基于納米尺度參數(shù)的瀝青抗紫外線老化性能評(píng)價(jià)

于西堯，閆祥，張文剛

(1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司 勘察設(shè)計(jì)院，天津 300350；2. 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；3. 山東理工大學(xué) 建筑工程與空間信息學(xué)院，山東 淄博 255049)

紫外線只占太陽(yáng)光總輻射量約8%左右,但其對(duì)瀝青路面性能的劣化影響卻十分大[1]。紫外線波長(zhǎng)較小,能量較大,其對(duì)瀝青的老化機(jī)理一般可以歸結(jié)為組分的變化,具體表現(xiàn)為在紫外線的照射下,瀝青的輕質(zhì)組分(飽和分和芳香分)揮發(fā),同時(shí)部分輕質(zhì)組分轉(zhuǎn)變?yōu)槟z質(zhì),膠質(zhì)大量地轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青質(zhì),最終導(dǎo)致瀝青的黏滯性增大,低溫延性降低,耐久性變差[2]。國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的紫外線老化對(duì)瀝青性能的影響、評(píng)價(jià)指標(biāo)、老化機(jī)理等一系列的研究,也取得了大量的研究成果,為指導(dǎo)我國(guó)開(kāi)展瀝青路面防紫外線老化提供了技術(shù)支撐[3]。

原子力顯微技術(shù)(AFM)近幾年被廣泛應(yīng)用于瀝青的研究中[4-6],其中以蜂狀結(jié)構(gòu)為代表的瀝青納米尺度形態(tài)與結(jié)構(gòu)的研究成果最多[7-9]。相關(guān)研究表明,瀝青質(zhì)的存在是形成蜂狀結(jié)構(gòu)中高度較大部分的重要因素,而長(zhǎng)烷基側(cè)鏈尾部對(duì)瀝青質(zhì)的穿插作用形成了蜂狀結(jié)構(gòu)中高度較低的部分[10]。隨著研究的持續(xù)深入,基于AFM對(duì)瀝青的研究已經(jīng)開(kāi)始由納觀形貌向納觀參數(shù)深入,蜂狀結(jié)構(gòu)面積比、最大振幅及粗糙度等概念均已經(jīng)被提出,且被證明與瀝青的多項(xiàng)技術(shù)性能存在關(guān)聯(lián)[11]。單麗巖等[12]研發(fā)了一種使用AFM瀝青試樣的原位拉伸設(shè)備,并研究了拉伸荷載對(duì)瀝青在納米尺度上的損傷機(jī)理,提出了受力作用下瀝青相分離的理論。學(xué)者們還發(fā)現(xiàn),老化對(duì)于瀝青納觀形貌的改變十分顯著且存在一定規(guī)律。由于紫外線老化屬于瀝青老化的一種形式,這就為基于瀝青納觀形貌參數(shù)評(píng)價(jià)老化性能提供了可行性[13-14].

本文基于上述背景,研究了瀝青紫外線老化過(guò)程中納米尺度參數(shù)及其隨紫外線老化的變化規(guī)律。利用紫外線老化箱對(duì)90#瀝青和SBS I-C改性瀝青開(kāi)展紫外線老化試驗(yàn),利用AFM獲取不同紫外線老化時(shí)間下的瀝青AFM圖,并測(cè)取不同老化時(shí)間的殘留針入度、殘留延度等技術(shù)性能,分析紫外線老化過(guò)程中瀝青的納觀形貌變化及其與瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)間的規(guī)律,探明可以用于評(píng)價(jià)或描述瀝青紫外線老化過(guò)程的納米尺度參數(shù)及規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本文采用90#基質(zhì)瀝青和SBS I-C改性瀝青為研究對(duì)象,均為山東高速物資儲(chǔ)運(yùn)有限公司生產(chǎn),技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1,其中SBS I-C改性瀝青中SBS的含量為4.0%,母瀝青為本文所使用的90#基質(zhì)瀝青。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用紫外線老化箱對(duì)90#基質(zhì)瀝青和SBS I-C改性瀝青進(jìn)行紫外線老化試驗(yàn),盛樣皿內(nèi)徑為120 mm,根據(jù)瀝青密度控制瀝青膜厚度在1 mm左右,紫外線輻照度為150 W/m2,試驗(yàn)溫度選取60 ℃,老化時(shí)間選取0～240 h(間隔12 h),對(duì)紫外線老化后的瀝青進(jìn)行殘留針入度及殘留延度的測(cè)試[15]。部分紫外線老化時(shí)間與實(shí)際紫外線老化時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 紫外線老化時(shí)間對(duì)照表

制作原子力顯微試件時(shí),瀝青初始溫度為135 ℃,試件冷卻速率為2 ℃/min。采用原子力顯微鏡對(duì)不同紫外線老化時(shí)間下的瀝青進(jìn)行掃描,掃描溫度為25 ℃,掃描范圍為10 μm×10 μm,AFM試件制備與掃描的過(guò)程如圖1所示。在獲取90#基質(zhì)瀝青和SBS I-C改性瀝青的納觀形貌參數(shù)后,分析紫外線老化過(guò)程中瀝青的納觀形貌變化規(guī)律及其相關(guān)參數(shù)與瀝青部分技術(shù)指標(biāo)間的規(guī)律。

圖1 AFM試件制備與掃描過(guò)程

2 瀝青AFM的納觀形貌參數(shù)

2.1 瀝青AFM納觀形貌

選用的AFM測(cè)試模式為輕敲模式,該模式下可以避免瀝青黏滯性所帶來(lái)的橫向力對(duì)掃描結(jié)果造成的影響,同時(shí)還可有效地保護(hù)樣品不被破壞。在掃描過(guò)程中,掃描區(qū)域選取在試樣中心附近,以避免不平整試樣對(duì)結(jié)果造成影響。在上述條件下,基于1.2中的試驗(yàn)方法,掃描獲取90#基質(zhì)瀝青和SBS I-C改性瀝青的AFM圖。圖2至圖5為紫外線老化前90#基質(zhì)瀝青和SBS I-C改性瀝青AFM代表圖。

圖2 90#基質(zhì)瀝青二維圖

如圖2至圖5所示,瀝青的AFM圖由三部分組成,即:蜂狀結(jié)構(gòu)、蜂殼結(jié)構(gòu)(蜂狀結(jié)構(gòu)外圍高低起伏部分)以及間隙結(jié)構(gòu)(蜂狀結(jié)構(gòu)間高度相對(duì)穩(wěn)定部分),這其中以蜂狀結(jié)構(gòu)的起伏最為劇烈。本文所使用的SBS I-C改性瀝青是基于表1所示的90#基質(zhì)瀝青制備而來(lái),但從圖2至圖5可以看出,兩種瀝青之間的AFM圖有著明顯的不同之處。圖2中,90#瀝青的間隙結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻,反映在圖3中為蜂狀結(jié)構(gòu)之間的大片區(qū)域幾乎沒(méi)有高低起伏,即間隙結(jié)構(gòu)面積占比較大。圖4中,SBS I-C改性瀝青的蜂狀結(jié)構(gòu)顯得較為密集,蜂狀結(jié)構(gòu)的平均尺寸(面積)相較于90#瀝青變小,間隙結(jié)構(gòu)存在空間也有限,圖5中很難找到成片的間隙結(jié)構(gòu),間隙結(jié)構(gòu)占據(jù)面積相較于90#瀝青明顯變小。

圖3 90#基質(zhì)瀝青三維圖

圖4 SBSΙ-C改性瀝青二維圖

圖5 SBSΙ-C改性瀝青三維圖

2.2 瀝青納米尺度參數(shù)

2.2.1 AFM粗糙度

試驗(yàn)掃描結(jié)果利用Nanoscope Analysis軟件進(jìn)行讀取,利用AFM軟件采集瀝青表面的高度信息,進(jìn)而可以自動(dòng)計(jì)算出粗糙度的數(shù)值,本文選擇的粗糙度為均方根粗糙度(Rq),計(jì)算公式見(jiàn)式(1)[6]。

Rq=((?[h(x,y)-h0]2dA)/(?dA))1/2,

(1)

式中:A為掃描區(qū)域,10 μm×10 μm;h(x,y)為高度函數(shù),nm;h0為參考高度,nm,其計(jì)算公式見(jiàn)式(2)[6]。

h0=(?h(x,y)dA)/(?dA)。

(2)

圖6為均方根粗糙度的獲取方法,利用Nanoscope Analysis軟件的Roughness模塊可以迅速讀取選定區(qū)域的粗糙度。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),對(duì)于同一種瀝青,相同測(cè)試條件(需嚴(yán)格控制時(shí)間成型時(shí)的降溫速率),不同測(cè)試區(qū)域(以10 μm×10 μm為單位)的粗糙相對(duì)穩(wěn)定,振幅約在3%左右,這也為粗糙度可以作為AFM納米尺度參數(shù)提供了保障。

圖6 粗糙圖測(cè)試方法

2.2.2 最大起伏高度差

本文定義基于AFM的納米尺度參數(shù)—最大起伏高度差系在10 μm×10 μm×高度(h)的三維空間中,高度最大值(hmax)與高度最小值(hmin)之間的差值。如圖7所示,hmax與hmin可以通過(guò)Nanoscope Analysis軟件讀取或計(jì)算。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),對(duì)于同一種瀝青,在嚴(yán)格控制AFM試件冷卻時(shí)的降溫速率下,不同測(cè)試區(qū)域(以10 μm×10 μm為單位)的最大起伏高度差對(duì)穩(wěn)定,振幅約在5%左右,選擇最大起伏高度差作為瀝青的納米尺度參數(shù)具有可行性。

3 瀝青抗紫外線老化性能評(píng)價(jià)研究

3.1 納米尺度參數(shù)與紫外線老化時(shí)間的關(guān)系

基于節(jié)1.2中的試驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)經(jīng)受不同紫外線老化時(shí)間的90#基質(zhì)瀝青和SBS I-C改性瀝青分別進(jìn)行AFM掃描與測(cè)試,分別整理紫外線老化時(shí)間與粗糙度及最大起伏高度差之間的關(guān)系,如圖8和圖9所示。

圖8 紫外線老化時(shí)間與粗糙度的關(guān)系曲線

圖9 紫外線老化時(shí)間與最大起伏高度差的關(guān)系曲線

圖8和圖9顯示,隨著紫外線老化時(shí)間的延長(zhǎng),90#基質(zhì)瀝青和SBS I-C改性瀝青的粗糙度迅速增大,任一時(shí)間下,90#基質(zhì)瀝青的粗糙度的增速均大于SBS I-C改性瀝青,且在老化時(shí)間180 h左右,90#基質(zhì)瀝青的粗糙度反超SBS I-C改性瀝青。隨著紫外線老化時(shí)間的持續(xù)延長(zhǎng),兩種瀝青粗糙度的增速逐漸減小,在老化時(shí)間為240 h時(shí),增速已經(jīng)幾乎成為一條水平線,但兩者粗糙度的最終增加幅度差別很大。紫外線老化時(shí)間與90#基質(zhì)瀝青和SBS I-C改性瀝青最大起伏高差之間的關(guān)系與粗糙度相似,隨著紫外線老化時(shí)間的延長(zhǎng),90#基質(zhì)瀝青的最大起伏高度差的增速在任一時(shí)間下均大于SBS I-C改性瀝青,且在紫外線老化60 h左右,90#基質(zhì)瀝青的最大起伏高度差反超SBS I-C改性瀝青,并在后續(xù)的紫外線老化過(guò)程中拉大差距,最大起伏高度差的最終增加幅度差別巨大。

通過(guò)上述分析可以看出,粗糙度及最大起伏高差是可以反映瀝青紫外線老化程度的兩個(gè)參數(shù),瀝青性能隨紫外線老化時(shí)間延長(zhǎng)的衰減速率與粗糙度及最大起伏高差的數(shù)值大小有關(guān),但與兩者的變化速率關(guān)系更為密切,參數(shù)的最終增幅可能與瀝青紫外線老化中性能的損失量存在某種聯(lián)系。

3.2 納米尺度參數(shù)與瀝青技術(shù)性能

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),90#基質(zhì)瀝青和SBS I-C改性瀝青納米尺度參數(shù)的變化規(guī)律與紫外線老化后技術(shù)性能的變化規(guī)律存在著一定的非線性關(guān)系。本文測(cè)試了不同老化時(shí)間下的兩種瀝青的殘留針入度(25 ℃)和殘留延度(90#基質(zhì)瀝青為15 ℃;SBS I-C改性瀝青為5 ℃)。圖10至圖13分別為粗糙度與殘留針入度、粗糙度與殘留延度、最大起伏高度差與殘留針入度、最大起伏高度差與殘留延度的關(guān)系圖。

圖10 粗糙度與殘留針入度關(guān)系圖

圖11 粗糙度與殘留延度關(guān)系圖

圖12 最大起伏高度差與殘留針入度關(guān)系圖

圖13 最大起伏高度差與殘留延度關(guān)系圖

圖10至圖13顯示粗糙度與瀝青紫外線老化后的殘留針入度及殘留延度成均負(fù)相關(guān)關(guān)系,最大起伏高度差與殘留針入度及殘留延度也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這進(jìn)一步地證實(shí)了粗糙度及最大起伏高差作為反映瀝青紫外線老化程度參數(shù)的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果還表明SBS I-C改性瀝青擁有比90#基質(zhì)瀝青更好的改性效果,前者紫外線老化過(guò)程中的延度與針入度的損失速率相對(duì)較低,同時(shí)該規(guī)律與粗糙度及最大起伏高差隨紫外線老化時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)出的變化速率關(guān)系密切;此外,紫外線老化過(guò)程中,粗糙度及最大起伏高差的變化量與瀝青性能的損失量成正相關(guān)關(guān)系,即粗糙度及最大起伏高差變化幅度越小,瀝青在紫外線老化過(guò)程中的性能損失也就越低,其抗老化性能則越強(qiáng)。

粗糙度及最大起伏高差作為反映瀝青紫外線老化程度參數(shù),以及兩者隨紫外線老化時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)出的變化速率均可以歸結(jié)到瀝青納觀結(jié)構(gòu)與組分層面。90#基質(zhì)瀝青相對(duì)于SBS I-C改性瀝青擁有更多的輕質(zhì)組分,導(dǎo)致其間隙結(jié)構(gòu)覆蓋面積越大,隨著紫外線老化持續(xù),輕質(zhì)組分相繼揮發(fā)或轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏雀蟮哪z質(zhì)或?yàn)r青質(zhì),導(dǎo)致蜂狀結(jié)構(gòu)增多加密,粗糙度及最大起伏高差也迅速增大;而SBS I-C改性瀝青本身的輕質(zhì)組分相對(duì)較少,蜂狀結(jié)構(gòu)相對(duì)集,間隙結(jié)構(gòu)覆蓋面積也較小,隨著紫外線老化的持續(xù),輕質(zhì)組分揮發(fā)相對(duì)于90#基質(zhì)瀝青較少,粗糙度與最大起伏高差的變化速率也就相對(duì)較小。總之粗糙度及最大起伏高差可以作為反映瀝青紫外線老化程度的兩個(gè)參數(shù),兩者隨紫外線老化時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)出的變化速率及變化幅度可以分別用于評(píng)價(jià)瀝青的抗紫外線老化性能和老化量。

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究,認(rèn)為粗糙度及最大起伏高差可以作為反映瀝青紫外線老化程度的兩個(gè)參數(shù),兩者隨紫外線老化時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)出的變化速率及變化幅度可以分別用于評(píng)價(jià)瀝青的抗紫外線老化性能和老化量,本文得出的主要結(jié)論如下:

1)90#瀝青相較于SBS I-C改性瀝青擁有更大覆蓋范圍且連續(xù)的間隙結(jié)構(gòu),而后者的蜂狀結(jié)構(gòu)體積相對(duì)較小且密集。

2)紫外線老化過(guò)程中,90#基質(zhì)瀝青和SBS I-C改性瀝青的粗糙度及最大起伏高差均迅速增大,前者增速更大,且前者參數(shù)的最終增加幅度相對(duì)較大。

3)紫外線老化過(guò)程中,粗糙度和最大起伏高度差分別與瀝青紫外線老化后的殘留針入度及殘留延度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,參數(shù)的變化量與瀝青性能的損失量成正相關(guān)關(guān)系。

4)粗糙度和最大起伏高差變化速率越小,瀝青在紫外線老化過(guò)程中的性能損失速率也就越低,其抗老化性能則越強(qiáng)。

5)粗糙度和最大起伏高差變化幅度越小,瀝青在紫外線老化過(guò)程中的性能損失也就越低,其抗老化性能則越強(qiáng)。