關鍵詞：道路工程 | 瀝青老化 | 流變性能 | 化學組成 | 微觀形貌

瀝青作為常見的一種路面膠結(jié)材料，被廣泛應用于瀝青路面建設。瀝青在生產(chǎn)、貯藏、運輸、施工以及路面長期服役過程中，受到外界環(huán)境與行車荷載的不斷作用，不可避免地會發(fā)生老化，進而導致瀝青各項性能的衰變[2，3]。由于瀝青材料老化等原因，瀝青路面會出現(xiàn)表面剝落、裂縫等病害，降低服役性能[4]。

瀝青的流變性對于瀝青路面的路用性能有著非常重要的影響，動態(tài)剪切流變儀被廣泛地應用到了瀝青流變性測試中[5-8]。有學者采用動態(tài)流變剪切儀對各老化后的瀝青試樣進行動態(tài)頻率掃描試驗，得到瀝青的復數(shù)剪切模量、相位角主曲線，進而獲得各試樣的交叉模量，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青的氧化會造成其流變性能的大幅度下降，是瀝青老化的主要原因[9，10]；近年來，隨著科學技術與試驗儀器的不斷進步與更新，境內(nèi)外學者越來越注重瀝青的化學組成與微觀形貌結(jié)構(gòu)研究[4，11-14]。方金苗等[15]利用凝膠滲透色譜、原子力顯微鏡等微觀表征方法對生物瀝青再生機理進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著生物質(zhì)重油摻量的增大，瀝青中膠團逐漸解聚，得到的小蜂狀結(jié)構(gòu)逐漸被瀝青中的輕組分溶解，蜂狀結(jié)構(gòu)逐漸變小，且數(shù)目增多；Gong等[16]量化研究了瀝青微觀結(jié)構(gòu)與其化學組分之間的關系，發(fā)現(xiàn)瀝青AFM圖像粗糙度與瀝青極性組分和非極性組分的比例有較高相關性。

為了能夠更深入地探究瀝青老化對于瀝青流變性能的影響，本研究選取90號基質(zhì)瀝青為研究對象，進行室內(nèi)模擬老化試驗，分別得到短期老化與長期老化后瀝青試樣，借助DSR、傅里葉光譜儀與原子力顯微鏡對瀝青老化前后試樣的流變性能、內(nèi)部化學組分與微觀形貌結(jié)構(gòu)進行分析，探究瀝青老化過程中內(nèi)部化學組分與微觀形貌變化對其流變性能的影響，為瀝青熱氧老化研究以及瀝青再生技術提供理論參考。

試驗

試驗原材料

本研究選取90號基質(zhì)瀝青為研究對象，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[17]所述試驗方法對基質(zhì)瀝青進行相關性能的測試，其基本性能指標如表1所示。

試驗方法

(1)室內(nèi)老化試驗

采用82型旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱對90號基質(zhì)瀝青進行短期老化試驗，計取35g±0.5g瀝青試樣裝入老化瓶中，旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱溫度設定為163℃±0.5℃，空氣流量為(4000±200)mL/min，箱轉(zhuǎn)動速度為(15±0.2)r/min，老化時間持續(xù)85min，薄膜烘，即獲得短期老化后的瀝青試樣。對短期老化后瀝青殘留物進行壓力老化試驗，模擬長期老化過程。采用9300型壓力老化容器，試驗參數(shù)為：老化溫度100℃，空氣壓力2.1MPa，試驗時間24h。

(2)動態(tài)流變剪切試驗

采用美國某公司研發(fā)的Discovery系列DHR-2型動態(tài)剪切流變儀進行流變試驗，儀器如圖1所示。試驗所用的剛轉(zhuǎn)子直徑為25mm，間隙為1mm，對試樣進行溫度掃描。試驗條件為：采用應變控制模式，原樣瀝青應變γ=12％，RTFOT老化瀝青應變γ=10％，壓力老化(PAV)瀝青γ=1％；試驗頻率為10rad/s；溫度按照PG分級，分別為46℃、52℃、58℃、64℃、70℃、76℃。

(3)傅里葉紅外光譜試驗

采用德國某公司生產(chǎn)TENSORⅡ紅外光譜儀(如圖2所示)測量基質(zhì)瀝青與老化瀝青紅外光譜圖，并進行對比分析，判斷瀝青老化過程中化學特征官能團變化。采用溴化鉀壓片法制樣，測試時，紅外光譜掃描范圍為4000～400cm ^-1，掃描分辨率為4cm ^-1。

(4)原子力顯微鏡試驗

試驗用原子力顯微鏡采用Dimension Icon型原子力顯微鏡，如圖3所示。試驗采用熱滴法制樣，即將瀝青加熱至110℃，呈液狀，滴到事先準備好的2.5cm×8cm×0.3cm玻璃片上自流平，即可獲得AFM試樣。試驗參數(shù)為：掃描頻率1.5HZ，掃描區(qū)域30μｍ×30μｍ，每個掃描區(qū)域掃描256×256個點。

試驗結(jié)果與討論

瀝青流變性能試驗結(jié)果與分析

圖4給出了瀝青在老化過程中流變性能試驗結(jié)果。由圖4(a)、4(b)可知，老化后的瀝青相位角明顯降低，復數(shù)模量增大。在炎熱夏季，路表溫度可以達到60℃左右，故取瀝青在58℃溫度條件下為例進行研究，如圖4(d)所示。在58℃下，相位角由原樣的85.9°經(jīng)過短期老化與長期老化后分別降低到84.2°與76.4°，復數(shù)模量由原樣的2.39kPa，經(jīng)過短期老化與長期老化后分別增長到4.17kPa與20.05kPa。

由圖4(c)可知，隨著溫度的不斷升高，瀝青車轍因子不斷減小，抗車轍性能不斷降低。對比短期老化、長期老化后瀝青與原樣瀝青車轍因子試驗結(jié)果可知，瀝青老化后其抗車轍因子增大，高溫性能優(yōu)于原樣瀝青。取58℃下3組試驗樣品的抗車轍因子數(shù)據(jù)，如圖4(e)，原樣瀝青車轍因子為2.38kPa，短期老化后車轍因子為4.15kPa，長期老化后瀝青車轍因子為19.48kPa，表明長期老化對于瀝青高溫流變性能的影響程度遠大于短期老化。

傅里葉變換紅外光譜試驗結(jié)果與分析

圖5(a)～5(c)給出了原樣瀝青與RTFOT、PAV老化后瀝青的傅里葉變換紅外光譜變化，原樣瀝青、RTFOT老化瀝青以及PAV老化瀝青特征吸收峰位置基本相同，只是吸收峰的強度有所差異。

圖5(a)中原樣瀝青在1698cm^-1上沒有峰位，圖5(b)中基質(zhì)瀝青經(jīng)過RTFOT老化后在1698cm^-1處也沒出現(xiàn)峰，而圖5(c)中基質(zhì)瀝青經(jīng)過PAV老化后在1698cm^-1出現(xiàn)了吸收峰，說明基質(zhì)瀝青經(jīng)過短期老化后生成羥基不明顯，而長期老化醛、酮等含氧組分含量變化較短期老化更加明顯；隨著老化過程的不斷加深，瀝青紅外光譜圖中1030cm^-1處亞砜基官能團所對應的峰值逐漸增大，說明瀝青老化過程中，其內(nèi)部硫元素與氧結(jié)合生成含氧的亞砜基官能團。

瀝青微觀形貌試驗結(jié)果與分析

將原樣瀝青與短期老化、長期老化后瀝青試樣在相同試驗條件下進行AFM試驗，得到各試樣的AFM微觀形貌圖像。對圖像進行二值化處理，發(fā)現(xiàn)圖中出現(xiàn)明顯的兩相結(jié)構(gòu)，一般認為是蜂窩結(jié)構(gòu)與連續(xù)相，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，瀝青經(jīng)過室內(nèi)模擬老化，其“蜂”形結(jié)構(gòu)數(shù)量和面積發(fā)生明顯變化，短期老化后的瀝青“蜂”形結(jié)構(gòu)較基質(zhì)瀝青而言，其數(shù)量與面積基本相似，而長期老化后瀝青“蜂”形結(jié)構(gòu)較基質(zhì)瀝青有著明顯的差異，長期老化后瀝青“蜂”形結(jié)構(gòu)數(shù)量明顯變得密集，且單個“蜂”形結(jié)構(gòu)變小。其原因在于，瀝青在老化過程中伴隨有內(nèi)部化學組分的變化，主要體現(xiàn)在非極性組分(飽和分、芳香分)向極性組分(膠質(zhì)、瀝青質(zhì))轉(zhuǎn)化，導致“蜂”形結(jié)構(gòu)數(shù)量和面積發(fā)生改變，使得瀝青內(nèi)部分子量相互作用力增強，進而影響瀝青的流變性能。

微觀指標與流變性能相關性分析

在瀝青不斷老化過程中，其流變性能是由瀝青自身微觀形貌結(jié)構(gòu)與內(nèi)部化學組成變化所引起的，因此，瀝青的流變性能變化與微觀形貌結(jié)構(gòu)、化學組成之間必然存在一定的相關性。

本研究利用紅外光譜測定瀝青老化過程中其內(nèi)部特征官能團變化情況。瀝青在老化過程中會與空氣中的氧氣生成系列極性含氧官能團，如羥基、亞砜、酮等，使得瀝青內(nèi)部分子間作用力更加緊密。此外，AFM得到的微觀形貌圖像顯示瀝青內(nèi)部“蜂”形結(jié)構(gòu)在老化作用下數(shù)量逐漸增多。根據(jù)“蜂”形結(jié)構(gòu)與瀝青質(zhì)含量之間的相關性可知，隨著老化過程不斷加深，“蜂”形結(jié)構(gòu)數(shù)量增多，即瀝青內(nèi)部瀝青質(zhì)含量增大，這與瀝青流變性能結(jié)果中相位角減小、復數(shù)模量以及車轍因子增大結(jié)果一致。

結(jié)語

(1)隨著瀝青老化程度的不斷加深，其相位角減小、車轍因子與復數(shù)模量增大，高溫性能相對原樣瀝青有所提升；長期老化作用對于瀝青老化程度影響明顯強于短期老化，即瀝青老化主要發(fā)生在長期服役階段。

(2)紅外光譜試驗表明，瀝青老化過程中伴隨著一系列含氧特征官能團的生成，導致瀝青分子量變大，進而影響瀝青的流變性能。

(3)瀝青AFM試驗中，“蜂”形結(jié)構(gòu)在老化作用下，其數(shù)量增多，總體面積增大。

(4)在老化過程中，瀝青流變性能與其內(nèi)部化學組分和微觀形貌結(jié)構(gòu)的變化存在著一定的相關性，瀝青的內(nèi)部化學組分與微觀形貌結(jié)構(gòu)的變化對瀝青流變性能變化起決定性作用，而瀝青流變性能則是其內(nèi)部化學組分與微觀形貌結(jié)構(gòu)變化的具體表現(xiàn)。

參考文獻：

[1]栗培龍.道路瀝青老化行為與機理研究[D].西安:長安大學,2007:95.

[2]Rebelo L M,de Sousa J S,Abreu A S, et al. Aging of asphaltic binders investigated with atomic force microscopyLJ.Fuel,2014,(117):15-25.

[3]雷俊安,鄭南翔,董善真.長期老化對瀝青表面能及其與集料粘附性影響[J].建筑材料學報,2020:1-11.

[4]耿九光.瀝青老化機理及再生技術研究[D].西安:長安大學,2009:193.

[5]李秀君.瀝青流變特性研究[D].西安:長安大學2002:87.

[6]李凱.瀝青結(jié)合料流變性能與低溫性能研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古大學,2019:121.

[7]王佳妮.模擬紫外環(huán)境下瀝青流變行為及老化機理的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2008:202.

[8]李寧,申愛琴,周彬,等.基于流變和微觀分析的 PR改性瀝青老化性能評價[J].材料科學與工程學報2019,37(5):812-816.

[9]朱新春,馬翔,孟令國.SBS 改性瀝青老化后的流變特性[J].公路交通科技:應用技術版，2018,14(2)89-91.

[10] Lv S,Peng X,Liu C,et al. Aging resistance evaluation of asphalt modified by Buton-rock asphalt and biooil based on the rheological and microscopic characteristics[J].Joumal of Cleaner Production,2020,(257):120589.

[11]李晶,劉字,張肖寧.瀝青老化微觀機理分析[J].硅酸鹽通報,2014,33(6):1275-1281.

[12]金大中,錢國平,白獻萍,等.瀝青紫外光老化研究進展[J].中外公路,2019,39(5):209-214.

[13]楊震.瀝青老化前后多尺度行為特性研究[D].廣州:華南理工大學,2018:182.

[14]李萍,念騰飛,魏定邦,等.FTIR 定量分析方法與老化瀝青流變參數(shù)新探[J].華中科技大學學報:自然科學版,2018,46(2):34-39.

[15]方金苗,韓治勇,涂勁松,等.生物質(zhì)重油再生瀝青流變性能及再生機理研究[J].硅酸鹽通報,2019,38(4):1024-1029.

[16]Gong M, Yang J, Wei J,et al. Quantitative characterisation of asphalt's composition-microstructure relationship based on atomic force microscopy ,differential scanning calorimetry,and Fourier transform infrared spectroscopy tests[J].Road Materials and PavementDesign,2017,18(3):507-532.

[17]JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].

全文完 發(fā)布于《公路》2021年5月 

我司部分文章來源于網(wǎng)絡，未能與原作者取得聯(lián)系，如涉及版權(quán)問題請與我們聯(lián)系，我們會及時處理刪除

瀝青壓力老化容器用來模擬現(xiàn)場瀝青在服務5～10年后（長期老化）老化，試樣暴露在高壓和高溫環(huán)境20小時（可選99小時），意大利matest瀝青壓力老化試驗儀（PAV）符合實驗室相關瀝青老化標準。瀝青壓力老化試驗儀由不銹鋼壓力容器（AISI304，由ASME和CE認證）和圍繞容器的加熱器組成，壓縮空氣至少2.1MPa，壓力調(diào)節(jié)器維持實驗要求的老化條件。

產(chǎn)品特點

▍瀝青壓力老化試驗儀具備堅固的不銹鋼機架和容器

▍快速預加熱系統(tǒng)，可預加熱到 80℃，以便縮短調(diào)制時間

▍定時器預設時間和日期，可在設定的時間自動啟動機器

▍創(chuàng)新設計的冷卻系統(tǒng)

▍全自動，半自動和手動三種測試模式可選

▍溫度和壓力實時監(jiān)測

▍集成 7 英寸彩色觸屏控制器

▍通過傳感器實時壓力監(jiān)測，標準規(guī)范試驗壓力 2.1±0.03MPa

▍通過 CE 和 ASME認證

用于瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(RTFOT)，以測試瀝青薄膜在旋轉(zhuǎn)中受溫度和空氣對其的影響，測定試驗前后瀝青性質(zhì)的變化，以評價其老化性能。意大利matest的瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱外部框架和內(nèi)室壁都是不銹鋼制成，雙層中間有隔熱的玻璃鋼，門上有大玻璃觀察窗方便檢查。瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱須連接一個合適的空氣壓力源。包括一個高精度的數(shù)字式溫控系統(tǒng)來確保163℃的測試溫度，ASTM 13C標準溫度計，循環(huán)通風裝置和一套8個的玻璃試驗罐，64 x 140mm ( 直徑 x 高度），瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱配備一個雙重的恒溫器以防止溫度過高。

產(chǎn)品特點

▍B066M KIT瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱，可通過 7 英寸彩色觸摸屏控制

▍高精度數(shù)字式溫控系統(tǒng)

▍保護裝置，配備一個雙重的恒溫器以防止溫度過高，測試過程中，意外打開門時，開關將自動關閉

▍保護門開啟、鼓風機仍運轉(zhuǎn)時，將自動指示燈和警報提示

▍設備內(nèi)外整體為高品質(zhì)不銹鋼結(jié)構(gòu)

▍ 雙層玻璃觀察窗，符合抗熱外殼要求，配備流量計，帶空氣流動調(diào)節(jié)器，數(shù)字式電子溫度調(diào)節(jié)器，PID 操作模式

了解更多產(chǎn)品信息，獲取產(chǎn)品資料，歡迎垂詢TIPTOP卓致力天

服務熱線 | 400-633-0508    郵箱：tiptop@tiptoptest.com