基質瀝青老化過程微觀特性變化研究

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，對于保障瀝青路面性能的持續穩定，具有現實意義[1]。當前學術界對于瀝青老化性能的研究主要集中在宏觀層面，但是對于微觀結構、微觀力學層面的研究則較少。而宏觀性能表現必然受到微觀結構及力學性能的影響。因此本文開展相關研究，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#基質瀝青，烘箱加熱至120 ℃熔融狀態后，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后，倒入內徑30 mm、高5 mm 的陶瓷皿中，自然流淌冷卻成型，制成薄膜狀AFM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和路用性能的3 大關鍵指標。針入度是用于評價瀝青稠度的指標，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，能夠間接反應瀝青熱穩定性。軟化點高的瀝青，其高溫性能和高溫穩定性較好。表2 所示為基質瀝青在老化前后的軟化點值。由表2 可知，基質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，其相對分子質量與分子間摩擦阻力逐漸增大，宏觀上表現為軟化點升高。

表2 老化前后基質瀝青軟化點測定值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。延度越大，表明瀝青低溫抗變形能力越強。表3 所示為基質瀝青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%，表明長期老化狀態下的瀝青延度下降十分明顯。原因可能是老化過程導致輕質組分含量減少，導致瀝青低溫性能下降[3]。

表3 老化前后基質瀝青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 公司生產的Dimension FastScan 設備。數據與圖像整理采用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 老化前后蜂狀結構形貌分析

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

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

2.3 蜂狀結構面積分析

進一步分析瀝青老化過程對蜂狀結構的影響，通過AFM分析軟件對蜂狀結構的面積占比進行計算。計算結果如表4 所示。從表4 中可以看出，蜂狀結構的數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%；蜂狀結構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%。結果表明，隨著老化的進行，這種蜂狀結構的數量和面積變化更加明顯。

表4 老化前后基質瀝青蜂狀結構變化情況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

瀝青微觀結構和相態間的差異性，可以通過粗糙度指標來表征。粗糙度大，說明瀝青的微觀相態差異性大，相位分離明顯[3]。本文根據美國機械工程協會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，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。對不同老化狀態下基質瀝青的均方根粗糙度進行測定計算，具體結果如表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，表明老化導致瀝青組分發生遷移變化。結合微觀形貌分析，是由于芳香分向膠質轉變，膠質向瀝青質轉變，導致瀝青質含量增加，飽和分含量降低，瀝青的多組分相態發生較大變化，并呈現出“均一化”趨勢。

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

3 老化前后微觀力學特性分析

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瀝青的AFM力學圖像。從圖2 中可以發現，瀝青力學圖像與圖1 形貌圖相似，可以觀察到2 種明顯相態，蜂狀結構與非蜂狀結構間的黏附力、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?，蜂狀結構表現出黏附力低、DMT 模量高的特征；非蜂狀結構表現出黏附力高、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，蜂狀結構由瀝青質和蠟晶組成，相對分子質量較大，因此模量較高、黏附力較??；而非蜂狀結構主要是飽和分與芳香分，相對分子質量較小，模量小、黏附力高。

圖2 老化前基質瀝青AFM 力學特性圖像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，測定老化前后基質瀝青的DMT 模量和黏附力，觀察老化作用對微觀力學特性的影響。具體結果如表6 所示。

表6 老化前后基質瀝青黏附力及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 中可以發現，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一致。分析老化不同階段時黏附力的下降程度可以發現，瀝青微觀力學特性受長期老化的影響更大。原因在于老化作用導致芳香分發生氧化聚合反應，轉變為膠質，而膠質中官能團進一步發生縮合反應，轉變為瀝青質[8]。因此瀝青中瀝青質含量增加，輕組分含量減少，導致整體DMT 模量增大、黏附力降低。

4 結 論

本研究制作了AFM 瀝青試樣，通過觀察老化作用前后基質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、微觀形貌、微觀力學特征的變化，得出以下結論：

（1）隨著老化的進行，基質瀝青針入度逐漸減小，軟化點上升，低溫延度降低，且相關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現，老化前后瀝青表面蜂狀結構的數量和面積發生明顯變化。在瀝青老化過程中，蜂狀結構的數量逐漸減少，蜂狀結構面積逐漸增加。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差異性降低十分明顯，輕質組分向重質組分轉化，呈現出“均一化”趨勢。

（3）通過對瀝青微觀力學特征的分析發現，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）結合老化前后宏觀指標變化、瀝青形貌圖及微觀力學圖像可知，蜂狀結構為瀝青質與蠟晶聚合物，在老化后面積增加，表明瀝青質含量增大，因此微觀尺度下DMT 模量增大；非蜂狀結構為輕質組分，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、微觀力學圖像與宏觀指標的變化，呈現出一致性。