熱老化下瀝青膠漿微觀結構及自愈合性能評價

崔亞楠， 周 軍， 趙 琳

（1.內蒙古工業大學土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010051；3.內蒙古建筑職業技術學院交通與市政工程學院，內蒙古呼和浩特 010051）

瀝青路面受自然環境和行車荷載的影響會發生老化，導致路用性能降低，從而產生裂縫［1-2］.研究發現，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、熱力學和力學等角度對瀝青自愈合進行大量研究，其中采用動態剪切流變儀（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，發現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，以動態模量、剛度及耗散能的變化為評價指標，發現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，并采用愈合前后復數剪切模量的變化作為自愈合評價的指標，發現SBS改性瀝青膠漿的自愈合能力優于基質瀝青膠漿，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瀝青膠漿、SBS改性瀝青膠漿、膠粉改性瀝青膠漿進行微觀結構測試、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構和自愈合性能，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，以優化瀝青混凝土的使用.

1 試驗

1.1 原材料

瀝青采用70#基質瀝青（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到攤鋪過程中發生的短期老化.將經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，當瀝青膠漿復數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，使用設置預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微觀結構觀測

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；然后在干凈的載玻片中央滴入少量瀝青膠漿，烘箱溫度設置為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 結果討論

2.1 瀝青膠漿疲勞—愈合—再疲勞試驗愈合指數

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HI1，以此來評價其自愈合能力.愈合指數HI1的計算式見式（1）～（3）.

式中：σ為加載應力，MPa；Gi為瀝青膠漿第i次加載時的復數剪切模量，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

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 試驗結果

根據試驗結果，計算得到瀝青膠漿的愈合指數HI1和HI2，見表3、4.

表3 瀝青膠漿愈合指數HI1計算結果Table 3 Healing index HI1 calculation results of asphalt mortars

表4 瀝青膠漿愈合指數HI2的計算結果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HI1評價瀝青膠漿自愈合性能

針對表3中愈合指數HI1的計算結果，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，膠體中固態部分的結合性能明顯低于液態部分［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其抗疲勞性能.

圖1 各影響因素下瀝青膠漿愈合指數HI1的極差分析結果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有所減小.這是由于粉膠比增大使得瀝青膠漿由“稀釋結構”向“集中式”結構轉變［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，基質瀝青膠漿的自愈合性能最優.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的含量較高，由于難以流動和自愈，瀝青的擴散系數與相對分子質量成反比［14-15］，所以表現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分子取向現象，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會隨著溫度的升高向溶膠狀態轉變［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，從而表現出很好的愈合效果［18］.

3 老化后瀝青膠漿的微觀結構

3.1 瀝青膠漿的微觀結構

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）基質瀝青膠漿出現明顯的“蜂形結構”，該結構是由于瀝青質的聚集形成了一定高度的白色區域，而硫化物、稠環芳烴阻止瀝青質聚集，形成了蜂狀沉陷區所構成的；未老化的基質瀝青膠漿“蜂形結構”比較集中，隨著老化程度的增加，“蜂形結構”逐漸變窄變長，表明瀝青質不斷增加，分散狀況變差.（2）SBS改性瀝青膠漿沒有出現明顯的“蜂形結構”，老化后，SBS改性瀝青三維網狀結構的破壞減弱了瀝青質的分散作用，出現了“絮凝”狀結構［19］.（3）膠粉改性瀝青膠漿也沒有出現“蜂形結構”，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，瀝青質分散狀況良好；經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Fig.3 AFM photos of asphalt mortars before and after aging（filler-asphalt ratio（by mass）＝1.0）

3.2 瀝青膠漿微觀參數分析

為進一步分析老化對瀝青膠漿微觀結構的影響規律及自愈合的潛在影響，對3種瀝青膠漿的微觀形貌參數進行分析.各瀝青膠漿的微觀形貌參數見表5～7.

表5 基質瀝青膠漿的“蜂形結構”特征參數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，原樣基質瀝青膠漿的“蜂形結構”數量增加了21.1%，而經歷長短期老化的基質瀝青膠漿分別增加了34.8%和8倍，且最大“蜂形結構”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，原樣基質瀝青膠漿中“蜂形結構”數量稍稍增加，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，這是因為輕組分質量分數在老化后已經較低，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，降低基質瀝青的老化速度，以至于大分子聚集現象沒有更多出現.

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，最終在經歷凝聚、離析后，出現了“絮凝”狀結構，顆粒數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減少，瀝青質含量增加，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，這主要是其內部的瀝青、礦粉、膠粉顆粒一起發生老化，致使橡膠分子部分降解，礦粉被更加均勻地裹覆，加之數量不斷增加的結構瀝青，增強了黏附作用，使得體系越來越穩定［20］.膠粉改性瀝青膠漿的改性過程僅僅是部分溶脹或混溶，并未發生任何化學作用，瀝青質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 結論

（1）疲勞—愈合—再疲勞測試結果表明：SBS改性瀝青膠漿和基質瀝青膠漿的自愈合性能優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異的低溫性能，在低溫條件下自愈合性能具有優勢.

（3）微觀結構觀測顯示，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構產生影響，進而影響到其自愈合的能力，但老化后改性瀝青微觀結構變化較小，說明其抗老化能力較強，對環境的適應性更好.