沥青老化前后微观与宏观力学性能的对比研究

杨 震， 张肖宁， 虞将苗

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510641)

目前对沥青力学特性的研究主要将沥青作为均质体并采用动态剪切流变(DSR)试验等分析评价沥青的宏观黏弹力学性能，然而胶体理论表明沥青内部胶体并非均匀分布，其内部存在大小各异的胶团，形成不同的胶体结构，并影响沥青宏观力学性能[1].目前有部分研究人员采用荧光显微镜、扫描电子显微镜(SEM)探索了沥青以及沥青混合料微观内部结构，然而其真实的微观力学性能分布并未得到解决[2-3].原子力显微镜(AFM)由于可以观察物体微观形貌并探究微观表面力学性能已经应用于生物等众多领域[4-5].目前大部分研究人员主要利用AFM来研究沥青微观表面形貌[6-8]，并未对沥青微观表面的力学性能进行深入探索.因此本文利用AFM分别对SBS改性沥青以及70#沥青老化前后的微观力学性能分布进行探究，同时采用DSR分析沥青老化前后的宏观力学性能变化，通过对微观力学性能以及宏观力学性能的对比分析，建立两者之间的联系并探究沥青老化的微观作用机理.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本文采用佛山高富SBS改性沥青以及佛山高富70#沥青进行沥青微观特性以及宏观黏弹力学性能的研究，2种沥青的技术指标分别如表1，2所示.

表1 老化前后SBS改性沥青技术指标

表2 老化前后70#沥青技术指标

1.2 试验方法

1.2.1沥青老化

本文采用PAV老化试验对SBS改性沥青以及70#沥青进行长期老化，试验时首先采用旋转薄膜烘箱对沥青进行短期老化，而后进行PAV长期老化.PAV试验温度为100℃，时间为20h，大气压保持在2.1MPa.

1.2.2原子力显微镜(AFM)试验

本文采用Bruker公司生产的ICON型原子力显微镜(AFM)的定量纳米力学测量模式(Peak Force QNM)进行测试，以便同时获取沥青微观表面形貌以及微观表面杨氏模量分布，杨氏模量采用DMT(Derjaguin-Muler-Toporov)模型计算得到.试验采用Bruker TAP150A型探针，其振动频率为1kHz，半径为18nm，刚度为5N/m，在每次探测前都需要利用热力学方法对探针进行校准以获取准确的探针刚度，并通过保证探针作用于沥青微观表面所发生的形变在弹性形变范围内来确保试验结果的准确性.AFM试验温度为20℃，扫描频率为1Hz，扫描范围为20×20μm2，扫描点个数为256×256.利用Bruker公司的Nanoscope Analysis离线分析软件以及Gwyddion分析软件对样品测试结果进行数据分析.

原子力显微镜样品采用自制模具制备以保证样品厚度的一致性，从而消除因厚度所产生的试验误差，同时防止因样品较薄而导致基底效应的出现.利用转移装置将流动态沥青转移至模具内，然后放入适宜温度的烘箱内待其表面平整后取出.将在室温下冷却的AFM沥青样品先放入培养皿中，再放入干燥箱内，以防止灰尘及水分吸附并污染其表面，从而确保试验的可重复性以及试验结果的准确性，并提高该测试方法的可靠度.样品需在测试前退火24h 以上.

1.2.3动态剪切流变试验

试验利用Marlvin公司生产的Kinexus DSR流变仪进行沥青宏观动态剪切流变试验，试验采用应变控制模式，并保证所有沥青样品的剪切应变均在线性黏弹形变范围内，测试频率为10rad/s.为探究宏观黏弹力学性能与微观力学性能之间的关系，DSR试验温度采用中温20℃，以获取复数剪切模量G*以及相位角δ，并利用下式计算得到储存弹性模量G′：

G′=G*cosδ

(1)

2 试验结果与分析

2.1 微观力学性能分析

利用AFM的Peak Force QNM模式分别对SBS改性沥青与70#沥青经历长期老化前后的样品进行测试，并同时获取各样品的微观表面形貌图以及微观表面杨氏模量分布图，如图1,2所示.

由图1,2可见，SBS改性沥青以及70#沥青老化前后的形貌图与杨氏模量分布图均出现了以往研究[9-11]中所发现的蜂型结构.对比同种沥青老化前后的形貌图可以发现，长期老化后的沥青微观表面上蜂型结构的数量减少但面积增大，说明老化导致了蜂型结构的聚集，影响了沥青微观表面形貌，从而可能导致其微观力学性能发生变化.对比2种沥青老化前后的形貌图发现，70#沥青老化后的蜂型结构聚集现象更为明显.目前对沥青微观表面上蜂型结构的化学组成并没有一个具体的结论，然而通过对比同种沥青的形貌图与杨氏模量分布图可以发现两者具有良好的对应性，表明沥青微观表面的形貌会影响其微观表面力学性能的分布.

图1 SBS改性沥青老化前后形貌与杨氏模量分布图Fig.1 Quantitative nanomechanical property maps of SBS modified asphalt before and after PAV aging

图2 70#沥青老化前后形貌与杨氏模量分布图Fig.2 Quantitative nanomechanical property maps of 70# asphalt before and after PAV aging

本文采用Gwyddion分析软件提取不同沥青老化前后的杨氏模量数据点，建立杨氏模量分布图，如图3所示.

图3 沥青长期老化前后杨氏模量分布图Fig.3 Distribution diagram of DMT modulus before and after PAV aging

由图3可见，70#沥青老化前微观表面杨氏模量主要分布在200～500MPa之间，老化后其杨氏模量主要分布在700～1400MPa之间；而SBS改性沥青老化前微观表面杨氏模量主要分布在300～600MPa之间，老化后其杨氏模量主要分布在500～ 900MPa之间.

同时采用Nanoscope Analysis离线分析软件对沥青微观表面整体进行统计分析，分别获取SBS改性沥青与70#沥青老化前后整体杨氏模量的均值，并利用标准差及标准差系数分析杨氏模量分布的离散性，具体结果见表3.

表3 不同沥青老化前后杨氏模量均值与离散性

由表3可见，随着老化程度的加深，沥青微观表面杨氏模量均值大幅增加，70#沥青增加了192.3%，SBS改性沥青增加了77.5%，这表明老化有效促进了沥青内部黏性成分向弹性成分的转变，提高了沥青的弹性性能.由表3还可以看出，长期老化后的沥青微观表面杨氏模量标准差增大，70#沥青增加了81.5%，SBS改性沥青增加了146.2%.AFM试验结果表明，老化会使沥青微观表面力学性能差异进一步增大，从而使老化后的沥青表面更易产生力学缺陷.

对比两种沥青老化前的杨氏模量均值可以看出，SBS的添加可以提高沥青微观表面力学性能，促进微观表面杨氏模量的增加；同时对比二者杨氏模量的标准差与标准差系数发现，SBS的添加可以降低沥青微观表面杨氏模量分布的离散性.究其原因，由于SBS可以吸收沥青内部的轻组分，从而降低了沥青微观表面杨氏模量分布的离散性，同时SBS可通过加聚反应等在沥青内部形成大分子网状结构，从而提高了沥青微观表面杨氏模量的绝对值.

对比两种沥青长期老化前后杨氏模量的均值差可见，长期老化对70#沥青作用更加明显，从微观层面证明了SBS改性剂的添加有助于提高沥青的抗老化性能.虽然老化后二者杨氏模量标准差大致相同，但是SBS改性沥青的标准差系数较大，其离散性更为显著.这是因为在老化的过程中，相对于70#沥青的充分氧化，SBS改性沥青中的SBS改性剂会由于受到热氧老化的作用而不断分解，虽然部分SBS改性剂会在老化的过程中被氧化成极性大分子或在高温下挥发，但是由于老化使沥青表面逐渐硬化，从而阻碍了SBS改性剂的热氧老化，导致SBS改性剂降解为小分子，降低了沥青的老化程度，因此老化后SBS改性沥青微观表面杨氏模量的均值小于70#沥青，而其离散性大于70#沥青.

2.2 动态剪切流变力学分析

材料的宏观力学性能由其微观性能所决定，储存弹性模量作为复数剪切模量的弹性部分，其与沥青微观表面杨氏模量都体现了沥青黏弹性力学性能中的弹性性能.为探究沥青微观性能对其宏观力学行为的影响，分别对SBS改性沥青和70#沥青经历长期老化前后的样品进行20℃下的动态剪切流变试验，结果见表4.

表4 沥青长期老化前后的黏弹力学性能

由表4可见，SBS改性剂的添加有助于提高沥青抵抗外力作用的能力，但其相位角有所降低.经过长期老化后，由于受到热氧老化的作用，SBS改性沥青与70#沥青的G′值均有所提高而相位角均有所降低，沥青的黏性成分衰减.SBS改性沥青的G′值增加程度与相位角降低程度均小于70#沥青.这说明SBS改性剂的添加使沥青可以有效抵抗热氧老化作用，性能比70#沥青更加稳定对沥青微观表面杨氏模量与储存弹性模量进行线性回归拟合，以定量分析并建立二者之间的联系，回归结果见图4.

图4 沥青微观表面杨氏模量与储存弹性模量的关系Fig.4 Relationship between DMT modulus and G′of asphalts

由图4可见，沥青微观表面杨氏模量与储存弹性模量之间具有良好的线性关系，相关性R2达到0.958，沥青储存弹性模量随微观表面杨氏模量的增加而线性增加，表明沥青微观表面杨氏模量对沥青储存弹性模量具有直接影响，宏观力学性能是沥青微观力学性能在宏观层面的体现.

虽然G′与沥青微观表面杨氏模量存在良好的线性关系，然而研究表明沥青微观表面杨氏模量与G′的绝对值相差较大，这是因为沥青作为一种典型的黏弹性材料，其力学行为特征明显依赖于荷载作用的时间与温度，同等温度下，沥青在高频荷载作用时呈现更强的弹性特征.在沥青微观表面进行AFM测试时探针对样品的作用频率可以达到1kHz，远远高出DSR的测试频率，从而导致在同等试验温度下沥青微观表面杨氏模量的绝对值远大于储存弹性模量G′.

虽然目前DSR与AFM测试频率相差较大，然而根据时温等效原理，可以在不同温度不同频率下对沥青样品进行多次动态剪切试验以建立主曲线，从而获取高频作用下的沥青储存弹性模量，以便与AFM测试结果对比，分析沥青微观力学特性对其宏观力学行为的影响.笔者后续将对此进行深入探究.

3 结论

(1)沥青微观表面力学性能分析表明，SBS改性剂的添加有助于提高老化前沥青的微观表面杨氏模量并降低其离散性.同时，相较于70#沥青，SBS改性沥青老化后的微观表面杨氏模量增加较小，从微观层面证明了SBS改性剂的添加有助于提高沥青的抗老化性能.

(2)中温动态剪切流变试验从宏观力学层面表明SBS改性沥青较70#沥青具有更好的抗老化性能，其黏弹力学性能更加稳定.

(3)线性回归拟合表明沥青微观表面杨氏模量与储存弹性模量之间具有一定的线性关系，且相关性可以达到0.958.沥青微观表面杨氏模量对沥青储存弹性模量具有直接影响，宏观力学性能是沥青微观力学性能在宏观层面的体现.

(4)沥青微观表面杨氏模量与沥青储存弹性模量在数值上存在差异，这是由于AFM试验中探针对沥青样品作用频率较高，沥青材料表现出更强的弹性特性，从而导致沥青微观表面杨氏模量的绝对值远大于储存弹性模量.

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