基于瀝青微觀形貌與流變性研究SBS改性對其老化的影響

代 震， 沈菊男， 石鵬程

(蘇州科技大學 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改性對其老化的影響

代 震， 沈菊男， 石鵬程

(蘇州科技大學 道路工程研究中心， 江蘇 蘇州 215011)

通過考察瀝青的納米微觀形貌和流變性變化，探討了SBS改性劑對瀝青老化性能影響的微觀機理。用原子力顯微鏡(AFM)測定SBS改性前后2種瀝青的3種老化狀態(tài)[原狀、旋轉薄膜烘箱老化(RTFOT)、RTFOT+壓力容器老化(PAV)]的微觀形貌變化。同時，利用旋轉黏度計(RV)和動態(tài)剪切流變儀(DSR)測定了2種瀝青在上述3種不同老化階段的135℃旋轉黏度、抗車轍因子和疲勞開裂因子。結果表明，加入SBS改性劑，在原狀和RTFOT+ PAV老化階段，比相應的基質瀝青增加了“蜂狀結構”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“蜂狀結構”數(shù)量的減少，與瀝青黏度增加和抗車轍因子指標增大的趨勢正相關；表征“蜂狀結構”AFM因子中的面積差因子與瀝青老化進程中旋轉黏度和抗車轍因子指標呈現(xiàn)顯著線性相關的關系。

道路工程； AFM形貌圖； 蜂狀結構； 瀝青老化； 流變性

普通瀝青路面設計壽命為15年，因此每隔一定時間，瀝青路面都要翻修養(yǎng)護。一方面翻修養(yǎng)護過程中，需要占用過往車輛的在途時間；另一方面在石油資源日益緊張的情況下，翻修養(yǎng)護需要消耗大量瀝青資源。為此，瀝青科研工作者廣泛開展關于瀝青路面老化規(guī)律及相關機理的研究[1-13]，以期最大限度地延緩瀝青老化，進而延長瀝青路面的使用壽命。

近年來，原子力顯微鏡(AFM)測試方法在瀝青研究中得到廣泛應用，其觀測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便；在從三維角度高分辨率觀測材料表面微觀結構的同時，還能夠進行微米級區(qū)域力學性能的測量分析。尤為重要的是，SEM觀測必須在高真空條件下進行，由于對電子束轟擊十分敏感，瀝青材料中的輕質組分在觀測時可能揮發(fā)或濺射，使觀測到的微觀結構與實際真實狀態(tài)不相符合，而使用AFM則不存在上述問題[14]。

瀝青內(nèi)部的微觀結構極其復雜，且國內(nèi)外對此的認知并不完善。AFM觀測到的典型“蜂狀結構”實際上是瀝青微觀相分離行為的一種體現(xiàn)。這種微觀結構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觀察了在受力過程中的瀝青形貌，特別是“蜂狀結構”的變化。若能以這種典型“可視性”微觀結構圖像為研究手段，尋找其形貌特征的評價方法，再探索“蜂狀結構”在不同老化狀態(tài)下的特征變化規(guī)律，可進一步指導瀝青老化微觀結構與宏觀性能之間聯(lián)系的研究[16]。

美國公路戰(zhàn)略研究計劃(SHRP)摒棄了傳統(tǒng)的技術指標體系，用反映瀝青流動性、永久變形、疲勞開裂等路用性能的流變力學指標代之，使對瀝青材料的評價更接近工程實際，更具科學性和說明性[17]。其路用性能規(guī)范以瀝青135℃旋轉黏度儀(RV)實驗結果列為施工性能的評價指標，用動態(tài)剪切流變儀(DSR)實驗來測定瀝青結合料的高溫穩(wěn)定性能和中溫疲勞性能。DSR實驗中復數(shù)剪切模量(G*)是材料重復剪切變形時總阻力的度量，它包括彈性(可恢復)和黏性(不可恢復)兩部分，相位角(δ)是可恢復和不可恢復變形數(shù)量的相對指標，這些參數(shù)都與瀝青流變性相關聯(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)的流動和變形性能，該性能與瀝青的路用性能有直接關系。

為了更好地研究改性劑對瀝青的改性機理，筆者嘗試結合微觀“蜂狀結構”的形貌變化規(guī)律和反映宏觀路用性能的SHRP流變力學指標，進一步研究瀝青老化進程中，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)對流變力學指標及對應微觀“蜂狀結構”形貌變化規(guī)律起的改性作用，為瀝青添加劑的抗老化機理研究提供一個可行的研究切入點。

1 實驗部分

1.1 材料

實驗采用韓國雙龍石油化工有限公司生產(chǎn)的70#基質瀝青，和蘇州三創(chuàng)路面工程有限公司以此為原材料自制的SBS(質量分數(shù)為4.0%)摻量的廠拌改性瀝青，其性能指標見表1，實驗過程按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行。

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

1.2 AFM試樣制備

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

采用熱鑄法制備AFM試樣。方法如下:(1)將試樣加熱至流動狀態(tài)；(2)用玻璃棒攪拌一下，沾一滴置于玻璃質載玻片中央；(3)將載玻片傾斜置于135℃烘箱，讓瀝青自由流動，流動起始點出現(xiàn)栗黃色薄膜為止，時間因瀝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。

1.3 AFM和瀝青流變性能的實驗方法

(1)AFM實驗采用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，本實驗偏重研究力圖Height分圖中的“Roughness(粗糙度)”因子。

(2)RV實驗采用NDJ-1C型布氏旋轉黏度計。影響旋轉黏度測試結果的主要因素有：旋轉轉子的大小(即轉子型號)、旋轉速率(轉速或剪切速率)、實驗溫度和試樣的容積等。對于Brookfield黏度計而言，采用統(tǒng)一的試樣管進行盛樣，不用考慮試樣容積的影響，只需考慮旋轉轉子、轉速和實驗溫度的影響。目前測試瀝青黏度的實驗方法都是參照SHRP方法，但各國的實際情況可能稍有不同。本實驗選用美國SHRP方法測定瀝青的表觀黏度。考慮到2種瀝青的黏性差異以及測量精度，本實驗測試統(tǒng)一采用27#轉子在轉速50 r/min下測試瀝青的135℃布氏黏度[18]。

(3)DSR實驗采用英國Bohlin CVO 100D型旋轉流變儀，依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行。

2 結果與討論

2.1 峰力值輕敲(PeakForce QNM)模式下AFM分析

Loeber最早利用AFM觀察瀝青的微觀結構，并把納米級黑白相間條紋結構命名為“蜂狀結構”，解釋其形成源于瀝青質的團聚[19]。隨后關于“蜂狀結構”的研究越來越多，學者一般認可的有2種：其一是微晶蠟成核生長機理，即以強極性的瀝青質為晶核并包裹蠟分子生長而成[20]；其二是旋節(jié)線分解機理，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)域自由能對組分的二階導數(shù)零點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散，形成穩(wěn)定的二相體系。這兩種理論都指向瀝青的老化必然伴隨著微觀結構的改變。下面試圖通過AFM數(shù)據(jù)探尋和探討瀝青老化對應微觀“蜂狀結構”的變化規(guī)律以及SBS所起的改性作用。

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

本研究從各AFM試樣栗黃色薄膜區(qū)域上隨機選3點做3個平行實驗。在處理AFM的2D、3D圖像及數(shù)據(jù)時，在PeakForce QNM模式高度(Height)分圖粗糙度(Roughness)指標參數(shù)中發(fā)現(xiàn)下列3個因子參數(shù)有一定的規(guī)律。這3個因子參數(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個參數(shù)雖然是在整個掃描區(qū)域上統(tǒng)計的，但其在“平原區(qū)”的變化幾乎為零，主要因“蜂狀結構”的形貌改變而變化。因此，完全可以用來表征“蜂狀結構”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 基質瀝青AFM分析

基質瀝青的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，基質瀝青的ISAD、Rq和Rmax的平均值均是先增加后減小。

表2 3個基質瀝青試樣的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果相比，基質瀝青RTFOT老化后的ISAD、Rq和Rmax增幅分別為+0.035 百分點、+0.650 nm和+20.334 nm，RTFOT+PAV老化的增幅分別是-0.002百分點、+0.107 nm和+13.667 nm。由于“蜂狀結構”數(shù)量隨著老化程度的加深在減少，老化后的“蜂狀結構”變得更加“崎嶇”，即“蜂狀結構”表面形貌的褶皺程度增加。

圖2為基質瀝青3個老化階段的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“蜂狀結構”尺寸在持續(xù)增大，而且“蜂狀結構”數(shù)量還在減少。原樣階段的“蜂狀結構”典型的短、小和密。RTFOT老化階段的“蜂狀結構”數(shù)量開始減少，小部分“蜂狀結構”長度增加即黑白相間條紋數(shù)增多，個別“蜂狀結構”還出現(xiàn)交叉合并共同生長的現(xiàn)象，上述變化可能是“蜂狀結構”團聚發(fā)生所造成[19]。RTFOT+PAV老化階段的“蜂狀結構”數(shù)量在繼續(xù)減少，小尺寸“蜂狀結構”明顯減少，個別“蜂狀結構”尺寸顯著大于其他。

圖2 基質瀝青試樣(20 μm×20 μm)3個老化階段的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、-0.420 nm和+4.333 nm，RTFOT+PAV老化的增幅分別是+0.022 百分點、-0.137 nm和-11.134 nm。考慮到“蜂狀結構”數(shù)量隨著老化程度的加深在減少，老化后“蜂狀結構”變得更加“崎嶇”，這點與基質瀝青相同。

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

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

此外，對比各自瀝青RTFOT殘留物的Rmax，基質瀝青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，說明“蜂狀結構”在RTFOT+PAV老化階段存在扁平化趨勢。聯(lián)系上段所述SBS改性瀝青RTFOT+PAV老化下Rmax增幅符號異變，說明SBS有助于加深這種趨勢。

圖3為SBS改性瀝青3個老化階段的2D AFM掃描 Height圖。由圖3可見，跟基質瀝青一樣，隨著老化的加深，改性瀝青中的“蜂狀結構”數(shù)量一直在減少，部分“蜂狀結構”尺寸在持續(xù)增大。對比圖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“蜂狀結構”分布，“平原區(qū)”面積也大大減小，說明SBS能夠誘發(fā)“平原區(qū)”產(chǎn)生更多的“蜂狀結構”并促使“蜂狀結構”發(fā)育長大。

圖3 SBS改性瀝青試樣(20 μm×20 μm)的3個老化階段的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“蜂狀結構”數(shù)量同樣開始減少，個別“蜂狀結構”依然出現(xiàn)交叉合并共同生長的現(xiàn)象?！胺錉罱Y構”交叉合并共同生長的現(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“蜂狀結構”有靠近的趨勢甚至是接觸，但并不是合并生長，因為發(fā)現(xiàn)“蜂狀結構”黑白相間條紋明顯的各自獨立存在，而不似RTFOT階段的聯(lián)結交融。

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

2011年，Pauli等[21]移除了瀝青的極性組分(瀝青質和膠質)后，發(fā)現(xiàn)“蜂狀結構”仍會產(chǎn)生。之后在瀝青中添加微晶石蠟，發(fā)現(xiàn)“蜂狀結構”產(chǎn)生時間并未發(fā)生明顯變化。認為瀝青非極性組分(去蠟)參與蠟的結晶是“蜂狀結構”產(chǎn)生的主要因素[21]。依據(jù)本實驗結果，SBS改性前后2種瀝青在經(jīng)歷RTFOT和RTFOT+PAV老化后，“蜂狀結構”的數(shù)量是逐漸減少。這是因為隨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)的含量會逐漸減少。說明非極性組分的確參與瀝青中蠟的結晶并影響“蜂狀結構”的產(chǎn)生及其數(shù)量，筆者和Pauli的觀點一致。

2.2 RV實驗

瀝青老化會導致瀝青路用性能變差，宏觀表現(xiàn)為瀝青黏稠度升高。旋轉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，旋轉黏度越大，瀝青黏稠度也越大。由表5發(fā)現(xiàn)，對比原狀瀝青，隨著老化程度的加深，基質瀝青旋轉黏度的增幅分別是21.7%和76.4%，SBS改性瀝青旋轉黏度的增幅分別是1.4%和21.7%，說明SBS對旋轉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；RTFOT是高溫熱老化，PAV是壓力氧老化，SBS的改性作用并未受到老化機制變化的影響。

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

結合瀝青常用的路用性能等級(PG)指標，本實驗選擇從52℃開始做DSR實驗，由于原狀基質瀝青沒過70℃指標，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)，基質瀝青的G*/sin(δ)隨著溫度增加在降低，且RTFOT指標均倍增于原狀。SBS改性瀝青RTFOT階段相比于原狀階段的指標增幅，隨著溫度增加在變小，且52℃時的最大增幅才46.5%，說明溫度的增加或老化程度的加深均會減弱SBS對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，推測SBS對瀝青的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的短老化時間和以輕質組分揮發(fā)為主的熱老化方式有關。

結合瀝青的常用PG指標，本實驗選擇從30℃開始做PAV實驗直到大于臨界值5 MPa結束。

測試值越低，瀝青的抗疲勞開裂性能越好。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種瀝青的疲勞開裂因子(G*×sin(δ))均在增加且趨勢相同，說明SBS的改性作用在RTFOT+PAV模擬的長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，說明SBS對瀝青抗疲勞開裂性能的改性作用隨著溫度的降低而增強。

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

通過RV和DSR實驗，對比分析基質瀝青和SBS改性瀝青路用性能的流變性力學指標，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，改善了瀝青老化過程中的流變指標，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(旋轉黏度和G*/sin(δ)均增加)變差，而基質瀝青和SBS改性瀝青3種老化階段AFM圖中“蜂狀結構”的數(shù)量在減少(任意AFM縱剖面上截到的“蜂狀結構”是減少的)，說明“蜂狀結構”這種微觀結構及其數(shù)量的變化是與瀝青流變性能降低有著較好的內(nèi)在關聯(lián)性。

2.4 納米微觀結構與宏觀流變性能的關系

基于SBS改性前后2種瀝青的實驗數(shù)據(jù)，筆者對瀝青老化過程中瀝青的納米微觀結構與宏觀流變性能的關系作了分析。用線性回歸的方法來探究瀝青老化過程中微觀結構變化和宏觀流變性之間的老化機理。圖4～6分別為瀝青試樣AFM掃描Height圖中面積差(ISAD)、Rq和Rmax與流變性指標關聯(lián)圖。由圖4(a)、5(a)和6(a)可以發(fā)現(xiàn)，去除變異點(基質瀝青RTFOT殘留物)后，隨著旋轉黏度的增加，表征“蜂狀結構”的ISAD和Rq因子與之形成明顯的線性增加關系，Rmax則沒有。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系，Rq則沒有。也就是說面積差增大的同時，旋轉黏度和抗車轍因子G*/sin(δ) 指標均會增大；高度均方根增加時，僅旋轉黏度增加；極大值與極小值高度差增大時，只抗車轍因子G*/sin(δ)增大。同樣的分析發(fā)現(xiàn)，疲勞開裂因子G*×sin(δ)增加的同時，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)與流變性指標關聯(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)與瀝青流變性指標關聯(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)與瀝青流變性指標關聯(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，瀝青的旋轉黏度和抗車轍因子G*/sin(δ)指標均呈明顯的線性相關增長。同時，疲勞開裂因子G*×sin(δ) 也減小，流變指標的變化即瀝青流變性降低，說明瀝青老化進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力學指標有明顯的線性回歸關系。

3 結 論

(1)基質瀝青“蜂狀結構”的表面形貌，隨老化程度加深變得更加“崎嶇”。在“蜂狀結構”數(shù)量持續(xù)減少情況下的AFM表面形貌3個因子(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，與基質瀝青相比，3個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“蜂狀結構”并促使“蜂狀結構”發(fā)育長大。SBS改性前后2種瀝青的“蜂狀結構”在RTFOT+PAV老化階段均出現(xiàn)扁平化的趨勢，并且SBS有助于加深這種趨勢。

(3)基質瀝青的流變性能隨著老化加深存在變差趨勢。老化3個階段的旋轉黏度一直在增加，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個階段的旋轉黏度均倍增，但隨著老化程度加深，倍增率下降，同時旋轉黏度也存在遞增趨勢。與基質瀝青相比，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)，“蜂狀結構”這種微觀結構及其數(shù)量與反映瀝青流變性能的SHRP力學指標有較好的內(nèi)在關聯(lián)性。

(5)表征“蜂狀結構”的AFM因子中的面積差因子，跟瀝青的旋轉黏度和抗車轍因子G*/sin(δ)均有高度線性增長關聯(lián)，即瀝青老化進程中的納米微觀AFM面積差因子與反映其宏觀流變性的SHRP力學指標有明顯的線性回歸關系。

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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

國家自然科學基金項目(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