基于熒光顯微技術的溫拌瀝青圖像分析

王召強，章繼忠，鄒淑國，董建勛

(青島市市政工程設計研究院，山東 青島 266061)

隨著國內外對瀝青性能研究的不斷深入，熒光顯微技術作為檢測瀝青性能的輔助手段應運而生。瀝青的性能與其顯微結構有十分緊密的聯系，而且熒光顯微技術可清晰描述改性瀝青自身的微觀結構及瀝青與外摻劑混合后的內部結構形態，并對研究瀝青的宏觀性能有一定的指導作用。

1 熒光顯微圖像技術

近年來，熒光顯微圖像技術已成為檢測瀝青性能的一種手段。該技術是將檢測物質放在藍紫單色光或具有一定范圍波長的紫外線下照射，通過一定的手段使這種光轉換成肉眼可以觀察到的熒光， 并利用熒光鏡成像進行檢測。由于成像的光源來自被觀測的物質表面，因此該技術可用于非透明材質[1-2]。

熒光顯微圖像技術在檢測瀝青自身性能方面有非常明顯的優勢，主要表現在以下兩方面：1)瀝青試樣制備簡單、檢測相對靈活，無論是檢測瀝青的內部結構，還是試件表面形態，都可進行方便快捷的觀測;2)在檢測過程中，可避免對瀝青試樣的切割，有效預防瀝青試樣形態結構的破損。

熒光顯微圖像技術不僅可以對天然石油瀝青進行觀測，也可以觀測煤層裂縫中的瀝青等物質[3-4]。國內利用熒光顯微手段對瀝青，尤其是對溫拌瀝青路用性能的研究仍處于起步階段，相關研究成果較少。因此，現階段只能將以往工程經驗及相關成果作為熒光顯微技術檢測瀝青性能的前期資料。

經過觀測發現，石油瀝青的熒光顯微顏色主要以褐色和橙色為主，如表1所示。由于大部分天然瀝青或多或少含有不同成分的雜質，天然瀝青也會呈現出其它熒光色彩，部分天然瀝青表現出暗淡的熒光態，有些瀝青也可能表現出兩種或兩種以上不同的熒光顏色。

熒光顯微技術的使用方法和注意事項包括[5-7]：1)制備瀝青試樣，應采用高溫制樣，待試樣冷卻后進行觀測，制備試樣最好與瀝青動態剪切試驗用試樣一致，同時避免制備試樣受到污染；2)為了更好的對試樣微觀表面進行觀測，圖像采集需安裝高清攝像機。觀測過程中，圖像的清晰度可通過高清相機或熒光顯微鏡的調焦螺母調整；3)試驗前需將熒光鏡開機預熱，由于熒光鏡采用超高壓汞燈，燈內的汞在開始通電后會蒸發并造成氣壓不穩定，因此，需待汞燈內達到穩定氣壓后方可進行觀測，一般需15 min的預熱時間；4)試樣觀測需快速完成，一方面長時間照射的熒光會發生衰減，另一方面是由于觀測過程中熒光會產生熱量，會使瀝青表面的結構發生一定的變化。

表1 瀝青組分對應的相關熒光顏色

2 溫拌瀝青試樣制備及熒光顯微圖像分析

2.1 試樣制備

需要在高溫下進行溫拌瀝青試樣制備。常規步驟為：在160 ℃將瀝青試樣加熱熔化，然后在熱瀝青中添加溫拌劑；為了使溫拌劑很好地分散于瀝青中，最好采用機械攪拌的方法；最后將瀝青保溫大約20 min后進行試樣澆注。由于溫拌劑DAT濃縮液中的水遇到熱瀝青會蒸發，在制備DAT溫拌瀝青時會有大量氣泡產生；而溫拌劑Leadcap或Sasobit與瀝青作用相對緩慢，一般不會產生氣泡，能快速溶于制備的熱瀝青中，兩種瀝青的性狀如圖1、2所示。

試驗共選用了3種溫拌劑和2種瀝青，制備了14種溫拌瀝青試樣，為了更好的對熒光圖像進行全面觀測，溫拌瀝青制備成粒徑約1 cm的試樣，如圖3所示。

圖1 DAT溫拌瀝青性狀 圖2 Sasobit或Leadcap溫拌瀝青性狀 圖3 14種溫拌瀝青試樣圖

2.2 溫拌瀝青熒光顯微圖像分析

利用熒光顯微圖像技術可直觀的反映各種添加劑在溫拌瀝青中的形態結構、分布以及自身相態，進而研究溫拌瀝青的穩定性。國內部分機構利用該技術對改性瀝青的離析現象進行過相關研究。本文結合溫拌瀝青的性能對熒光圖像形態特征進行分析，研究溫拌劑對瀝青穩定性的影響。

1)前期工作

利用Olympus BX41型熒光顯微鏡對3種溫拌添加劑(DAT、Leadcap和Sasobit)和2種原樣瀝青(SBS改性瀝青和70#基質瀝青)進行了熒光顯微檢測，3種溫拌添加劑及原樣瀝青的熒光顯微外觀特征如圖4、5所示。

圖4的顯微圖像中，溫拌劑DAT及Leadcap和Sasobit均表現出亮綠色的熒光；圖5的顯微圖像中，改性瀝青和基質瀝青均表現出黃色熒光，改性瀝青圖像中的亮點為均勻分布于瀝青中的改性劑。如果瀝青中摻加了其它物質，則可以將這種瀝青作為一種復合材料，由此可通過熒光顯微成像技術，結合不同物質的熒光顏色來進一步探討溫拌劑對瀝青各種性能的影響。

2)基質瀝青(加溫拌劑)顯微圖像分析

不同種類的溫拌添加劑會對瀝青的各項指標造成不同程度的影響。本文在結合溫拌瀝青試驗結果的基礎上，對溫拌瀝青的結構形態進行定性分析，探討溫拌瀝青顯微形態與溫拌瀝青各項性能之間的關聯性。圖6～8分別為DAT、不同摻量Sasobit和Leadcap溫拌瀝青熒光顯微圖像試驗結果。

圖4 3種溫拌劑對應的熒光圖像

圖5 70#基質瀝青與SBS改性瀝青 圖6 DAT+70#溫拌基質瀝青熒光圖像

圖7 Sasobit+70#溫拌基質瀝青熒光顯微圖像

圖8 Leadcap+70#溫拌基質瀝青熒光圖像

由圖6可知，DAT加入到基質瀝青中后，并沒有出現顯著的相界面，DAT外加劑很好地混合在了基質瀝青中，這說明DAT添加劑與瀝青的混和比較均勻，兩者的相容性良好，這與DAT溫拌瀝青與原樣瀝青試驗結果也是相對應的。

由圖7可知，基質瀝青加入Sasobit后，呈現明顯的塊狀龜裂現象，且隨著Sasobit摻量增多，基質瀝青表面的網裂狀分布逐漸明顯，這說明Sasobit不能很好地和基質瀝青相容，導致基質瀝青發生結構性變化而造成脆性增加，這與加入Sasobit后瀝青延度降低現象呈現出很好地相似性。

圖9 摻加DAT的SBS改性瀝青熒光顯微圖像

由圖8可知，加入Leadcap后的基質瀝青顯微圖像與原基質瀝青圖像無本質差異，這說明溫拌劑Sasobit能與基質瀝青很好地混合在一起。且由前期試驗結果來看，Sasobit溫拌基質瀝青的針入度、軟化點與原基質瀝青相差無幾，且10 ℃時，瀝青的延度隨Sasobit摻量增大而提高，這也與熒光圖像變化結果吻合，但還不能簡單通過顏色來判別兩者的相關性。

3)溫拌改性瀝青熒光顯微圖像分析

文獻[5]顯示SBS改性瀝青呈現出黃色的熒光，由于SBS改性劑是以μm級的顆粒均勻分散在瀝青內部，故改性劑的熒光顯示不明顯。對添加3種不同溫拌劑的SBS改性瀝青進行的熒光顯微檢測，結果如圖9～11所示。

圖10 Sasobit+SBS改性瀝青熒光圖像

圖11 Leadcap+SBS改性瀝青熒光圖像

由圖9可知，DAT與SBS改性瀝青未出現明顯相界面，說明兩者能很好的融和在一起， 成為均勻的混合物。需要特別指出的是，圖9中出現的小黑圈是SBS改性瀝青與溫拌劑作用而遺留的氣泡，對溫拌瀝青本身的均勻性無影響，溫拌改性瀝青與原瀝青性能指標基本相同，溫拌劑未對改性瀝青造成負面作用。

由圖10可知，Sasobit溫拌劑與改性瀝青混合較為均勻，Sasobit不同摻量下的溫拌改性瀝青均未出現網裂現象，但加入Sasobit后的改性瀝青顯微圖像呈現絮狀加筋的形態，很可能是Sasobit溫拌劑和改性瀝青作用，進而改變了瀝青的內部結構，同時提高了改性瀝青自身勁度，使瀝青膠結料脆性增大。改性瀝青加入Sasobit后，其延度減小、針入度變大、高溫性能得到改善，但低溫性能明顯降低，這與熒光顯微圖像分析結果吻合。

由圖11可知，加入溫拌劑Leadcap后的改性瀝青顯微圖像與原瀝青圖像結構基本無差異， 說明Leadcap同樣能和改性瀝青很好地混合在一起。Leadcap溫拌基質瀝青的軟化點、針入度與原樣瀝青相差不明顯，這種結果與熒光顯微圖像觀測吻合。

3 結論

1)熒光顯微檢測圖像顯示，有機添加劑Sasobit對基質瀝青自身的微觀結構影響較大，Sasobit溫拌基質瀝青呈現出較明顯的網裂狀形態分布特征，此熒光分析結果與瀝青延度降低呈現出明顯的相關性。

2)加入Sasobit后的SBS改性瀝青熒光顯微圖像呈現出一定程度的絮狀加筋分布，主要是由于溫拌劑Sasobit的加入，增加了瀝青膠結料的勁度，進而造成SBS改性瀝青脆性的增加和延度的降低。

3)對分別加入DAT和Leadcap的瀝青而言，兩種溫拌劑均未對基質瀝青和SBS改性瀝青微觀結構造成明顯的影響，溫拌劑與兩種瀝青均能很好的均勻混合在一起，前期性能試驗結果也很好地說明了溫拌劑對兩種瀝青未產生不利影響。

參考文獻：

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