(xiàn)，瀝青微觀力學(xué)特性受長期老化的影響更大。原因在于老化作用導(dǎo)致芳香分發(fā)生氧化聚合反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槟z質(zhì)，而膠質(zhì)中官能團進一步發(fā)生縮合反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青質(zhì)[8]。因此瀝青中瀝青質(zhì)含量增加，輕組分含量減少，導(dǎo)致整體DMT 模量增大、黏附力降低。

4 結(jié) 論

本研究制作了AFM 瀝青試樣，通過觀察老化作用前后基質(zhì)瀝青表面的真實顯微形貌，分析老化作用前后瀝青宏觀3 大指標(biāo)、微觀形貌、微觀力學(xué)特征的變化，得出以下結(jié)論：

（1）隨著老化的進行，基質(zhì)瀝青針入度逐漸減小，軟化點上升，低溫延度降低，且相關(guān)趨勢隨著老化作用的加深而明顯。

（2）通過對瀝青微觀形貌的分析發(fā)現(xiàn)，老化前后瀝青表面蜂狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量和面積發(fā)生明顯變化。在瀝青老化過程中，蜂狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量逐漸減少，蜂狀結(jié)構(gòu)面積逐漸增加。老化作用時間越長，這種變化越明顯。長期老化下的瀝青表面粗糙度下降51.4%，表明瀝青的微觀相態(tài)差異性降低十分明顯，輕質(zhì)組分向重質(zhì)組分轉(zhuǎn)化，呈現(xiàn)出“均一化”趨勢。

（3）通過對瀝青微觀力學(xué)特征的分析發(fā)現(xiàn)，老化前后瀝青DMT 模量逐漸增大，瀝青的彈性提高；瀝青的黏附力逐漸下降，部分黏性損失。

（4）結(jié)合老化前后宏觀指標(biāo)變化、瀝青形貌圖及微觀力學(xué)圖像可知，蜂狀結(jié)構(gòu)為瀝青質(zhì)與蠟晶聚合物，在老化后面積增加，表明瀝青質(zhì)含量增大，因此微觀尺度下DMT 模量增大；非蜂狀結(jié)構(gòu)為輕質(zhì)組分，在老化后面積減少，因此微觀尺度下黏附力下降。老化前瀝青微觀形貌、微觀力學(xué)圖像與宏觀指標(biāo)的變化，呈現(xiàn)出一致性。