关键词：道路工程 | 沥青老化 | 流变性能 | 化学组成 | 微观形貌

沥青作为常见的一种路面胶结材料，被广泛应用于沥青路面建设。沥青在生产、贮藏、运输、施工以及路面长期服役过程中，受到外界环境与行车荷载的不断作用，不可避免地会发生老化，进而导致沥青各项性能的衰变[2，3]。由于沥青材料老化等原因，沥青路面会出现表面剥落、裂缝等病害，降低服役性能[4]。

沥青的流变性对于沥青路面的路用性能有着非常重要的影响，动态剪切流变仪被广泛地应用到了沥青流变性测试中[5-8]。有学者采用动态流变剪切仪对各老化后的沥青试样进行动态频率扫描试验，得到沥青的复数剪切模量、相位角主曲线，进而获得各试样的交叉模量，发现基质沥青的氧化会造成其流变性能的大幅度下降，是沥青老化的主要原因[9，10]；近年来，随着科学技术与试验仪器的不断进步与更新，境内外学者越来越注重沥青的化学组成与微观形貌结构研究[4，11-14]。方金苗等[15]利用凝胶渗透色谱、原子力显微镜等微观表征方法对生物沥青再生机理进行研究，发现随着生物质重油掺量的增大，沥青中胶团逐渐解聚，得到的小蜂状结构逐渐被沥青中的轻组分溶解，蜂状结构逐渐变小，且数目增多；Gong等[16]量化研究了沥青微观结构与其化学组分之间的关系，发现沥青AFM图像粗糙度与沥青极性组分和非极性组分的比例有较高相关性。

为了能够更深入地探究沥青老化对于沥青流变性能的影响，本研究选取90号基质沥青为研究对象，进行室内模拟老化试验，分别得到短期老化与长期老化后沥青试样，借助DSR、傅里叶光谱仪与原子力显微镜对沥青老化前后试样的流变性能、内部化学组分与微观形貌结构进行分析，探究沥青老化过程中内部化学组分与微观形貌变化对其流变性能的影响，为沥青热氧老化研究以及沥青再生技术提供理论参考。

试验

试验原材料

本研究选取90号基质沥青为研究对象，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[17]所述试验方法对基质沥青进行相关性能的测试，其基本性能指标如表1所示。

试验方法

(1)室内老化试验

采用82型旋转薄膜烘箱对90号基质沥青进行短期老化试验，计取35g±0.5g沥青试样装入老化瓶中，旋转薄膜烘箱温度设定为163℃±0.5℃，空气流量为(4000±200)mL/min，箱转动速度为(15±0.2)r/min，老化时间持续85min，薄膜烘，即获得短期老化后的沥青试样。对短期老化后沥青残留物进行压力老化试验，模拟长期老化过程。采用9300型压力老化容器，试验参数为：老化温度100℃，空气压力2.1MPa，试验时间24h。

(2)动态流变剪切试验

采用美国某公司研发的Discovery系列DHR-2型动态剪切流变仪进行流变试验，仪器如图1所示。试验所用的刚转子直径为25mm，间隙为1mm，对试样进行温度扫描。试验条件为：采用应变控制模式，原样沥青应变γ=12％，RTFOT老化沥青应变γ=10％，压力老化(PAV)沥青γ=1％；试验频率为10rad/s；温度按照PG分级，分别为46℃、52℃、58℃、64℃、70℃、76℃。

(3)傅里叶红外光谱试验

采用德国某公司生产TENSORⅡ红外光谱仪(如图2所示)测量基质沥青与老化沥青红外光谱图，并进行对比分析，判断沥青老化过程中化学特征官能团变化。采用溴化钾压片法制样，测试时，红外光谱扫描范围为4000～400cm ^-1，扫描分辨率为4cm ^-1。

(4)原子力显微镜试验

试验用原子力显微镜采用Dimension Icon型原子力显微镜，如图3所示。试验采用热滴法制样，即将沥青加热至110℃，呈液状，滴到事先准备好的2.5cm×8cm×0.3cm玻璃片上自流平，即可获得AFM试样。试验参数为：扫描频率1.5HZ，扫描区域30μｍ×30μｍ，每个扫描区域扫描256×256个点。

试验结果与讨论

沥青流变性能试验结果与分析

图4给出了沥青在老化过程中流变性能试验结果。由图4(a)、4(b)可知，老化后的沥青相位角明显降低，复数模量增大。在炎热夏季，路表温度可以达到60℃左右，故取沥青在58℃温度条件下为例进行研究，如图4(d)所示。在58℃下，相位角由原样的85.9°经过短期老化与长期老化后分别降低到84.2°与76.4°，复数模量由原样的2.39kPa，经过短期老化与长期老化后分别增长到4.17kPa与20.05kPa。

由图4(c)可知，随着温度的不断升高，沥青车辙因子不断减小，抗车辙性能不断降低。对比短期老化、长期老化后沥青与原样沥青车辙因子试验结果可知，沥青老化后其抗车辙因子增大，高温性能优于原样沥青。取58℃下3组试验样品的抗车辙因子数据，如图4(e)，原样沥青车辙因子为2.38kPa，短期老化后车辙因子为4.15kPa，长期老化后沥青车辙因子为19.48kPa，表明长期老化对于沥青高温流变性能的影响程度远大于短期老化。

傅里叶变换红外光谱试验结果与分析

图5(a)～5(c)给出了原样沥青与RTFOT、PAV老化后沥青的傅里叶变换红外光谱变化，原样沥青、RTFOT老化沥青以及PAV老化沥青特征吸收峰位置基本相同，只是吸收峰的强度有所差异。

图5(a)中原样沥青在1698cm^-1上没有峰位，图5(b)中基质沥青经过RTFOT老化后在1698cm^-1处也没出现峰，而图5(c)中基质沥青经过PAV老化后在1698cm^-1出现了吸收峰，说明基质沥青经过短期老化后生成羟基不明显，而长期老化醛、酮等含氧组分含量变化较短期老化更加明显；随着老化过程的不断加深，沥青红外光谱图中1030cm^-1处亚砜基官能团所对应的峰值逐渐增大，说明沥青老化过程中，其内部硫元素与氧结合生成含氧的亚砜基官能团。

沥青微观形貌试验结果与分析

将原样沥青与短期老化、长期老化后沥青试样在相同试验条件下进行AFM试验，得到各试样的AFM微观形貌图像。对图像进行二值化处理，发现图中出现明显的两相结构，一般认为是蜂窝结构与连续相，如图6、图7所示。

由图6、图7可知，沥青经过室内模拟老化，其“蜂”形结构数量和面积发生明显变化，短期老化后的沥青“蜂”形结构较基质沥青而言，其数量与面积基本相似，而长期老化后沥青“蜂”形结构较基质沥青有着明显的差异，长期老化后沥青“蜂”形结构数量明显变得密集，且单个“蜂”形结构变小。其原因在于，沥青在老化过程中伴随有内部化学组分的变化，主要体现在非极性组分(饱和分、芳香分)向极性组分(胶质、沥青质)转化，导致“蜂”形结构数量和面积发生改变，使得沥青内部分子量相互作用力增强，进而影响沥青的流变性能。

微观指标与流变性能相关性分析

在沥青不断老化过程中，其流变性能是由沥青自身微观形貌结构与内部化学组成变化所引起的，因此，沥青的流变性能变化与微观形貌结构、化学组成之间必然存在一定的相关性。

本研究利用红外光谱测定沥青老化过程中其内部特征官能团变化情况。沥青在老化过程中会与空气中的氧气生成系列极性含氧官能团，如羟基、亚砜、酮等，使得沥青内部分子间作用力更加紧密。此外，AFM得到的微观形貌图像显示沥青内部“蜂”形结构在老化作用下数量逐渐增多。根据“蜂”形结构与沥青质含量之间的相关性可知，随着老化过程不断加深，“蜂”形结构数量增多，即沥青内部沥青质含量增大，这与沥青流变性能结果中相位角减小、复数模量以及车辙因子增大结果一致。

结语

(1)随着沥青老化程度的不断加深，其相位角减小、车辙因子与复数模量增大，高温性能相对原样沥青有所提升；长期老化作用对于沥青老化程度影响明显强于短期老化，即沥青老化主要发生在长期服役阶段。

(2)红外光谱试验表明，沥青老化过程中伴随着一系列含氧特征官能团的生成，导致沥青分子量变大，进而影响沥青的流变性能。

(3)沥青AFM试验中，“蜂”形结构在老化作用下，其数量增多，总体面积增大。

(4)在老化过程中，沥青流变性能与其内部化学组分和微观形貌结构的变化存在着一定的相关性，沥青的内部化学组分与微观形貌结构的变化对沥青流变性能变化起决定性作用，而沥青流变性能则是其内部化学组分与微观形貌结构变化的具体表现。

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[17]JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

全文完 发布于《公路》2021年5月 

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