基于熒光顯微技術(shù)的溫拌瀝青圖像分析

王召?gòu)?qiáng)，章繼忠，鄒淑國(guó)，董建勛

(青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山東 青島 266061)

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青性能研究的不斷深入，熒光顯微技術(shù)作為檢測(cè)瀝青性能的輔助手段應(yīng)運(yùn)而生。瀝青的性能與其顯微結(jié)構(gòu)有十分緊密的聯(lián)系，而且熒光顯微技術(shù)可清晰描述改性瀝青自身的微觀結(jié)構(gòu)及瀝青與外摻劑混合后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)，并對(duì)研究瀝青的宏觀性能有一定的指導(dǎo)作用。

1 熒光顯微圖像技術(shù)

近年來，熒光顯微圖像技術(shù)已成為檢測(cè)瀝青性能的一種手段。該技術(shù)是將檢測(cè)物質(zhì)放在藍(lán)紫單色光或具有一定范圍波長(zhǎng)的紫外線下照射，通過一定的手段使這種光轉(zhuǎn)換成肉眼可以觀察到的熒光， 并利用熒光鏡成像進(jìn)行檢測(cè)。由于成像的光源來自被觀測(cè)的物質(zhì)表面，因此該技術(shù)可用于非透明材質(zhì)[1-2]。

熒光顯微圖像技術(shù)在檢測(cè)瀝青自身性能方面有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下兩方面：1)瀝青試樣制備簡(jiǎn)單、檢測(cè)相對(duì)靈活，無論是檢測(cè)瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還是試件表面形態(tài)，都可進(jìn)行方便快捷的觀測(cè);2)在檢測(cè)過程中，可避免對(duì)瀝青試樣的切割，有效預(yù)防瀝青試樣形態(tài)結(jié)構(gòu)的破損。

熒光顯微圖像技術(shù)不僅可以對(duì)天然石油瀝青進(jìn)行觀測(cè)，也可以觀測(cè)煤層裂縫中的瀝青等物質(zhì)[3-4]。國(guó)內(nèi)利用熒光顯微手段對(duì)瀝青，尤其是對(duì)溫拌瀝青路用性能的研究仍處于起步階段，相關(guān)研究成果較少。因此，現(xiàn)階段只能將以往工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)成果作為熒光顯微技術(shù)檢測(cè)瀝青性能的前期資料。

經(jīng)過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，石油瀝青的熒光顯微顏色主要以褐色和橙色為主，如表1所示。由于大部分天然瀝青或多或少含有不同成分的雜質(zhì)，天然瀝青也會(huì)呈現(xiàn)出其它熒光色彩，部分天然瀝青表現(xiàn)出暗淡的熒光態(tài)，有些瀝青也可能表現(xiàn)出兩種或兩種以上不同的熒光顏色。

熒光顯微技術(shù)的使用方法和注意事項(xiàng)包括[5-7]：1)制備瀝青試樣，應(yīng)采用高溫制樣，待試樣冷卻后進(jìn)行觀測(cè)，制備試樣最好與瀝青動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)用試樣一致，同時(shí)避免制備試樣受到污染；2)為了更好的對(duì)試樣微觀表面進(jìn)行觀測(cè)，圖像采集需安裝高清攝像機(jī)。觀測(cè)過程中，圖像的清晰度可通過高清相機(jī)或熒光顯微鏡的調(diào)焦螺母調(diào)整；3)試驗(yàn)前需將熒光鏡開機(jī)預(yù)熱，由于熒光鏡采用超高壓汞燈，燈內(nèi)的汞在開始通電后會(huì)蒸發(fā)并造成氣壓不穩(wěn)定，因此，需待汞燈內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定氣壓后方可進(jìn)行觀測(cè)，一般需15 min的預(yù)熱時(shí)間；4)試樣觀測(cè)需快速完成，一方面長(zhǎng)時(shí)間照射的熒光會(huì)發(fā)生衰減，另一方面是由于觀測(cè)過程中熒光會(huì)產(chǎn)生熱量，會(huì)使瀝青表面的結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化。

表1 瀝青組分對(duì)應(yīng)的相關(guān)熒光顏色

2 溫拌瀝青試樣制備及熒光顯微圖像分析

2.1 試樣制備

需要在高溫下進(jìn)行溫拌瀝青試樣制備。常規(guī)步驟為：在160 ℃將瀝青試樣加熱熔化，然后在熱瀝青中添加溫拌劑；為了使溫拌劑很好地分散于瀝青中，最好采用機(jī)械攪拌的方法；最后將瀝青保溫大約20 min后進(jìn)行試樣澆注。由于溫拌劑DAT濃縮液中的水遇到熱瀝青會(huì)蒸發(fā)，在制備DAT溫拌瀝青時(shí)會(huì)有大量氣泡產(chǎn)生；而溫拌劑Leadcap或Sasobit與瀝青作用相對(duì)緩慢，一般不會(huì)產(chǎn)生氣泡，能快速溶于制備的熱瀝青中，兩種瀝青的性狀如圖1、2所示。

試驗(yàn)共選用了3種溫拌劑和2種瀝青，制備了14種溫拌瀝青試樣，為了更好的對(duì)熒光圖像進(jìn)行全面觀測(cè)，溫拌瀝青制備成粒徑約1 cm的試樣，如圖3所示。

圖1 DAT溫拌瀝青性狀 圖2 Sasobit或Leadcap溫拌瀝青性狀 圖3 14種溫拌瀝青試樣圖

2.2 溫拌瀝青熒光顯微圖像分析

利用熒光顯微圖像技術(shù)可直觀的反映各種添加劑在溫拌瀝青中的形態(tài)結(jié)構(gòu)、分布以及自身相態(tài)，進(jìn)而研究溫拌瀝青的穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)部分機(jī)構(gòu)利用該技術(shù)對(duì)改性瀝青的離析現(xiàn)象進(jìn)行過相關(guān)研究。本文結(jié)合溫拌瀝青的性能對(duì)熒光圖像形態(tài)特征進(jìn)行分析，研究溫拌劑對(duì)瀝青穩(wěn)定性的影響。

1)前期工作

利用Olympus BX41型熒光顯微鏡對(duì)3種溫拌添加劑(DAT、Leadcap和Sasobit)和2種原樣瀝青(SBS改性瀝青和70#基質(zhì)瀝青)進(jìn)行了熒光顯微檢測(cè)，3種溫拌添加劑及原樣瀝青的熒光顯微外觀特征如圖4、5所示。

圖4的顯微圖像中，溫拌劑DAT及Leadcap和Sasobit均表現(xiàn)出亮綠色的熒光；圖5的顯微圖像中，改性瀝青和基質(zhì)瀝青均表現(xiàn)出黃色熒光，改性瀝青圖像中的亮點(diǎn)為均勻分布于瀝青中的改性劑。如果瀝青中摻加了其它物質(zhì)，則可以將這種瀝青作為一種復(fù)合材料，由此可通過熒光顯微成像技術(shù)，結(jié)合不同物質(zhì)的熒光顏色來進(jìn)一步探討溫拌劑對(duì)瀝青各種性能的影響。

2)基質(zhì)瀝青(加溫拌劑)顯微圖像分析

不同種類的溫拌添加劑會(huì)對(duì)瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)造成不同程度的影響。本文在結(jié)合溫拌瀝青試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)溫拌瀝青的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行定性分析，探討溫拌瀝青顯微形態(tài)與溫拌瀝青各項(xiàng)性能之間的關(guān)聯(lián)性。圖6～8分別為DAT、不同摻量Sasobit和Leadcap溫拌瀝青熒光顯微圖像試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 3種溫拌劑對(duì)應(yīng)的熒光圖像

圖5 70#基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青 圖6 DAT+70#溫拌基質(zhì)瀝青熒光圖像

圖7 Sasobit+70#溫拌基質(zhì)瀝青熒光顯微圖像

圖8 Leadcap+70#溫拌基質(zhì)瀝青熒光圖像

由圖6可知，DAT加入到基質(zhì)瀝青中后，并沒有出現(xiàn)顯著的相界面，DAT外加劑很好地混合在了基質(zhì)瀝青中，這說明DAT添加劑與瀝青的混和比較均勻，兩者的相容性良好，這與DAT溫拌瀝青與原樣瀝青試驗(yàn)結(jié)果也是相對(duì)應(yīng)的。

由圖7可知，基質(zhì)瀝青加入Sasobit后，呈現(xiàn)明顯的塊狀龜裂現(xiàn)象，且隨著Sasobit摻量增多，基質(zhì)瀝青表面的網(wǎng)裂狀分布逐漸明顯，這說明Sasobit不能很好地和基質(zhì)瀝青相容，導(dǎo)致基質(zhì)瀝青發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化而造成脆性增加，這與加入Sasobit后瀝青延度降低現(xiàn)象呈現(xiàn)出很好地相似性。

圖9 摻加DAT的SBS改性瀝青熒光顯微圖像

由圖8可知，加入Leadcap后的基質(zhì)瀝青顯微圖像與原基質(zhì)瀝青圖像無本質(zhì)差異，這說明溫拌劑Sasobit能與基質(zhì)瀝青很好地混合在一起。且由前期試驗(yàn)結(jié)果來看，Sasobit溫拌基質(zhì)瀝青的針入度、軟化點(diǎn)與原基質(zhì)瀝青相差無幾，且10 ℃時(shí)，瀝青的延度隨Sasobit摻量增大而提高，這也與熒光圖像變化結(jié)果吻合，但還不能簡(jiǎn)單通過顏色來判別兩者的相關(guān)性。

3)溫拌改性瀝青熒光顯微圖像分析

文獻(xiàn)[5]顯示SBS改性瀝青呈現(xiàn)出黃色的熒光，由于SBS改性劑是以μm級(jí)的顆粒均勻分散在瀝青內(nèi)部，故改性劑的熒光顯示不明顯。對(duì)添加3種不同溫拌劑的SBS改性瀝青進(jìn)行的熒光顯微檢測(cè)，結(jié)果如圖9～11所示。

圖10 Sasobit+SBS改性瀝青熒光圖像

圖11 Leadcap+SBS改性瀝青熒光圖像

由圖9可知，DAT與SBS改性瀝青未出現(xiàn)明顯相界面，說明兩者能很好的融和在一起， 成為均勻的混合物。需要特別指出的是，圖9中出現(xiàn)的小黑圈是SBS改性瀝青與溫拌劑作用而遺留的氣泡，對(duì)溫拌瀝青本身的均勻性無影響，溫拌改性瀝青與原瀝青性能指標(biāo)基本相同，溫拌劑未對(duì)改性瀝青造成負(fù)面作用。

由圖10可知，Sasobit溫拌劑與改性瀝青混合較為均勻，Sasobit不同摻量下的溫拌改性瀝青均未出現(xiàn)網(wǎng)裂現(xiàn)象，但加入Sasobit后的改性瀝青顯微圖像呈現(xiàn)絮狀加筋的形態(tài)，很可能是Sasobit溫拌劑和改性瀝青作用，進(jìn)而改變了瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高了改性瀝青自身勁度，使瀝青膠結(jié)料脆性增大。改性瀝青加入Sasobit后，其延度減小、針入度變大、高溫性能得到改善，但低溫性能明顯降低，這與熒光顯微圖像分析結(jié)果吻合。

由圖11可知，加入溫拌劑Leadcap后的改性瀝青顯微圖像與原瀝青圖像結(jié)構(gòu)基本無差異， 說明Leadcap同樣能和改性瀝青很好地混合在一起。Leadcap溫拌基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)、針入度與原樣瀝青相差不明顯，這種結(jié)果與熒光顯微圖像觀測(cè)吻合。

3 結(jié)論

1)熒光顯微檢測(cè)圖像顯示，有機(jī)添加劑Sasobit對(duì)基質(zhì)瀝青自身的微觀結(jié)構(gòu)影響較大，Sasobit溫拌基質(zhì)瀝青呈現(xiàn)出較明顯的網(wǎng)裂狀形態(tài)分布特征，此熒光分析結(jié)果與瀝青延度降低呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

2)加入Sasobit后的SBS改性瀝青熒光顯微圖像呈現(xiàn)出一定程度的絮狀加筋分布，主要是由于溫拌劑Sasobit的加入，增加了瀝青膠結(jié)料的勁度，進(jìn)而造成SBS改性瀝青脆性的增加和延度的降低。

3)對(duì)分別加入DAT和Leadcap的瀝青而言，兩種溫拌劑均未對(duì)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)造成明顯的影響，溫拌劑與兩種瀝青均能很好的均勻混合在一起，前期性能試驗(yàn)結(jié)果也很好地說明了溫拌劑對(duì)兩種瀝青未產(chǎn)生不利影響。

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