代 震， 沈菊男， 石鵬程

(蘇州科技大學(xué) 道路工程研究中心， 江蘇 蘇州 215011)

基于瀝青微觀形貌與流變性研究SBS改性對(duì)其老化的影響

代 震， 沈菊男， 石鵬程

(蘇州科技大學(xué) 道路工程研究中心， 江蘇 蘇州 215011)

通過(guò)考察瀝青的納米微觀形貌和流變性變化，探討了SBS改性劑對(duì)瀝青老化性能影響的微觀機(jī)理。用原子力顯微鏡(AFM)測(cè)定SBS改性前后2種瀝青的3種老化狀態(tài)[原狀、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化(RTFOT)、RTFOT+壓力容器老化(PAV)]的微觀形貌變化。同時(shí)，利用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(RV)和動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)定了2種瀝青在上述3種不同老化階段的135℃旋轉(zhuǎn)黏度、抗車轍因子和疲勞開(kāi)裂因子。結(jié)果表明，加入SBS改性劑，在原狀和RTFOT+ PAV老化階段，比相應(yīng)的基質(zhì)瀝青增加了“蜂狀結(jié)構(gòu)”的“崎嶇”程度，但在RTFOT老化階段，“崎嶇”程度則減輕；因老化而引起的“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量的減少，與瀝青黏度增加和抗車轍因子指標(biāo)增大的趨勢(shì)正相關(guān)；表征“蜂狀結(jié)構(gòu)”AFM因子中的面積差因子與瀝青老化進(jìn)程中旋轉(zhuǎn)黏度和抗車轍因子指標(biāo)呈現(xiàn)顯著線性相關(guān)的關(guān)系。

道路工程； AFM形貌圖； 蜂狀結(jié)構(gòu)； 瀝青老化； 流變性

普通瀝青路面設(shè)計(jì)壽命為15年，因此每隔一定時(shí)間，瀝青路面都要翻修養(yǎng)護(hù)。一方面翻修養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，需要占用過(guò)往車輛的在途時(shí)間；另一方面在石油資源日益緊張的情況下，翻修養(yǎng)護(hù)需要消耗大量瀝青資源。為此，瀝青科研工作者廣泛開(kāi)展關(guān)于瀝青路面老化規(guī)律及相關(guān)機(jī)理的研究[1-13]，以期最大限度地延緩瀝青老化，進(jìn)而延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。

近年來(lái)，原子力顯微鏡(AFM)測(cè)試方法在瀝青研究中得到廣泛應(yīng)用，其觀測(cè)分辨率與掃描電子顯微鏡(SEM)較為相近，但其制樣較后者更為簡(jiǎn)便；在從三維角度高分辨率觀測(cè)材料表面微觀結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還能夠進(jìn)行微米級(jí)區(qū)域力學(xué)性能的測(cè)量分析。尤為重要的是，SEM觀測(cè)必須在高真空條件下進(jìn)行，由于對(duì)電子束轟擊十分敏感，瀝青材料中的輕質(zhì)組分在觀測(cè)時(shí)可能揮發(fā)或?yàn)R射，使觀測(cè)到的微觀結(jié)構(gòu)與實(shí)際真實(shí)狀態(tài)不相符合，而使用AFM則不存在上述問(wèn)題[14]。

瀝青內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，且國(guó)內(nèi)外對(duì)此的認(rèn)知并不完善。AFM觀測(cè)到的典型“蜂狀結(jié)構(gòu)”實(shí)際上是瀝青微觀相分離行為的一種體現(xiàn)。這種微觀結(jié)構(gòu)的變化與瀝青性能的變化有某種內(nèi)在聯(lián)系。Hung等[15]利用AFM觀察了在受力過(guò)程中的瀝青形貌，特別是“蜂狀結(jié)構(gòu)”的變化。若能以這種典型“可視性”微觀結(jié)構(gòu)圖像為研究手段，尋找其形貌特征的評(píng)價(jià)方法，再探索“蜂狀結(jié)構(gòu)”在不同老化狀態(tài)下的特征變化規(guī)律，可進(jìn)一步指導(dǎo)瀝青老化微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間聯(lián)系的研究[16]。

美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)摒棄了傳統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)體系，用反映瀝青流動(dòng)性、永久變形、疲勞開(kāi)裂等路用性能的流變力學(xué)指標(biāo)代之，使對(duì)瀝青材料的評(píng)價(jià)更接近工程實(shí)際，更具科學(xué)性和說(shuō)明性[17]。其路用性能規(guī)范以瀝青135℃旋轉(zhuǎn)黏度儀(RV)實(shí)驗(yàn)結(jié)果列為施工性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定瀝青結(jié)合料的高溫穩(wěn)定性能和中溫疲勞性能。DSR實(shí)驗(yàn)中復(fù)數(shù)剪切模量(G*)是材料重復(fù)剪切變形時(shí)總阻力的度量，它包括彈性(可恢復(fù))和黏性(不可恢復(fù))兩部分，相位角(δ)是可恢復(fù)和不可恢復(fù)變形數(shù)量的相對(duì)指標(biāo)，這些參數(shù)都與瀝青流變性相關(guān)聯(lián)。瀝青的流變性能主要指瀝青在不同溫度和不同剪變率(剪切速率)下所呈現(xiàn)的流動(dòng)和變形性能，該性能與瀝青的路用性能有直接關(guān)系。

為了更好地研究改性劑對(duì)瀝青的改性機(jī)理，筆者嘗試結(jié)合微觀“蜂狀結(jié)構(gòu)”的形貌變化規(guī)律和反映宏觀路用性能的SHRP流變力學(xué)指標(biāo)，進(jìn)一步研究瀝青老化進(jìn)程中，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)對(duì)流變力學(xué)指標(biāo)及對(duì)應(yīng)微觀“蜂狀結(jié)構(gòu)”形貌變化規(guī)律起的改性作用，為瀝青添加劑的抗老化機(jī)理研究提供一個(gè)可行的研究切入點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)采用韓國(guó)雙龍石油化工有限公司生產(chǎn)的70#基質(zhì)瀝青，和蘇州三創(chuàng)路面工程有限公司以此為原材料自制的SBS(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%)摻量的廠拌改性瀝青，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)過(guò)程按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

表1 雙龍基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青性能指標(biāo)Table 1 Properties of Ssangyong base asphalt and SBS modified asphalt

1.2 AFM試樣制備

旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化(RTFOT)是模擬瀝青加熱拌合、儲(chǔ)存及鋪筑過(guò)程的短期熱老化，壓力容器老化(PAV)是模擬瀝青在道路使用過(guò)程中發(fā)生的長(zhǎng)期氧化老化。本工作是研究SBS在老化過(guò)程中所起的作用，文中瀝青老化3個(gè)階段指原狀、RTFOT和RTFOT+PAV。

采用熱鑄法制備AFM試樣。方法如下:(1)將試樣加熱至流動(dòng)狀態(tài)；(2)用玻璃棒攪拌一下，沾一滴置于玻璃質(zhì)載玻片中央；(3)將載玻片傾斜置于135℃烘箱，讓瀝青自由流動(dòng)，流動(dòng)起始點(diǎn)出現(xiàn)栗黃色薄膜為止，時(shí)間因?yàn)r青類型不同略有差別，約15 min；(4)將試樣取出自然冷卻至室溫，觀測(cè)。

1.3 AFM和瀝青流變性能的實(shí)驗(yàn)方法

(1)AFM實(shí)驗(yàn)采用Bruker公司生產(chǎn)的Icon型原子力顯微鏡，采用PeakForceQNM模式。探針彈性常數(shù)0.4 N/m；掃描速率1 Hz；掃描面積20 μm×20 μm；分辨率512×512，本實(shí)驗(yàn)偏重研究力圖Height分圖中的“Roughness(粗糙度)”因子。

(2)RV實(shí)驗(yàn)采用NDJ-1C型布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)。影響旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試結(jié)果的主要因素有：旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的大小(即轉(zhuǎn)子型號(hào))、旋轉(zhuǎn)速率(轉(zhuǎn)速或剪切速率)、實(shí)驗(yàn)溫度和試樣的容積等。對(duì)于Brookfield黏度計(jì)而言，采用統(tǒng)一的試樣管進(jìn)行盛樣，不用考慮試樣容積的影響，只需考慮旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速和實(shí)驗(yàn)溫度的影響。目前測(cè)試瀝青黏度的實(shí)驗(yàn)方法都是參照SHRP方法，但各國(guó)的實(shí)際情況可能稍有不同。本實(shí)驗(yàn)選用美國(guó)SHRP方法測(cè)定瀝青的表觀黏度。考慮到2種瀝青的黏性差異以及測(cè)量精度，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試統(tǒng)一采用27#轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速50 r/min下測(cè)試瀝青的135℃布氏黏度[18]。

(3)DSR實(shí)驗(yàn)采用英國(guó)Bohlin CVO 100D型旋轉(zhuǎn)流變儀，依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 峰力值輕敲(PeakForce QNM)模式下AFM分析

Loeber最早利用AFM觀察瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，并把納米級(jí)黑白相間條紋結(jié)構(gòu)命名為“蜂狀結(jié)構(gòu)”，解釋其形成源于瀝青質(zhì)的團(tuán)聚[19]。隨后關(guān)于“蜂狀結(jié)構(gòu)”的研究越來(lái)越多，學(xué)者一般認(rèn)可的有2種：其一是微晶蠟成核生長(zhǎng)機(jī)理，即以強(qiáng)極性的瀝青質(zhì)為晶核并包裹蠟分子生長(zhǎng)而成[20]；其二是旋節(jié)線分解機(jī)理，即二元以上的多組分高分子體系，在不穩(wěn)定分解曲線(不穩(wěn)定區(qū)域自由能對(duì)組分的二階導(dǎo)數(shù)零點(diǎn)隨溫度變化所繪的曲線)所包圍的區(qū)域內(nèi)，基于組分密度起伏導(dǎo)致的組分體系能量的降低，自發(fā)的由低濃度相向高濃度相擴(kuò)散，形成穩(wěn)定的二相體系。這兩種理論都指向?yàn)r青的老化必然伴隨著微觀結(jié)構(gòu)的改變。下面試圖通過(guò)AFM數(shù)據(jù)探尋和探討瀝青老化對(duì)應(yīng)微觀“蜂狀結(jié)構(gòu)”的變化規(guī)律以及SBS所起的改性作用。

結(jié)合儀器自帶的圖像處理分析軟件——NanoScope Analysis，定性和定量對(duì)掃描的2D和3D圖像進(jìn)行處理。AFM掃描管因容易受到諸如噪音等因素的影響，出現(xiàn)弧形運(yùn)動(dòng)和漂移，一般AFM掃描圖不是理想水平，而NanoScope Analysis軟件的自動(dòng)平滑處理(Flatten)按鈕能平整化AFM掃描圖，F(xiàn)latten的主要原理是對(duì)掃描的每行數(shù)據(jù)經(jīng)行多項(xiàng)式擬合，修正掃描過(guò)程中出現(xiàn)的弧形扭曲和傾斜。本實(shí)驗(yàn)中AFM數(shù)據(jù)均是經(jīng)Flatten處理過(guò)的。圖1是Flatten處理后的SBS改性瀝青RTFOT+PAV殘留物試樣2D和3D對(duì)比圖。

本研究從各AFM試樣栗黃色薄膜區(qū)域上隨機(jī)選3點(diǎn)做3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。在處理AFM的2D、3D圖像及數(shù)據(jù)時(shí)，在PeakForce QNM模式高度(Height)分圖粗糙度(Roughness)指標(biāo)參數(shù)中發(fā)現(xiàn)下列3個(gè)因子參數(shù)有一定的規(guī)律。這3個(gè)因子參數(shù)分別是掃描區(qū)域的崎嶇表面展平到X-Y面的面積差百分比(Image surface area difference，簡(jiǎn)稱ISAD)、高度(Height)均方根(Rq)和高度(Height)極大值與極小值之差(Rmax)。上列3個(gè)參數(shù)雖然是在整個(gè)掃描區(qū)域上統(tǒng)計(jì)的，但其在“平原區(qū)”的變化幾乎為零，主要因“蜂狀結(jié)構(gòu)”的形貌改變而變化。因此，完全可以用來(lái)表征“蜂狀結(jié)構(gòu)”的形貌變化規(guī)律。

圖1 AFM自帶NanoScope Analysis軟件Flatten處理SBS改性瀝青RTFOT+PAV殘留物試樣二維和三維AFM掃描高度圖Fig.1 AFM height images of RTFOT+ PAV residuals of SBS modified asphalt flattened by Nano Scope Analysis software(a) 2D height image after flatten； (b) 3D height image before flatten； (c) 3D height image after flatten

2.1.1 基質(zhì)瀝青AFM分析

基質(zhì)瀝青的3組AFM因子原始數(shù)據(jù)列于表2。由表2發(fā)現(xiàn)，從原狀到RTFOT再到RTFOT+PAV老化，基質(zhì)瀝青的ISAD、Rq和Rmax的平均值均是先增加后減小。

表2 3個(gè)基質(zhì)瀝青試樣的AFM因子Table 2 AFM factor of base asphalt samples

ISAD—Image surface area difference

與原狀瀝青的微觀結(jié)果相比，基質(zhì)瀝青RTFOT老化后的ISAD、Rq和Rmax增幅分別為+0.035 百分點(diǎn)、+0.650 nm和+20.334 nm，RTFOT+PAV老化的增幅分別是-0.002百分點(diǎn)、+0.107 nm和+13.667 nm。由于“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量隨著老化程度的加深在減少，老化后的“蜂狀結(jié)構(gòu)”變得更加“崎嶇”，即“蜂狀結(jié)構(gòu)”表面形貌的褶皺程度增加。

圖2為基質(zhì)瀝青3個(gè)老化階段的2D AFM掃描Height圖。由圖2發(fā)現(xiàn)，隨著老化的加深，Height圖中，不但部分“蜂狀結(jié)構(gòu)”尺寸在持續(xù)增大，而且“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量還在減少。原樣階段的“蜂狀結(jié)構(gòu)”典型的短、小和密。RTFOT老化階段的“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量開(kāi)始減少，小部分“蜂狀結(jié)構(gòu)”長(zhǎng)度增加即黑白相間條紋數(shù)增多，個(gè)別“蜂狀結(jié)構(gòu)”還出現(xiàn)交叉合并共同生長(zhǎng)的現(xiàn)象，上述變化可能是“蜂狀結(jié)構(gòu)”團(tuán)聚發(fā)生所造成[19]。RTFOT+PAV老化階段的“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量在繼續(xù)減少，小尺寸“蜂狀結(jié)構(gòu)”明顯減少，個(gè)別“蜂狀結(jié)構(gòu)”尺寸顯著大于其他。

圖2 基質(zhì)瀝青試樣(20 μm×20 μm)3個(gè)老化階段的2D AFM掃描Height圖Fig.2 2D height images within 20 μm×20 μm of base asphalt samples by AFM(a) Original； (b) RTFOT residual； (c) RTFOT+PAV residual

2.1.2 SBS改性瀝青AFM分析

SBS改性瀝青的3組AFM因子原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3發(fā)現(xiàn)，從原狀到RTFOT再到RTFOT+PAV老化，ISAD因子一直增加，Rq因子先減小后增加，Rmax因子先增加后減小。

與SBS改性瀝青原狀相比，SBS改性瀝青RTFOT老化后的ISAD、Rq和Rmax增幅分別為+0.009 百分點(diǎn)、-0.420 nm和+4.333 nm，RTFOT+PAV老化的增幅分別是+0.022 百分點(diǎn)、-0.137 nm和-11.134 nm。考慮到“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量隨著老化程度的加深在減少，老化后“蜂狀結(jié)構(gòu)”變得更加“崎嶇”，這點(diǎn)與基質(zhì)瀝青相同。

表3 3個(gè)SBS改性瀝青試樣的AFM因子Table 3 AFM factor of SBS modified asphalt samples

為了探索SBS對(duì)瀝青納米微觀形貌的改性機(jī)理，將SBS改性前后2種瀝青的AFM因子做了對(duì)比，列于表4。由表4可知，與基質(zhì)瀝青相比，SBS改性瀝青的3個(gè)AFM因子在老化3個(gè)階段的變化如下：原狀階段的增幅依次為+0.012百分點(diǎn)、+0.92 nm 和+10.834 nm，RTFOT老化階段的增幅分別是-0.014百分點(diǎn)、-0.150 nm和-5.167 nm，RTFOT+PAV老化階段的增幅為+0.036百分點(diǎn)、+0.690 nm和-13.300 nm。除RTFOT+PAV老化下Rmax增幅符號(hào)異變外，3個(gè)AFM因子增幅在老化3個(gè)階段均正相關(guān)。由上列因子增幅變化可知，SBS在原狀和RTFOT+PAV氧老化階段，對(duì)“蜂狀結(jié)構(gòu)”微觀形貌的“崎嶇”程度起正相關(guān)影響，在RTFOT熱老化期間起了負(fù)相關(guān)影響。

表4 SBS改性前后2種瀝青試樣的3個(gè)老化階段AFM因子對(duì)比Table 4 AFM factors of two kinds of asphalt samples at three aging states before and after SBS modification

此外，對(duì)比各自瀝青RTFOT殘留物的Rmax，基質(zhì)瀝青RTFOT+PAV殘留物Rmax的增幅為-7.334 nm，SBS改性瀝青增幅為-15.467 nm，2種瀝青RTFOT+PAV老化期間Rmax均在減小，說(shuō)明“蜂狀結(jié)構(gòu)”在RTFOT+PAV老化階段存在扁平化趨勢(shì)。聯(lián)系上段所述SBS改性瀝青RTFOT+PAV老化下Rmax增幅符號(hào)異變，說(shuō)明SBS有助于加深這種趨勢(shì)。

圖3為SBS改性瀝青3個(gè)老化階段的2D AFM掃描 Height圖。由圖3可見(jiàn)，跟基質(zhì)瀝青一樣，隨著老化的加深，改性瀝青中的“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量一直在減少，部分“蜂狀結(jié)構(gòu)”尺寸在持續(xù)增大。對(duì)比圖2(a)和圖3(a)以及2種瀝青原狀的ISAD因子，發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青有著更加密集的“蜂狀結(jié)構(gòu)”分布，“平原區(qū)”面積也大大減小，說(shuō)明SBS能夠誘發(fā)“平原區(qū)”產(chǎn)生更多的“蜂狀結(jié)構(gòu)”并促使“蜂狀結(jié)構(gòu)”發(fā)育長(zhǎng)大。

圖3 SBS改性瀝青試樣(20 μm×20 μm)的3個(gè)老化階段的2D AFM掃描Height圖Fig.3 2D height images within 20 μm ×20 μm of SBS modified asphalt samples by AFM(a) Original； (b) RTFOT residual； (c) RTFOT+PAV residual

RTFOT老化階段的“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量同樣開(kāi)始減少，個(gè)別“蜂狀結(jié)構(gòu)”依然出現(xiàn)交叉合并共同生長(zhǎng)的現(xiàn)象?！胺錉罱Y(jié)構(gòu)”交叉合并共同生長(zhǎng)的現(xiàn)象目前只出現(xiàn)在SBS改性前后2種瀝青的RTFOT老化階段。在SBS改性瀝青的原狀階段，部分“蜂狀結(jié)構(gòu)”有靠近的趨勢(shì)甚至是接觸，但并不是合并生長(zhǎng)，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)“蜂狀結(jié)構(gòu)”黑白相間條紋明顯的各自獨(dú)立存在，而不似RTFOT階段的聯(lián)結(jié)交融。

RTFOT+PAV老化階段的“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量也在繼續(xù)減小。幾乎沒(méi)有小尺寸“蜂狀結(jié)構(gòu)”，這可能跟SBS在原狀階段，誘發(fā)過(guò)“平原區(qū)”產(chǎn)生“蜂狀結(jié)構(gòu)”有關(guān)。

2011年，Pauli等[21]移除了瀝青的極性組分(瀝青質(zhì)和膠質(zhì))后，發(fā)現(xiàn)“蜂狀結(jié)構(gòu)”仍會(huì)產(chǎn)生。之后在瀝青中添加微晶石蠟，發(fā)現(xiàn)“蜂狀結(jié)構(gòu)”產(chǎn)生時(shí)間并未發(fā)生明顯變化。認(rèn)為瀝青非極性組分(去蠟)參與蠟的結(jié)晶是“蜂狀結(jié)構(gòu)”產(chǎn)生的主要因素[21]。依據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，SBS改性前后2種瀝青在經(jīng)歷RTFOT和RTFOT+PAV老化后，“蜂狀結(jié)構(gòu)”的數(shù)量是逐漸減少。這是因?yàn)殡S著瀝青老化程度的加深，其非極性組分(飽和分和芳香分物質(zhì))的含量會(huì)逐漸減少。說(shuō)明非極性組分的確參與瀝青中蠟的結(jié)晶并影響“蜂狀結(jié)構(gòu)”的產(chǎn)生及其數(shù)量，筆者和Pauli的觀點(diǎn)一致。

2.2 RV實(shí)驗(yàn)

瀝青老化會(huì)導(dǎo)致瀝青路用性能變差，宏觀表現(xiàn)為瀝青黏稠度升高。旋轉(zhuǎn)黏度能直觀地反映瀝青在外力作用下抵抗剪切變形的能力，旋轉(zhuǎn)黏度越大，瀝青黏稠度也越大。由表5發(fā)現(xiàn)，對(duì)比原狀瀝青，隨著老化程度的加深，基質(zhì)瀝青旋轉(zhuǎn)黏度的增幅分別是21.7%和76.4%，SBS改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度的增幅分別是1.4%和21.7%，說(shuō)明SBS對(duì)旋轉(zhuǎn)黏度的改性作用在不同老化階段始終存在，而且改性能力隨著瀝青老化加深而加強(qiáng)；RTFOT是高溫?zé)崂匣?，PAV是壓力氧老化，SBS的改性作用并未受到老化機(jī)制變化的影響。

表5 SBS改性前后2種瀝青試樣3種老化階段135℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度Table 5 Rotational viscosity of two kinds of asphalt samples at three aging states before and after SBS modification

2.3 DSR試驗(yàn)

結(jié)合瀝青常用的路用性能等級(jí)(PG)指標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)選擇從52℃開(kāi)始做DSR實(shí)驗(yàn)，由于原狀基質(zhì)瀝青沒(méi)過(guò)70℃指標(biāo)，故下文只列出52℃到70℃之間的抗車轍因子(G*/sin(δ))。G*/sin(δ)越大，瀝青抗車轍變形能力越好。

表6為SBS改性前后2種瀝青試樣原狀和RTFOT老化階段的抗車轍因子。由表6發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青的G*/sin(δ)隨著溫度增加在降低，且RTFOT指標(biāo)均倍增于原狀。SBS改性瀝青RTFOT階段相比于原狀階段的指標(biāo)增幅，隨著溫度增加在變小，且52℃時(shí)的最大增幅才46.5%，說(shuō)明溫度的增加或老化程度的加深均會(huì)減弱SBS對(duì)瀝青抗車轍性能的改性能力。

表6 SBS改性前后2種瀝青試樣原狀和RTFOT老化階段的抗車轍因子Table 6 Anti-rutting factor of two kinds of asphalt samples at two aging states before and after SBS modification

此外發(fā)現(xiàn)，同一溫度下SBS改性前后2種瀝青的RTFOT殘留物和原狀的差值相當(dāng)，推測(cè)SBS對(duì)瀝青的G*/sin(δ)的改性作用在RTFOT模擬的短期熱老化階段效果不明顯，這可能與SBS的添加量少[22]、85 min的短老化時(shí)間和以輕質(zhì)組分揮發(fā)為主的熱老化方式有關(guān)。

結(jié)合瀝青的常用PG指標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)選擇從30℃開(kāi)始做PAV實(shí)驗(yàn)直到大于臨界值5 MPa結(jié)束。

測(cè)試值越低，瀝青的抗疲勞開(kāi)裂性能越好。表7為SBS改性前后2種瀝青PAV老化階段疲勞開(kāi)裂因子。由表7發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，2種瀝青的疲勞開(kāi)裂因子(G*×sin(δ))均在增加且趨勢(shì)相同，說(shuō)明SBS的改性作用在RTFOT+PAV模擬的長(zhǎng)期氧老化階段依然存在。但隨著溫度的降低，同一溫度下2種瀝青的G*×sin(δ)差值在變大，說(shuō)明SBS對(duì)瀝青抗疲勞開(kāi)裂性能的改性作用隨著溫度的降低而增強(qiáng)。

表7 SBS改性前后2種瀝青PAV老化階段疲勞開(kāi)裂因子Table 7 Fatigue cracking factor of two kinds of asphalt samples at RTFOT+PAV aging state before and after SBS modification

通過(guò)RV和DSR實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青路用性能的流變性力學(xué)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)SBS在不同溫度、不同剪變率和不同老化條件下均能發(fā)揮改性作用，改善了瀝青老化過(guò)程中的流變指標(biāo)，提高了其路用性能。

此外，由表6和表7可知，隨著老化加深，瀝青流變性能(旋轉(zhuǎn)黏度和G*/sin(δ)均增加)變差，而基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青3種老化階段AFM圖中“蜂狀結(jié)構(gòu)”的數(shù)量在減少(任意AFM縱剖面上截到的“蜂狀結(jié)構(gòu)”是減少的)，說(shuō)明“蜂狀結(jié)構(gòu)”這種微觀結(jié)構(gòu)及其數(shù)量的變化是與瀝青流變性能降低有著較好的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。

2.4 納米微觀結(jié)構(gòu)與宏觀流變性能的關(guān)系

基于SBS改性前后2種瀝青的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，筆者對(duì)瀝青老化過(guò)程中瀝青的納米微觀結(jié)構(gòu)與宏觀流變性能的關(guān)系作了分析。用線性回歸的方法來(lái)探究瀝青老化過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)變化和宏觀流變性之間的老化機(jī)理。圖4～6分別為瀝青試樣AFM掃描Height圖中面積差(ISAD)、Rq和Rmax與流變性指標(biāo)關(guān)聯(lián)圖。由圖4(a)、5(a)和6(a)可以發(fā)現(xiàn)，去除變異點(diǎn)(基質(zhì)瀝青RTFOT殘留物)后，隨著旋轉(zhuǎn)黏度的增加，表征“蜂狀結(jié)構(gòu)”的ISAD和Rq因子與之形成明顯的線性增加關(guān)系，Rmax則沒(méi)有。由圖4(b)、5(b)和6(b)發(fā)現(xiàn)，ISAD和Rmax因子與瀝青的抗車轍因子G*/sin(δ)有非常好的線性增加關(guān)系，Rq則沒(méi)有。也就是說(shuō)面積差增大的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)黏度和抗車轍因子G*/sin(δ) 指標(biāo)均會(huì)增大；高度均方根增加時(shí)，僅旋轉(zhuǎn)黏度增加；極大值與極小值高度差增大時(shí)，只抗車轍因子G*/sin(δ)增大。同樣的分析發(fā)現(xiàn)，疲勞開(kāi)裂因子G*×sin(δ)增加的同時(shí)，面積差和高度均方根是在減小，極大值與極小值高度差增加。

圖4 瀝青試樣AFM掃描height圖中面積差(ISAD)與流變性指標(biāo)關(guān)聯(lián)圖Fig.4 Image surface area difference(ISAD) obtained by AFM method with rheological property of asphalt(a) Rotational viscosity(135℃)； (b) G*/sin(δ)(58℃)

圖5 瀝青試樣AFM掃描height圖中高度均方根(Rq)與瀝青流變性指標(biāo)關(guān)聯(lián)圖Fig.5 Height root mean square obtained by the AFM method as varied with the rheological property of asphalt(a) Rotational viscosity(135℃)； (b) G*/sin(δ)(58℃)

圖6 瀝青試樣AFM掃描height圖中極大值與極小值高度差(Rmax)與瀝青流變性指標(biāo)關(guān)聯(lián)圖Fig.6 The difference between maximum and minimum heights obtained by the AFM method as varied with the rheological property of asphalt(a) Rotational viscosity(135℃)； (b) G*/sin(δ)(58℃)

隨著ISAD因子增大，瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度和抗車轍因子G*/sin(δ)指標(biāo)均呈明顯的線性相關(guān)增長(zhǎng)。同時(shí)，疲勞開(kāi)裂因子G*×sin(δ) 也減小，流變指標(biāo)的變化即瀝青流變性降低，說(shuō)明瀝青老化進(jìn)程中納米微觀形貌圖中的ISAD因子與反映瀝青流變性能的SHRP力學(xué)指標(biāo)有明顯的線性回歸關(guān)系。

3 結(jié) 論

(1)基質(zhì)瀝青“蜂狀結(jié)構(gòu)”的表面形貌，隨老化程度加深變得更加“崎嶇”。在“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量持續(xù)減少情況下的AFM表面形貌3個(gè)因子(面積差、高度均方根、極大與極小高度差)，與原狀相比，在RTFOT老化階段均增加；在RTFOT+PAV老化階段，面積差略微減少外，高度均方根和極大與極小高度差均增加。

(2)SBS改性瀝青因SBS改性劑的加入，與基質(zhì)瀝青相比，3個(gè)AFM因子在原狀階段均增加，RTFOT老化階段均減小，RTFOT+PAV的面積差和高度均方根增加，極大與極小高度差減少。此外，SBS能夠誘發(fā)瀝青原狀階段的“平原區(qū)”產(chǎn)生更多的“蜂狀結(jié)構(gòu)”并促使“蜂狀結(jié)構(gòu)”發(fā)育長(zhǎng)大。SBS改性前后2種瀝青的“蜂狀結(jié)構(gòu)”在RTFOT+PAV老化階段均出現(xiàn)扁平化的趨勢(shì)，并且SBS有助于加深這種趨勢(shì)。

(3)基質(zhì)瀝青的流變性能隨著老化加深存在變差趨勢(shì)。老化3個(gè)階段的旋轉(zhuǎn)黏度一直在增加，RTFOT殘留物的抗車轍因子G*/sin(δ) 隨溫度不同均比原狀增大約1倍。

(4)SBS改性瀝青由于SBS的改性作用，老化3個(gè)階段的旋轉(zhuǎn)黏度均倍增，但隨著老化程度加深，倍增率下降，同時(shí)旋轉(zhuǎn)黏度也存在遞增趨勢(shì)。與基質(zhì)瀝青相比，SBS改性瀝青抗車轍因子G*/sin(δ) 也有不同程度的增加。其原狀階段倍率大，隨溫度升高倍率下降；RTFOT階段倍率小，隨溫度升高倍率上升。此外發(fā)現(xiàn)，“蜂狀結(jié)構(gòu)”這種微觀結(jié)構(gòu)及其數(shù)量與反映瀝青流變性能的SHRP力學(xué)指標(biāo)有較好的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。

(5)表征“蜂狀結(jié)構(gòu)”的AFM因子中的面積差因子，跟瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度和抗車轍因子G*/sin(δ)均有高度線性增長(zhǎng)關(guān)聯(lián)，即瀝青老化進(jìn)程中的納米微觀AFM面積差因子與反映其宏觀流變性的SHRP力學(xué)指標(biāo)有明顯的線性回歸關(guān)系。

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Influence of SBS Modification on the Asphalt Aging Based on Nano-SizedTopography and Rheological Properties

DAI Zhen， SHEN Ju’nan， SHI Pengcheng

(CenterforRoadEngineeringResearch，SuzhouUniversityofScienceandTechnology，Suzhou215011，China)

The influence of SBS modifier on asphalt aging was investigated based on its nano-sized morphology and rheological properties obtained from atomic force microscope(AFM) and rheometer tests, respectively. Pen70 base asphalt and its SBS modified asphalt selected for the project were subjected to rotating thin film oven aging(RTFOT) and, subsequently, the pressure air vessel(PAV). The binders in their original state were tested as controls. The results showed that the addition of SBS makes the “bee structure” rougher than the base asphalt in original and RTFOT+PAV aging states; the number of the “bee like structure” reduced after aging was correlated with the increase of the viscosity and the anti-rutting factor；the area difference of morphology was highly related to the change of viscosity and rheological properties.

road engineering； AFM topographic； bee structure； asphalt aging； rheological property

2016-06-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378328)資助

代震，男，碩士研究生，從事瀝青路面及其材料的老化的研究；E-mail：wafdfe520@163.com

沈菊男，男，教授，博士，從事瀝青路面及其材料的老化和再生技術(shù)的研究；E-mail：shenjunan@hotmail.com

1001-8719(2017)03-0578-10

TU57+1

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.03.025