基质沥青老化过程微观特性变化研究

宋春涛，王丽丽，谷万鹏

（黑龙江远升工程咨询有限公司，黑龙江 哈尔滨，150001）

0 引 言

沥青路面是公路与城市道路的主要形式，路面的舒适与耐久是影响使用性能的主要因素。在沥青路面的施工和运营过程中，沥青受到温度和光照等影响逐渐老化，路用性能下降，容易出现裂缝及老化病害。对沥青老化机理和行为进行研究，是制定沥青老化性能提升措施的依据，对于保障沥青路面性能的持续稳定，具有现实意义[1]。当前学术界对于沥青老化性能的研究主要集中在宏观层面，但是对于微观结构、微观力学层面的研究则较少。而宏观性能表现必然受到微观结构及力学性能的影响。因此本文开展相关研究，从微观层面分析沥青老化前后的特性变化，探究沥青宏观性能与微观尺度的联系，希望研究成果能为其他同类型研究项目提供参考。

1 老化前后宏观性能分析

1.1 沥青试样制备

本次试件制作采用盘锦90#基质沥青，烘箱加热至120 ℃熔融状态后，置于加热炉上，在160 ℃下加热30 min。采用薄膜烘箱试验和压力老化容器模拟沥青短期老化与长期老化过程。其中，模拟短期老化条件为：旋转薄膜烘箱（163±0.5）℃，受热时间75 min；长期老化条件为：短期老化后残留物置于压力老化容器，温度（100±0.5）℃，空气压力2.1±0.1 MPa，持续时间20 h，老化作用总时间1 275 min[2]。为制作用于原子力显微镜观察的沥青试样，需将未老化、短期老化、长期老化3 种条件下的沥青加热至流动状态后，倒入内径30 mm、高5 mm 的陶瓷皿中，自然流淌冷却成型，制成薄膜状AFM试样。

1.2 针入度变化

针入度、软化点和黏度是表征沥青黏弹性质和路用性能的3 大关键指标。针入度是用于评价沥青稠度的指标，能够间接判断沥青的抗变形能力和软硬程度。表1 所示为25 ℃下的沥青针入度。从表1中可以看出，在老化后基质沥青针入度逐渐减小，沥青逐渐变硬，老化1 275 min 下针入度下降34.9%。

表1 老化前后基质沥青25 ℃针入度测定值Table 1 Before and after aging, the measured penetration degree of matrix asphalt at 25 ℃

1.3 软化点变化

软化点用于评价沥青的高温性能，能够间接反应沥青热稳定性。软化点高的沥青，其高温性能和高温稳定性较好。表2 所示为基质沥青在老化前后的软化点值。由表2 可知，基质沥青的软化点随着老化过程而增大，老化1 275 min 后软化点增大13.8%。表明老化过程提高了沥青的高温性能。原因可能在于，沥青在老化过程中，其相对分子质量与分子间摩擦阻力逐渐增大，宏观上表现为软化点升高。

表2 老化前后基质沥青软化点测定值Table 2 The measured softening point of matrix asphalt before and after aging

1.4 延度变化

延度反应沥青低温下的抗变形能力，是评价沥青低温性能的主要指标。延度越大，表明沥青低温抗变形能力越强。表3 所示为基质沥青5 ℃延度试验。从表3 中可知，沥青的低温延度随着老化过程而降低。老化1 275 min 的沥青延度下降至24.5%，表明长期老化状态下的沥青延度下降十分明显。原因可能是老化过程导致轻质组分含量减少，导致沥青低温性能下降[3]。

表3 老化前后基质沥青5 ℃延度测定值Table 3 The measured 5 ℃elongation of matrix asphalt before and after aging

2 老化前后微观形貌分析

2.1 观测设备

试验选择原子力显微镜进行沥青表面的探测与扫描成像。AFM仪器采用BRUKER 公司生产的Dimension FastScan 设备。数据与图像整理采用AFM自带的Nanoscope Analysis 分析软件。探针选择SCANASSYST-AIR 型。表面形貌的扫描模式为AFM轻敲模式。

2.2 老化前后蜂状结构形貌分析

图1 所示为老化前后基质沥青的AFM形貌图。在三维形貌图中，波峰显示为亮白色柱状凸起，有研究认为该蜂状结构是沥青质与高分子蜡晶缔结形成的蜡晶体，相互合并团聚，形成的晶核结构[4]。从图1可以看出，老化前后蜂状结构的数量和面积发生明显变化，表明基质沥青的微观形貌受到老化作用的影响较大[5]。沥青基质中蜂状结构的数量随着老化过程而逐渐减少，但是蜂状结构的面积却逐渐增大。这种蜂状结构面积增长且趋于集中的现象，在长期老化阶段尤为突出。分析原因在于老化过程中，沥青质含量增多，因此沥青质- 蜡晶形成的晶核物质增加，物质的极性增大，蜂状结构的面积也逐渐增大，同时晶核间相互吸引合并的概率增大，导致蜂状结构数量减小、面积增大。

图1 老化前后基质沥青微观形貌图Fig. 1 The microstructure of matrix asphalt before and after aging

2.3 蜂状结构面积分析

进一步分析沥青老化过程对蜂状结构的影响，通过AFM分析软件对蜂状结构的面积占比进行计算。计算结果如表4 所示。从表4 中可以看出，蜂状结构的数量在老化作用下减少明显，老化75 min 时下降31.5%，老化1 275 min 时下降53.7%；蜂状结构的面积在老化作用下明显上升，老化75 min 时增加29.9%，老化1 275 min 时增加45.8%。结果表明，随着老化的进行，这种蜂状结构的数量和面积变化更加明显。

表4 老化前后基质沥青蜂状结构变化情况Table 4 The changes in bee shape structure of matrix asphalt before and after aging

2.4 表面粗糙度变化分析

沥青微观结构和相态间的差异性，可以通过粗糙度指标来表征。粗糙度大，说明沥青的微观相态差异性大，相位分离明显[3]。本文根据美国机械工程协会ASME 提出的均方根粗糙度计算公式，来计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）为形貌高度函数，可由AFM分析软件中的Roughness 模块测定；h0为参考高度；图像扫描范围为20 μm×20 μm。对不同老化状态下基质沥青的均方根粗糙度进行测定计算，具体结果如表5 所示。从表5 中可以看出，老化75 min 时，表面粗糙度下降23.5%；老化1 275 min 时，表面粗糙度下降51.4%。粗糙度随着老化作用而下降，表明老化导致沥青组分发生迁移变化。结合微观形貌分析，是由于芳香分向胶质转变，胶质向沥青质转变，导致沥青质含量增加，饱和分含量降低，沥青的多组分相态发生较大变化，并呈现出“均一化”趋势。

表5 老化前后基质沥青粗糙度指标Table 5 The roughness index of matrix asphalt before and after aging

3 老化前后微观力学特性分析

3.1 DMT 模量和黏附力图像分析

考虑到集料的主要成分为二氧化硅，因此可以通过硅探针对沥青与集料间的界面黏附力进行探测[7]。图2 所示为未老化时基质沥青的AFM力学图像。从图2 中可以发现，沥青力学图像与图1 形貌图相似，可以观察到2 种明显相态，蜂状结构与非蜂状结构间的黏附力、DMT 模量有明显差异。图像颜色越深，代表黏附力及模量越大。可以看出，蜂状结构表现出黏附力低、DMT 模量高的特征；非蜂状结构表现出黏附力高、DMT 模量低的特征。这与下文老化前后沥青模量与黏附力变化情况一致。推测原因在于，蜂状结构由沥青质和蜡晶组成，相对分子质量较大，因此模量较高、黏附力较小；而非蜂状结构主要是饱和分与芳香分，相对分子质量较小，模量小、黏附力高。

图2 老化前基质沥青AFM 力学特性图像Fig. 2 The images of AFM mechanical characteristic of matrix asphalt before aging

3.2 DMT 模量和黏附力值变化

利用AFM的PF-QNM模式，测定老化前后基质沥青的DMT 模量和黏附力，观察老化作用对微观力学特性的影响。具体结果如表6 所示。

表6 老化前后基质沥青黏附力及DMT 模量变化情况Table 6 The changes in adhesion and DMT modulus of matrix asphalt before and after aging

从表6 中可以发现，在老化75 min 时，沥青的整体DMT 模量增大21.2%，整体黏附力下降10.7%；老化1 275 min 时，DMT 模量增大51.4%，黏附力降低28.3%。这表明随着老化的进行，基质沥青DMT 模量逐渐增大，沥青的弹性提高，同时沥青的黏附力逐渐下降，部分黏性损失，这与老化前后的宏观性能变化表现一致。分析老化不同阶段时黏附力的下降程度可以发现，沥青微观力学特性受长期老化的影响更大。原因在于老化作用导致芳香分发生氧化聚合反应，转变为胶质，而胶质中官能团进一步发生缩合反应，转变为沥青质[8]。因此沥青中沥青质含量增加，轻组分含量减少，导致整体DMT 模量增大、黏附力降低。

4 结 论

本研究制作了AFM 沥青试样，通过观察老化作用前后基质沥青表面的真实显微形貌，分析老化作用前后沥青宏观3 大指标、微观形貌、微观力学特征的变化，得出以下结论：

（1）随着老化的进行，基质沥青针入度逐渐减小，软化点上升，低温延度降低，且相关趋势随着老化作用的加深而明显。

（2）通过对沥青微观形貌的分析发现，老化前后沥青表面蜂状结构的数量和面积发生明显变化。在沥青老化过程中，蜂状结构的数量逐渐减少，蜂状结构面积逐渐增加。老化作用时间越长，这种变化越明显。长期老化下的沥青表面粗糙度下降51.4%，表明沥青的微观相态差异性降低十分明显，轻质组分向重质组分转化，呈现出“均一化”趋势。

（3）通过对沥青微观力学特征的分析发现，老化前后沥青DMT 模量逐渐增大，沥青的弹性提高；沥青的黏附力逐渐下降，部分黏性损失。

（4）结合老化前后宏观指标变化、沥青形貌图及微观力学图像可知，蜂状结构为沥青质与蜡晶聚合物，在老化后面积增加，表明沥青质含量增大，因此微观尺度下DMT 模量增大；非蜂状结构为轻质组分，在老化后面积减少，因此微观尺度下黏附力下降。老化前沥青微观形貌、微观力学图像与宏观指标的变化，呈现出一致性。