基于纳米尺度参数的沥青抗紫外线老化性能评价

于西尧，闫祥，张文刚

(1.中铁十八局集团有限公司 勘察设计院，天津 300350；2. 山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049；3. 山东理工大学 建筑工程与空间信息学院，山东 淄博 255049)

紫外线只占太阳光总辐射量约8%左右,但其对沥青路面性能的劣化影响却十分大[1]。紫外线波长较小,能量较大,其对沥青的老化机理一般可以归结为组分的变化,具体表现为在紫外线的照射下,沥青的轻质组分(饱和分和芳香分)挥发,同时部分轻质组分转变为胶质,胶质大量地转变为沥青质,最终导致沥青的黏滞性增大,低温延性降低,耐久性变差[2]。国内外开展了大量的紫外线老化对沥青性能的影响、评价指标、老化机理等一系列的研究,也取得了大量的研究成果,为指导我国开展沥青路面防紫外线老化提供了技术支撑[3]。

原子力显微技术(AFM)近几年被广泛应用于沥青的研究中[4-6],其中以蜂状结构为代表的沥青纳米尺度形态与结构的研究成果最多[7-9]。相关研究表明,沥青质的存在是形成蜂状结构中高度较大部分的重要因素,而长烷基侧链尾部对沥青质的穿插作用形成了蜂状结构中高度较低的部分[10]。随着研究的持续深入,基于AFM对沥青的研究已经开始由纳观形貌向纳观参数深入,蜂状结构面积比、最大振幅及粗糙度等概念均已经被提出,且被证明与沥青的多项技术性能存在关联[11]。单丽岩等[12]研发了一种使用AFM沥青试样的原位拉伸设备,并研究了拉伸荷载对沥青在纳米尺度上的损伤机理,提出了受力作用下沥青相分离的理论。学者们还发现,老化对于沥青纳观形貌的改变十分显著且存在一定规律。由于紫外线老化属于沥青老化的一种形式,这就为基于沥青纳观形貌参数评价老化性能提供了可行性[13-14].

本文基于上述背景,研究了沥青紫外线老化过程中纳米尺度参数及其随紫外线老化的变化规律。利用紫外线老化箱对90#沥青和SBS I-C改性沥青开展紫外线老化试验,利用AFM获取不同紫外线老化时间下的沥青AFM图,并测取不同老化时间的残留针入度、残留延度等技术性能,分析紫外线老化过程中沥青的纳观形貌变化及其与沥青相关技术指标间的规律,探明可以用于评价或描述沥青紫外线老化过程的纳米尺度参数及规律。

1 试验设计

1.1 原材料

本文采用90#基质沥青和SBS I-C改性沥青为研究对象,均为山东高速物资储运有限公司生产,技术指标见表1,其中SBS I-C改性沥青中SBS的含量为4.0%,母沥青为本文所使用的90#基质沥青。

表1 沥青技术指标

1.2 试验设计

利用紫外线老化箱对90#基质沥青和SBS I-C改性沥青进行紫外线老化试验,盛样皿内径为120 mm,根据沥青密度控制沥青膜厚度在1 mm左右,紫外线辐照度为150 W/m2,试验温度选取60 ℃,老化时间选取0～240 h(间隔12 h),对紫外线老化后的沥青进行残留针入度及残留延度的测试[15]。部分紫外线老化时间与实际紫外线老化时间的对应关系见表2。

表2 紫外线老化时间对照表

制作原子力显微试件时,沥青初始温度为135 ℃,试件冷却速率为2 ℃/min。采用原子力显微镜对不同紫外线老化时间下的沥青进行扫描,扫描温度为25 ℃,扫描范围为10 μm×10 μm,AFM试件制备与扫描的过程如图1所示。在获取90#基质沥青和SBS I-C改性沥青的纳观形貌参数后,分析紫外线老化过程中沥青的纳观形貌变化规律及其相关参数与沥青部分技术指标间的规律。

图1 AFM试件制备与扫描过程

2 沥青AFM的纳观形貌参数

2.1 沥青AFM纳观形貌

选用的AFM测试模式为轻敲模式,该模式下可以避免沥青黏滞性所带来的横向力对扫描结果造成的影响,同时还可有效地保护样品不被破坏。在扫描过程中,扫描区域选取在试样中心附近,以避免不平整试样对结果造成影响。在上述条件下,基于1.2中的试验方法,扫描获取90#基质沥青和SBS I-C改性沥青的AFM图。图2至图5为紫外线老化前90#基质沥青和SBS I-C改性沥青AFM代表图。

图2 90#基质沥青二维图

如图2至图5所示,沥青的AFM图由三部分组成,即:蜂状结构、蜂壳结构(蜂状结构外围高低起伏部分)以及间隙结构(蜂状结构间高度相对稳定部分),这其中以蜂状结构的起伏最为剧烈。本文所使用的SBS I-C改性沥青是基于表1所示的90#基质沥青制备而来,但从图2至图5可以看出,两种沥青之间的AFM图有着明显的不同之处。图2中,90#沥青的间隙结构相对均匀,反映在图3中为蜂状结构之间的大片区域几乎没有高低起伏,即间隙结构面积占比较大。图4中,SBS I-C改性沥青的蜂状结构显得较为密集,蜂状结构的平均尺寸(面积)相较于90#沥青变小,间隙结构存在空间也有限,图5中很难找到成片的间隙结构,间隙结构占据面积相较于90#沥青明显变小。

图3 90#基质沥青三维图

图4 SBSΙ-C改性沥青二维图

图5 SBSΙ-C改性沥青三维图

2.2 沥青纳米尺度参数

2.2.1 AFM粗糙度

试验扫描结果利用Nanoscope Analysis软件进行读取,利用AFM软件采集沥青表面的高度信息,进而可以自动计算出粗糙度的数值,本文选择的粗糙度为均方根粗糙度(Rq),计算公式见式(1)[6]。

Rq=((∬[h(x,y)-h0]2dA)/(∬dA))1/2,

(1)

式中:A为扫描区域,10 μm×10 μm;h(x,y)为高度函数,nm;h0为参考高度,nm,其计算公式见式(2)[6]。

h0=(∬h(x,y)dA)/(∬dA)。

(2)

图6为均方根粗糙度的获取方法,利用Nanoscope Analysis软件的Roughness模块可以迅速读取选定区域的粗糙度。在试验过程中发现,对于同一种沥青,相同测试条件(需严格控制时间成型时的降温速率),不同测试区域(以10 μm×10 μm为单位)的粗糙相对稳定,振幅约在3%左右,这也为粗糙度可以作为AFM纳米尺度参数提供了保障。

图6 粗糙图测试方法

2.2.2 最大起伏高度差

本文定义基于AFM的纳米尺度参数—最大起伏高度差系在10 μm×10 μm×高度(h)的三维空间中,高度最大值(hmax)与高度最小值(hmin)之间的差值。如图7所示,hmax与hmin可以通过Nanoscope Analysis软件读取或计算。试验过程中发现,对于同一种沥青,在严格控制AFM试件冷却时的降温速率下,不同测试区域(以10 μm×10 μm为单位)的最大起伏高度差对稳定,振幅约在5%左右,选择最大起伏高度差作为沥青的纳米尺度参数具有可行性。

3 沥青抗紫外线老化性能评价研究

3.1 纳米尺度参数与紫外线老化时间的关系

基于节1.2中的试验设计,对经受不同紫外线老化时间的90#基质沥青和SBS I-C改性沥青分别进行AFM扫描与测试,分别整理紫外线老化时间与粗糙度及最大起伏高度差之间的关系,如图8和图9所示。

图8 紫外线老化时间与粗糙度的关系曲线

图9 紫外线老化时间与最大起伏高度差的关系曲线

图8和图9显示,随着紫外线老化时间的延长,90#基质沥青和SBS I-C改性沥青的粗糙度迅速增大,任一时间下,90#基质沥青的粗糙度的增速均大于SBS I-C改性沥青,且在老化时间180 h左右,90#基质沥青的粗糙度反超SBS I-C改性沥青。随着紫外线老化时间的持续延长,两种沥青粗糙度的增速逐渐减小,在老化时间为240 h时,增速已经几乎成为一条水平线,但两者粗糙度的最终增加幅度差别很大。紫外线老化时间与90#基质沥青和SBS I-C改性沥青最大起伏高差之间的关系与粗糙度相似,随着紫外线老化时间的延长,90#基质沥青的最大起伏高度差的增速在任一时间下均大于SBS I-C改性沥青,且在紫外线老化60 h左右,90#基质沥青的最大起伏高度差反超SBS I-C改性沥青,并在后续的紫外线老化过程中拉大差距,最大起伏高度差的最终增加幅度差别巨大。

通过上述分析可以看出,粗糙度及最大起伏高差是可以反映沥青紫外线老化程度的两个参数,沥青性能随紫外线老化时间延长的衰减速率与粗糙度及最大起伏高差的数值大小有关,但与两者的变化速率关系更为密切,参数的最终增幅可能与沥青紫外线老化中性能的损失量存在某种联系。

3.2 纳米尺度参数与沥青技术性能

试验过程中发现,90#基质沥青和SBS I-C改性沥青纳米尺度参数的变化规律与紫外线老化后技术性能的变化规律存在着一定的非线性关系。本文测试了不同老化时间下的两种沥青的残留针入度(25 ℃)和残留延度(90#基质沥青为15 ℃;SBS I-C改性沥青为5 ℃)。图10至图13分别为粗糙度与残留针入度、粗糙度与残留延度、最大起伏高度差与残留针入度、最大起伏高度差与残留延度的关系图。

图10 粗糙度与残留针入度关系图

图11 粗糙度与残留延度关系图

图12 最大起伏高度差与残留针入度关系图

图13 最大起伏高度差与残留延度关系图

图10至图13显示粗糙度与沥青紫外线老化后的残留针入度及残留延度成均负相关关系,最大起伏高度差与残留针入度及残留延度也呈负相关关系,这进一步地证实了粗糙度及最大起伏高差作为反映沥青紫外线老化程度参数的可靠性。试验结果还表明SBS I-C改性沥青拥有比90#基质沥青更好的改性效果,前者紫外线老化过程中的延度与针入度的损失速率相对较低,同时该规律与粗糙度及最大起伏高差随紫外线老化时间的延长而呈现出的变化速率关系密切;此外,紫外线老化过程中,粗糙度及最大起伏高差的变化量与沥青性能的损失量成正相关关系,即粗糙度及最大起伏高差变化幅度越小,沥青在紫外线老化过程中的性能损失也就越低,其抗老化性能则越强。

粗糙度及最大起伏高差作为反映沥青紫外线老化程度参数,以及两者随紫外线老化时间的延长而呈现出的变化速率均可以归结到沥青纳观结构与组分层面。90#基质沥青相对于SBS I-C改性沥青拥有更多的轻质组分,导致其间隙结构覆盖面积越大,随着紫外线老化持续,轻质组分相继挥发或转变为密度更大的胶质或沥青质,导致蜂状结构增多加密,粗糙度及最大起伏高差也迅速增大;而SBS I-C改性沥青本身的轻质组分相对较少,蜂状结构相对集,间隙结构覆盖面积也较小,随着紫外线老化的持续,轻质组分挥发相对于90#基质沥青较少,粗糙度与最大起伏高差的变化速率也就相对较小。总之粗糙度及最大起伏高差可以作为反映沥青紫外线老化程度的两个参数,两者随紫外线老化时间的延长而呈现出的变化速率及变化幅度可以分别用于评价沥青的抗紫外线老化性能和老化量。

4 结论

通过上述研究,认为粗糙度及最大起伏高差可以作为反映沥青紫外线老化程度的两个参数,两者随紫外线老化时间的延长而呈现出的变化速率及变化幅度可以分别用于评价沥青的抗紫外线老化性能和老化量,本文得出的主要结论如下:

1)90#沥青相较于SBS I-C改性沥青拥有更大覆盖范围且连续的间隙结构,而后者的蜂状结构体积相对较小且密集。

2)紫外线老化过程中,90#基质沥青和SBS I-C改性沥青的粗糙度及最大起伏高差均迅速增大,前者增速更大,且前者参数的最终增加幅度相对较大。

3)紫外线老化过程中,粗糙度和最大起伏高度差分别与沥青紫外线老化后的残留针入度及残留延度呈负相关关系,参数的变化量与沥青性能的损失量成正相关关系。

4)粗糙度和最大起伏高差变化速率越小,沥青在紫外线老化过程中的性能损失速率也就越低,其抗老化性能则越强。

5)粗糙度和最大起伏高差变化幅度越小,沥青在紫外线老化过程中的性能损失也就越低,其抗老化性能则越强。