于西堯，閆祥，張文剛

(1.中鐵十八局集團有限公司 勘察設計院，天津 300350；2. 山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；3. 山東理工大學 建筑工程與空間信息學院，山東 淄博 255049)

紫外線只占太陽光總輻射量約8%左右,但其對瀝青路面性能的劣化影響卻十分大[1]。紫外線波長較小,能量較大,其對瀝青的老化機理一般可以歸結為組分的變化,具體表現(xiàn)為在紫外線的照射下,瀝青的輕質組分(飽和分和芳香分)揮發(fā),同時部分輕質組分轉變?yōu)槟z質,膠質大量地轉變?yōu)闉r青質,最終導致瀝青的黏滯性增大,低溫延性降低,耐久性變差[2]。國內外開展了大量的紫外線老化對瀝青性能的影響、評價指標、老化機理等一系列的研究,也取得了大量的研究成果,為指導我國開展瀝青路面防紫外線老化提供了技術支撐[3]。

原子力顯微技術(AFM)近幾年被廣泛應用于瀝青的研究中[4-6],其中以蜂狀結構為代表的瀝青納米尺度形態(tài)與結構的研究成果最多[7-9]。相關研究表明,瀝青質的存在是形成蜂狀結構中高度較大部分的重要因素,而長烷基側鏈尾部對瀝青質的穿插作用形成了蜂狀結構中高度較低的部分[10]。隨著研究的持續(xù)深入,基于AFM對瀝青的研究已經(jīng)開始由納觀形貌向納觀參數(shù)深入,蜂狀結構面積比、最大振幅及粗糙度等概念均已經(jīng)被提出,且被證明與瀝青的多項技術性能存在關聯(lián)[11]。單麗巖等[12]研發(fā)了一種使用AFM瀝青試樣的原位拉伸設備,并研究了拉伸荷載對瀝青在納米尺度上的損傷機理,提出了受力作用下瀝青相分離的理論。學者們還發(fā)現(xiàn),老化對于瀝青納觀形貌的改變十分顯著且存在一定規(guī)律。由于紫外線老化屬于瀝青老化的一種形式,這就為基于瀝青納觀形貌參數(shù)評價老化性能提供了可行性[13-14].

本文基于上述背景,研究了瀝青紫外線老化過程中納米尺度參數(shù)及其隨紫外線老化的變化規(guī)律。利用紫外線老化箱對90#瀝青和SBS I-C改性瀝青開展紫外線老化試驗,利用AFM獲取不同紫外線老化時間下的瀝青AFM圖,并測取不同老化時間的殘留針入度、殘留延度等技術性能,分析紫外線老化過程中瀝青的納觀形貌變化及其與瀝青相關技術指標間的規(guī)律,探明可以用于評價或描述瀝青紫外線老化過程的納米尺度參數(shù)及規(guī)律。

1 試驗設計

1.1 原材料

本文采用90#基質瀝青和SBS I-C改性瀝青為研究對象,均為山東高速物資儲運有限公司生產(chǎn),技術指標見表1,其中SBS I-C改性瀝青中SBS的含量為4.0%,母瀝青為本文所使用的90#基質瀝青。

表1 瀝青技術指標

1.2 試驗設計

利用紫外線老化箱對90#基質瀝青和SBS I-C改性瀝青進行紫外線老化試驗,盛樣皿內徑為120 mm,根據(jù)瀝青密度控制瀝青膜厚度在1 mm左右,紫外線輻照度為150 W/m2,試驗溫度選取60 ℃,老化時間選取0～240 h(間隔12 h),對紫外線老化后的瀝青進行殘留針入度及殘留延度的測試[15]。部分紫外線老化時間與實際紫外線老化時間的對應關系見表2。

表2 紫外線老化時間對照表

制作原子力顯微試件時,瀝青初始溫度為135 ℃,試件冷卻速率為2 ℃/min。采用原子力顯微鏡對不同紫外線老化時間下的瀝青進行掃描,掃描溫度為25 ℃,掃描范圍為10 μm×10 μm,AFM試件制備與掃描的過程如圖1所示。在獲取90#基質瀝青和SBS I-C改性瀝青的納觀形貌參數(shù)后,分析紫外線老化過程中瀝青的納觀形貌變化規(guī)律及其相關參數(shù)與瀝青部分技術指標間的規(guī)律。

圖1 AFM試件制備與掃描過程

2 瀝青AFM的納觀形貌參數(shù)

2.1 瀝青AFM納觀形貌

選用的AFM測試模式為輕敲模式,該模式下可以避免瀝青黏滯性所帶來的橫向力對掃描結果造成的影響,同時還可有效地保護樣品不被破壞。在掃描過程中,掃描區(qū)域選取在試樣中心附近,以避免不平整試樣對結果造成影響。在上述條件下,基于1.2中的試驗方法,掃描獲取90#基質瀝青和SBS I-C改性瀝青的AFM圖。圖2至圖5為紫外線老化前90#基質瀝青和SBS I-C改性瀝青AFM代表圖。

圖2 90#基質瀝青二維圖

如圖2至圖5所示,瀝青的AFM圖由三部分組成,即:蜂狀結構、蜂殼結構(蜂狀結構外圍高低起伏部分)以及間隙結構(蜂狀結構間高度相對穩(wěn)定部分),這其中以蜂狀結構的起伏最為劇烈。本文所使用的SBS I-C改性瀝青是基于表1所示的90#基質瀝青制備而來,但從圖2至圖5可以看出,兩種瀝青之間的AFM圖有著明顯的不同之處。圖2中,90#瀝青的間隙結構相對均勻,反映在圖3中為蜂狀結構之間的大片區(qū)域幾乎沒有高低起伏,即間隙結構面積占比較大。圖4中,SBS I-C改性瀝青的蜂狀結構顯得較為密集,蜂狀結構的平均尺寸(面積)相較于90#瀝青變小,間隙結構存在空間也有限,圖5中很難找到成片的間隙結構,間隙結構占據(jù)面積相較于90#瀝青明顯變小。

圖3 90#基質瀝青三維圖

圖4 SBSΙ-C改性瀝青二維圖

圖5 SBSΙ-C改性瀝青三維圖

2.2 瀝青納米尺度參數(shù)

2.2.1 AFM粗糙度

試驗掃描結果利用Nanoscope Analysis軟件進行讀取,利用AFM軟件采集瀝青表面的高度信息,進而可以自動計算出粗糙度的數(shù)值,本文選擇的粗糙度為均方根粗糙度(Rq),計算公式見式(1)[6]。

Rq=((?[h(x,y)-h0]2dA)/(?dA))1/2,

(1)

式中:A為掃描區(qū)域,10 μm×10 μm;h(x,y)為高度函數(shù),nm;h0為參考高度,nm,其計算公式見式(2)[6]。

h0=(?h(x,y)dA)/(?dA)。

(2)

圖6為均方根粗糙度的獲取方法,利用Nanoscope Analysis軟件的Roughness模塊可以迅速讀取選定區(qū)域的粗糙度。在試驗過程中發(fā)現(xiàn),對于同一種瀝青,相同測試條件(需嚴格控制時間成型時的降溫速率),不同測試區(qū)域(以10 μm×10 μm為單位)的粗糙相對穩(wěn)定,振幅約在3%左右,這也為粗糙度可以作為AFM納米尺度參數(shù)提供了保障。

圖6 粗糙圖測試方法

2.2.2 最大起伏高度差

本文定義基于AFM的納米尺度參數(shù)—最大起伏高度差系在10 μm×10 μm×高度(h)的三維空間中,高度最大值(hmax)與高度最小值(hmin)之間的差值。如圖7所示,hmax與hmin可以通過Nanoscope Analysis軟件讀取或計算。試驗過程中發(fā)現(xiàn),對于同一種瀝青,在嚴格控制AFM試件冷卻時的降溫速率下,不同測試區(qū)域(以10 μm×10 μm為單位)的最大起伏高度差對穩(wěn)定,振幅約在5%左右,選擇最大起伏高度差作為瀝青的納米尺度參數(shù)具有可行性。

3 瀝青抗紫外線老化性能評價研究

3.1 納米尺度參數(shù)與紫外線老化時間的關系

基于節(jié)1.2中的試驗設計,對經(jīng)受不同紫外線老化時間的90#基質瀝青和SBS I-C改性瀝青分別進行AFM掃描與測試,分別整理紫外線老化時間與粗糙度及最大起伏高度差之間的關系,如圖8和圖9所示。

圖8 紫外線老化時間與粗糙度的關系曲線

圖9 紫外線老化時間與最大起伏高度差的關系曲線

圖8和圖9顯示,隨著紫外線老化時間的延長,90#基質瀝青和SBS I-C改性瀝青的粗糙度迅速增大,任一時間下,90#基質瀝青的粗糙度的增速均大于SBS I-C改性瀝青,且在老化時間180 h左右,90#基質瀝青的粗糙度反超SBS I-C改性瀝青。隨著紫外線老化時間的持續(xù)延長,兩種瀝青粗糙度的增速逐漸減小,在老化時間為240 h時,增速已經(jīng)幾乎成為一條水平線,但兩者粗糙度的最終增加幅度差別很大。紫外線老化時間與90#基質瀝青和SBS I-C改性瀝青最大起伏高差之間的關系與粗糙度相似,隨著紫外線老化時間的延長,90#基質瀝青的最大起伏高度差的增速在任一時間下均大于SBS I-C改性瀝青,且在紫外線老化60 h左右,90#基質瀝青的最大起伏高度差反超SBS I-C改性瀝青,并在后續(xù)的紫外線老化過程中拉大差距,最大起伏高度差的最終增加幅度差別巨大。

通過上述分析可以看出,粗糙度及最大起伏高差是可以反映瀝青紫外線老化程度的兩個參數(shù),瀝青性能隨紫外線老化時間延長的衰減速率與粗糙度及最大起伏高差的數(shù)值大小有關,但與兩者的變化速率關系更為密切,參數(shù)的最終增幅可能與瀝青紫外線老化中性能的損失量存在某種聯(lián)系。

3.2 納米尺度參數(shù)與瀝青技術性能

試驗過程中發(fā)現(xiàn),90#基質瀝青和SBS I-C改性瀝青納米尺度參數(shù)的變化規(guī)律與紫外線老化后技術性能的變化規(guī)律存在著一定的非線性關系。本文測試了不同老化時間下的兩種瀝青的殘留針入度(25 ℃)和殘留延度(90#基質瀝青為15 ℃;SBS I-C改性瀝青為5 ℃)。圖10至圖13分別為粗糙度與殘留針入度、粗糙度與殘留延度、最大起伏高度差與殘留針入度、最大起伏高度差與殘留延度的關系圖。

圖10 粗糙度與殘留針入度關系圖

圖11 粗糙度與殘留延度關系圖

圖12 最大起伏高度差與殘留針入度關系圖

圖13 最大起伏高度差與殘留延度關系圖

圖10至圖13顯示粗糙度與瀝青紫外線老化后的殘留針入度及殘留延度成均負相關關系,最大起伏高度差與殘留針入度及殘留延度也呈負相關關系,這進一步地證實了粗糙度及最大起伏高差作為反映瀝青紫外線老化程度參數(shù)的可靠性。試驗結果還表明SBS I-C改性瀝青擁有比90#基質瀝青更好的改性效果,前者紫外線老化過程中的延度與針入度的損失速率相對較低,同時該規(guī)律與粗糙度及最大起伏高差隨紫外線老化時間的延長而呈現(xiàn)出的變化速率關系密切;此外,紫外線老化過程中,粗糙度及最大起伏高差的變化量與瀝青性能的損失量成正相關關系,即粗糙度及最大起伏高差變化幅度越小,瀝青在紫外線老化過程中的性能損失也就越低,其抗老化性能則越強。

粗糙度及最大起伏高差作為反映瀝青紫外線老化程度參數(shù),以及兩者隨紫外線老化時間的延長而呈現(xiàn)出的變化速率均可以歸結到瀝青納觀結構與組分層面。90#基質瀝青相對于SBS I-C改性瀝青擁有更多的輕質組分,導致其間隙結構覆蓋面積越大,隨著紫外線老化持續(xù),輕質組分相繼揮發(fā)或轉變?yōu)槊芏雀蟮哪z質或瀝青質,導致蜂狀結構增多加密,粗糙度及最大起伏高差也迅速增大;而SBS I-C改性瀝青本身的輕質組分相對較少,蜂狀結構相對集,間隙結構覆蓋面積也較小,隨著紫外線老化的持續(xù),輕質組分揮發(fā)相對于90#基質瀝青較少,粗糙度與最大起伏高差的變化速率也就相對較小。總之粗糙度及最大起伏高差可以作為反映瀝青紫外線老化程度的兩個參數(shù),兩者隨紫外線老化時間的延長而呈現(xiàn)出的變化速率及變化幅度可以分別用于評價瀝青的抗紫外線老化性能和老化量。

4 結論

通過上述研究,認為粗糙度及最大起伏高差可以作為反映瀝青紫外線老化程度的兩個參數(shù),兩者隨紫外線老化時間的延長而呈現(xiàn)出的變化速率及變化幅度可以分別用于評價瀝青的抗紫外線老化性能和老化量,本文得出的主要結論如下:

1)90#瀝青相較于SBS I-C改性瀝青擁有更大覆蓋范圍且連續(xù)的間隙結構,而后者的蜂狀結構體積相對較小且密集。

2)紫外線老化過程中,90#基質瀝青和SBS I-C改性瀝青的粗糙度及最大起伏高差均迅速增大,前者增速更大,且前者參數(shù)的最終增加幅度相對較大。

3)紫外線老化過程中,粗糙度和最大起伏高度差分別與瀝青紫外線老化后的殘留針入度及殘留延度呈負相關關系,參數(shù)的變化量與瀝青性能的損失量成正相關關系。

4)粗糙度和最大起伏高差變化速率越小,瀝青在紫外線老化過程中的性能損失速率也就越低,其抗老化性能則越強。

5)粗糙度和最大起伏高差變化幅度越小,瀝青在紫外線老化過程中的性能損失也就越低,其抗老化性能則越強。