熱老化下瀝青膠漿微觀結(jié)構(gòu)及自愈合性能評價

崔亞楠， 周 軍， 趙 琳

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點實驗室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

瀝青路面受自然環(huán)境和行車荷載的影響會發(fā)生老化，導(dǎo)致路用性能降低，從而產(chǎn)生裂縫［1-2］.研究發(fā)現(xiàn)，瀝青路面在停止使用一段時間后，隨著溫度的升高，裂縫縮小，甚至消失，這就是瀝青材料的自愈合性能［3-4］.道路工作者從材料學(xué)、熱力學(xué)和力學(xué)等角度對瀝青自愈合進行大量研究，其中采用動態(tài)剪切流變儀（DSR）對瀝青進行疲勞愈合測試是常用方法.Bommavaram等［5］對5種SHRP瀝青（AAM、AAD、AAB、AAF和ABD）的自愈能力進行研究，發(fā)現(xiàn)瀝青的短期自愈率取決于材料的表面能，而瀝青材料的分子擴散特性決定其長期自愈率.Kim等［6］對比了AAM-1和AAD-1這2種典型瀝青的疲勞自愈性能，以動態(tài)模量、剛度及耗散能的變化為評價指標，發(fā)現(xiàn)AAM-1具有更好的自愈能力.Shen等［7］定義每單位荷載間歇時間耗散能的變化率為愈合率，以此評價瀝青膠漿的自愈合潛能.姜睆［8］對熱老化基質(zhì)瀝青膠漿及SBS改性瀝青膠漿進行了疲勞—愈合—再疲勞試驗，并采用愈合前后復(fù)數(shù)剪切模量的變化作為自愈合評價的指標，發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青膠漿的自愈合能力優(yōu)于基質(zhì)瀝青膠漿，而老化后瀝青膠漿的愈合效果相差很多.以上研究豐富了瀝青膠漿自愈合評價指標及愈合機理，但對老化、低溫下瀝青膠漿的自愈合能力研究偏少.

本文針對老化前后的基質(zhì)瀝青膠漿、SBS改性瀝青膠漿、膠粉改性瀝青膠漿進行微觀結(jié)構(gòu)測試、疲勞—愈合—再疲勞試驗及蠕變—愈合—再蠕變試驗，通過原子力顯微鏡（AFM）、DSR、彎曲梁流變儀（BBR）等，分析老化前后瀝青膠漿的微觀結(jié)構(gòu)和自愈合性能，研究瀝青膠漿的自愈合機理，并評價其在高低溫下的自愈合能力，以優(yōu)化瀝青混凝土的使用.

1 試驗

1.1 原材料

瀝青采用70#基質(zhì)瀝青（BA）、SBS改性瀝青（SA）和膠粉改性瀝青（RA），各瀝青的基本指標列于表1；礦粉采用石灰石礦粉，其基本指標列于表2.3種瀝青膠漿的粉膠比（質(zhì)量比）分別為0.5、1.0和1.5.3種瀝青膠漿均采用高剪切乳化機制備.

表1 瀝青的基本指標Table 1 Basic indicator s of asphalts

表2 礦粉的基本指標Table 2 Basic indicator of mineral powder

1.2 試驗方法

1.2.1 瀝青膠漿老化試驗

采用薄膜烘箱試驗（TFOT），在（163±1）℃下老化5 h，模擬瀝青膠漿從運輸?shù)綌備佭^程中發(fā)生的短期老化.將經(jīng)過短期老化后的瀝青膠漿樣品放入壓力老化箱（PAV），在（2.1±0.1）MPa下熱氧老化20 h，同時將老化溫度提升至90℃，即可得到瀝青膠漿的長期老化試樣.

1.2.2 疲勞—愈合—再疲勞試驗

采用DSR，在25℃、10 Hz、0.3 MPa應(yīng)力控制模式下使用8 mm平行板，先進行第1階段疲勞試驗，當瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量達到初始模量的60%、40%、20%（即損傷程度達到40%、60%、80%）時停止剪切；接著瀝青膠漿進入恢復(fù)階段，愈合溫度分別為25、35、45℃，間歇期分別為0.5、1.0、2.0 h；然后繼續(xù)剪切，進入第2階段疲勞試驗，直至試樣破壞.

1.2.3 蠕變—愈合—再蠕變試驗

采用BBR，使用設(shè)置預(yù)切口的硅膠模具澆筑瀝青膠漿小梁試件.先將瀝青膠漿小梁恒溫保持（60±5）min，在-10、-20、-30℃下進行蠕變測試；接著置于硅膠模具中，連同硅膠模具一起放入高低溫箱中對其進行熱誘導(dǎo)自愈合，愈合溫度為25、35、45℃，間歇期分別為0.5、1.0、2.0 h；然后在試驗溫度下冷卻，再次進行瀝青膠漿小梁彎曲蠕變試驗.

1.2.4 AFM微觀結(jié)構(gòu)觀測

采用熱鑄法制備瀝青膠漿微觀試樣，步驟如下：先將瀝青膠漿加熱至熔融狀態(tài)；然后在干凈的載玻片中央滴入少量瀝青膠漿，烘箱溫度設(shè)置為110℃，將其置于烘箱烘烤10 min；最后取出，冷卻至室溫，即可進行AFM觀測.

2 結(jié)果討論

2.1 瀝青膠漿疲勞—愈合—再疲勞試驗愈合指數(shù)

采用Miner線性疲勞損傷準則研究瀝青疲勞損傷累積.該準則假定瀝青材料在疲勞試驗過程中的損傷累積為線性累積，當損傷累積達到損傷閾值（損傷破壞臨界值）時試件破壞［9］.將愈合前后瀝青膠漿的累積耗散能（W）之比定義為愈合指數(shù)HI1，以此來評價其自愈合能力.愈合指數(shù)HI1的計算式見式（1）～（3）.

式中：σ為加載應(yīng)力，MPa；Gi為瀝青膠漿第i次加載時的復(fù)數(shù)剪切模量，MPa；ωi為第i次荷載作用中的耗散量，MJ/m3；δi為相位角，（°）；Wbefore、Wafter分別為瀝青膠漿愈合前后的累積耗散能，MJ/m3.

2.2 瀝青膠漿蠕變—自愈合—再蠕變試驗愈合指數(shù)

譚 憶 秋 等［10］采 用CAM（christensen anderson marasteanu）模型，將勁度模量主曲線與時間軸在雙對數(shù)坐標下所圍面積SA定義為低溫評價指標.SA可以綜合考慮材料的模量及松弛能力，該值越小，說明瀝青膠漿的低溫性能越好.將SA的變化率定義為愈合指數(shù)HI2，來表征瀝青膠漿的愈合能力，其表達式為：

式中：SAI、SAH分別為瀝青膠漿愈合前后的SA，MPa·s.

2.3 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果，計算得到瀝青膠漿的愈合指數(shù)HI1和HI2，見表3、4.

表3 瀝青膠漿愈合指數(shù)HI1計算結(jié)果Table 3 Healing index HI1 calculation results of asphalt mortars

表4 瀝青膠漿愈合指數(shù)HI2的計算結(jié)果Table 4 Healing index HI2 calculation results of asphalt mortars

2.4 瀝青膠漿自愈合性能的評價

2.4.1 基于愈合指數(shù)HI1評價瀝青膠漿自愈合性能

針對表3中愈合指數(shù)HI1的計算結(jié)果，運用極差方法來分析各因素對瀝青膠漿疲勞自愈性能的影響，見圖1.

由圖1（a）、（b）、（d）可知：愈合溫度越高、損傷程度越低、愈合時間越長，瀝青膠漿的自愈合效果越好.這是因為瀝青材料隨著溫度的升高而變軟，膠體中固態(tài)部分的結(jié)合性能明顯低于液態(tài)部分［11］，進而增強了濕潤與分子擴散作用；當瀝青膠漿的損傷越嚴重時，間歇期之后的累積耗散能越小［12］，所表現(xiàn)出的自愈合效果也就越差.由此可以推斷，當瀝青膠漿損傷很小時，在長期自愈合作用下會完全恢復(fù)其抗疲勞性能.

圖1 各影響因素下瀝青膠漿愈合指數(shù)HI1的極差分析結(jié)果Fig.1 Range analysis results of asphalt mortar healing index HI1 under various influencing factors

由圖1（c）可知：隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的愈合指數(shù)有所減小.這是由于粉膠比增大使得瀝青膠漿由“稀釋結(jié)構(gòu)”向“集中式”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變［13］.在粉膠比較低的瀝青膠漿中自由瀝青的比例較高，因而其自愈合效果較好，但瀝青膠漿的抗疲勞特性較差.

由圖1（e）可知：3種瀝青膠漿中膠粉改性瀝青膠漿的自愈合性能最差，基質(zhì)瀝青膠漿的自愈合性能最優(yōu).這是由于改性劑抑制了瀝青膠漿的自愈合，瀝青中的一些相容成分如飽和分及芳香分被聚合物吸收，使得剩余瀝青中瀝青質(zhì)的含量較高，由于難以流動和自愈，瀝青的擴散系數(shù)與相對分子質(zhì)量成反比［14-15］，所以表現(xiàn)出來的自愈合性能較差.但是，在SBS改性瀝青膠漿中，瀝青與改性劑可以很好地相容，高彈的軟段與高強的硬段在常溫下共同作用，與此同時瀝青的變形及恢復(fù)特性也會改變，當高分子材料在承受相同方向的外力作用時會出現(xiàn)分子取向現(xiàn)象，進而提高了抗疲勞性能及對各種損傷的抵抗能力［15］.

2.4.2 基于愈合指數(shù)HI2評價瀝青膠漿自愈合性能

運用極差方法分析各因素對瀝青膠漿愈合指數(shù)HI2的影響，見圖2.

圖2 各影響因素下瀝青膠漿愈合率HI2的變化Fig.2 Change of asphalt mortar healing index HI2 under various influencing factors

由于愈合指數(shù)HI2反映的是SA的變化率，其極差值越小，表示瀝青膠漿低溫性能恢復(fù)得越好，愈合效果越好.

由圖2（a）可知，SBS改性瀝青膠漿的愈合效果劣于基質(zhì)瀝青膠漿，膠粉改性瀝青膠漿具有較好的彈性，所以其在低溫下體現(xiàn)出的自愈性能較好.由圖2（b）可知，瀝青膠漿的自愈合能力受粉膠比的影響最大，愈合效果隨著粉膠比的增大而變差，這是因為粉膠比大的瀝青膠漿在低溫下會更脆硬，使得其低溫抗裂性能變差［16］；粉膠比較小的瀝青膠漿含有較多的自由瀝青，其流動性可促進裂縫愈合.圖2（c）顯示，隨著老化程度的加劇，瀝青膠漿自愈合效果減弱.這是由于老化后瀝青膠漿的輕組分減少、瀝青質(zhì)增加，瀝青開始變得又硬又脆，分子間極性增強，阻礙了瀝青分子的流動，導(dǎo)致流動性變差［17］.由圖2（d）、（e）可見：瀝青膠漿的愈合效果隨著溫度的升高和愈合時間的增長而變好，當溫度由35℃上升到45℃時，瀝青膠漿的愈合指數(shù)HI2大幅降低，降幅為44.3%.這是由于瀝青在低溫時的凝膠狀態(tài)會隨著溫度的升高向溶膠狀態(tài)轉(zhuǎn)變［13］，致使瀝青黏度降低，增加了瀝青分子的流動性.隨著愈合時間的增加，裂縫周圍的瀝青分子緩慢流動使其閉合，從而表現(xiàn)出很好的愈合效果［18］.

3 老化后瀝青膠漿的微觀結(jié)構(gòu)

3.1 瀝青膠漿的微觀結(jié)構(gòu)

粉膠比為1.0的3種瀝青膠漿的原子力顯微照片如圖3所示.由圖3可以看出：（1）基質(zhì)瀝青膠漿出現(xiàn)明顯的“蜂形結(jié)構(gòu)”，該結(jié)構(gòu)是由于瀝青質(zhì)的聚集形成了一定高度的白色區(qū)域，而硫化物、稠環(huán)芳烴阻止瀝青質(zhì)聚集，形成了蜂狀沉陷區(qū)所構(gòu)成的；未老化的基質(zhì)瀝青膠漿“蜂形結(jié)構(gòu)”比較集中，隨著老化程度的增加，“蜂形結(jié)構(gòu)”逐漸變窄變長，表明瀝青質(zhì)不斷增加，分散狀況變差.（2）SBS改性瀝青膠漿沒有出現(xiàn)明顯的“蜂形結(jié)構(gòu)”，老化后，SBS改性瀝青三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞減弱了瀝青質(zhì)的分散作用，出現(xiàn)了“絮凝”狀結(jié)構(gòu)［19］.（3）膠粉改性瀝青膠漿也沒有出現(xiàn)“蜂形結(jié)構(gòu)”，這是由于膠粉顆粒不溶于瀝青，而是吸收瀝青中的輕組分，溶脹后以顆粒的形式均勻地分散在瀝青基體中，瀝青質(zhì)分散狀況良好；經(jīng)過短期老化后膠粉改性瀝青膠漿表面變得均勻，而長期老化過程中溶脹作用減弱，膠粉改性瀝青膠漿組分氧化，表面變得粗糙.

圖3 老化前后的瀝青膠漿原子力顯微照片F(xiàn)ig.3 AFM photos of asphalt mortars before and after aging（filler-asphalt ratio（by mass）＝1.0）

3.2 瀝青膠漿微觀參數(shù)分析

為進一步分析老化對瀝青膠漿微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律及自愈合的潛在影響，對3種瀝青膠漿的微觀形貌參數(shù)進行分析.各瀝青膠漿的微觀形貌參數(shù)見表5～7.

表5 基質(zhì)瀝青膠漿的“蜂形結(jié)構(gòu)”特征參數(shù)Table 5 Characteristic parameters of matrix asphalt mortar of“bee-shape structure”

由表5可見，當粉膠比由0.5增加到1.0時，原樣基質(zhì)瀝青膠漿的“蜂形結(jié)構(gòu)”數(shù)量增加了21.1%，而經(jīng)歷長短期老化的基質(zhì)瀝青膠漿分別增加了34.8%和8倍，且最大“蜂形結(jié)構(gòu)”面積也達到最大（1.449μm2）.這表明粉膠比一定時，老化會加速瀝青質(zhì)的聚集，進而會降低其自愈合能力；隨著粉膠比的增加，原樣基質(zhì)瀝青膠漿中“蜂形結(jié)構(gòu)”數(shù)量稍稍增加，老化后的瀝青膠漿中幾乎不變，說明粉膠比增大后瀝青膠漿的老化有所抑制，這是因為輕組分質(zhì)量分數(shù)在老化后已經(jīng)較低，且過多的礦粉已無法吸收輕組分，此外，礦粉還會對氧分子的擴散有阻礙作用，降低基質(zhì)瀝青的老化速度，以至于大分子聚集現(xiàn)象沒有更多出現(xiàn).

由表6可見：隨著粉膠比的增大，老化前后的SBS改性瀝青膠漿粗糙度及平均粒徑均增大，這是由于隨著礦粉含量的增加，瀝青膠漿的稠度增加，且礦粉易聚集成團，難以充分分散在瀝青中，因而會增加表面的粗糙度，同時也會降低其自愈合的能力；短期老化后，SBS改性劑受到一定破壞，最終在經(jīng)歷凝聚、離析后，出現(xiàn)了“絮凝”狀結(jié)構(gòu)，顆粒數(shù)和顆粒尺寸變化不大，粗糙度反而下降，蠟類及輕組分等分散介質(zhì)減少，瀝青質(zhì)含量增加，進而降低了瀝青膠漿的自愈合能力；長期老化后，SBS瀝青膠漿的表面粗糙度參數(shù)與短期老化相比變化不大.由此可見，SBS的加入會起到抑制瀝青膠漿老化進程的作用.

表6 SBS改性瀝青膠漿的粗糙度及顆粒分析Table 6 Roughness and par ticle analysis of SBS modified asphalt mor tar

由表7可見：對于原樣膠粉改性瀝青，隨著粉膠比的增大，其粗糙度增加，這是由于不斷增加的礦粉含量難以分散均勻；而經(jīng)歷短期和長期老化后的膠粉改性瀝青膠漿，隨著粉膠比的增大，其粗糙度先增大后減小，這主要是其內(nèi)部的瀝青、礦粉、膠粉顆粒一起發(fā)生老化，致使橡膠分子部分降解，礦粉被更加均勻地裹覆，加之數(shù)量不斷增加的結(jié)構(gòu)瀝青，增強了黏附作用，使得體系越來越穩(wěn)定［20］.膠粉改性瀝青膠漿的改性過程僅僅是部分溶脹或混溶，并未發(fā)生任何化學(xué)作用，瀝青質(zhì)含量很高的凝膠膜通過附著在膠粉顆粒上，使得瀝青分子的流動與擴散變得困難，導(dǎo)致自愈合性能較差.

表7 膠粉改性瀝青膠漿的粗糙度及顆粒分析Table 7 Roughness and particle analysis of rubber powder modified asphalt mortar

4 結(jié)論

（1）疲勞—愈合—再疲勞測試結(jié)果表明：SBS改性瀝青膠漿和基質(zhì)瀝青膠漿的自愈合性能優(yōu)于膠粉改性瀝青膠漿；當損傷程度較小時，間歇期越長、愈合溫度越高，瀝青膠漿的自愈合效果就越好；瀝青膠漿隨粉膠比增加，自愈合效果變差；老化后瀝青膠漿的自愈合效果降低.

（2）蠕變—愈合—再蠕變測試結(jié)果表明：愈合溫度越高、愈合時間越長、粉膠比越小的瀝青膠漿經(jīng)歷低溫后的自愈合效果越好；原樣膠粉改性瀝青本身具有優(yōu)異的低溫性能，在低溫條件下自愈合性能具有優(yōu)勢.

（3）微觀結(jié)構(gòu)觀測顯示，不同種類的瀝青及礦粉含量均會對老化瀝青膠漿的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進而影響到其自愈合的能力，但老化后改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)變化較小，說明其抗老化能力較強，對環(huán)境的適應(yīng)性更好.