紫外老化下温拌沥青黏附性能的微观表征方法

摘 要

为探究紫外线老化(UV)条件下温拌沥青黏附性能的表征方法，采用增力电动搅拌器，以基质沥青、Evotherm温拌剂为原材料制备Evotherm温拌改性沥青，根据表面自由能理论计算UV老化条件下Evotherm温拌改性沥青的宏观黏附性能指标(黏附功、剥落功)，通过原子力显微镜(AFM)试验获取紫外老化条件下Evotherm温拌改性沥青的微观参数(纳观黏附力、蜂面积比、表面粗糙度)，分析UV老化时间(0、50、100、150、200ｈ)和老化方式(隔氧、光氧耦合)对其微观参数、宏观黏附性能指标的影响规律，并对其进行线性回归分析。结果表明：Evotherm温拌改性沥青UV老化之后与石灰岩的黏附功逐渐减小，剥落功逐渐增大，在150hUV老化后Evotherm温拌改性沥青的黏附功和剥落功都趋于稳定，且在有氧条件下黏附性能较隔氧条件下更差；UV老化时间在0～150ｈ时，温拌沥青纳观黏附力、蜂面积比和表面粗糙度降低幅度明显，延长老化时间至200ｈ时则逐渐趋于平衡，失去沥青的属性。经表面能理论得到的温拌沥青UV老化后的黏附功和剥落功与AFM试验得到的纳观黏附力、蜂面积比、表面粗糙度之间具有良好的相关性；且在隔氧和光氧耦合2种UV老化下，其微观参数与黏附性能指标的相关性基本一致。建议采用纳观黏附力、蜂面积比和表面粗糙度表征温拌沥青UV老化过程中黏附性能。

关键词

道路工程 | 温拌沥青 | 紫外老化 | AFM | 黏附性能 | 表征方法

沥青路面因其弹塑性好，行车舒适度高，适应荷载能力强，已被广泛应用到高等级公路中。目前，大多数沥青路面采用热拌沥青混合料(HMA)，HMA需将沥青加热到160℃以上，矿料加热至170℃左右，混合料在160℃左右拌和，且混合料摊铺与压实的温度通常不低于140℃。将沥青与矿料加热到规定温度会消耗大量的能源，而且施工中会排放出大量的烟雾和有毒气体，对施工人员和环境都会产生诸多不利影响。通常温拌沥青混合料(WMA)的拌和温度为130℃左右，摊铺与压实的温度为120℃左右，与HMA相比其施工温度降低，同时能减少近35％的能源消耗，30％的温室气体排放和45％的粉尘排放[1]。WMA作为一种节能减排的绿色筑路技术，其降低沥青混合料拌和与压实温度的技术特点，使其水稳定性问题较HMA更复杂，因而受到业界的普遍关注。

虽然温拌改性技术的应用有效解决了高海拔地区因温度限制造成施工难的问题，也减少了沥青路面施工对环境的污染，但是根据国内外的研究表明，相对常规HMA，WMA在有水存在下的路面更容易产生水损害，即水稳定性有所降低[2-4]。Kvasnak等通过试验研究表明，Evotherm-WMA比HMA具有更强的水敏感性[5]。郭平研究发现，Sasobit-WMA的长期水稳定性能明显低于HMA[6]。但是，Liu等研究表明，Sasobit-WMA降低了施工温度且对水稳定性影响不大[7]。Buss等指出，相对其他WMA，泡沫沥青WMA具有较好的水稳定性[8]。Shivaprasad等研究了掺加3种温拌剂(Asphaltmin、Sasobit和Evotherm)的温拌SMA的水稳定性，结果表明，即使添加消石灰后，仍有32％的温拌SMA水稳定性不合格[9]。Hesami等采用劈裂强度比(TSR)及动态模量｜E＊｜试验方法分别测定泡沫WMA混合料和HMA混合料水稳定性，结果表明，泡沫WMA比HMA混合料更易遭受水损害[10]。Xiao等采用微热量计法来估计沥青的表面自由能[11-12]。Cheng等提出采用表面能法定量评价沥青混合料的水稳定性，研究表明，采用表面能法对评价沥青混合料水损坏具有重要指导意义[13-14]。表面能理论以能量变化为切入点，在微观尺度上构建沥青与集料的黏附模型，不仅可解释沥青混合料的水损坏机理，还可为分析沥青混合料水损坏影响因素、抑制沥青路面水损坏提供技术支撑。但是，在温拌沥青的表面自由能、剥离功、紫外(UV)老化之间的关系等方面研究较少，难以准确评价水损坏性能[15-20]。

近年来，研究者利用原子力显微镜(AFM)分析沥青纳观黏附力、表面黏附力、黏聚力及耗散能等力学指标的变化规律，从而揭示沥青的水损坏机理[21]。庞骁奕采用AFM定性评价了沥青与集料的表面微观构造特点[22]。Tarefder等采用AFM分别测定了聚合物改性沥青和基质沥青的纳观黏附力，结果表明，前者具有相对更好的黏附性能[23]。Nazzal等基于AFM分别研究了不同温拌剂对沥青纳观形貌、黏聚力和黏附力的影响，结果表明，Sasobit温拌剂使得沥青中蜂状结构的宽度变小，而其他温拌剂的影响不显著，并通过力谱试验发现浸水处理前，温拌沥青的黏附力明显高于基质沥青的黏附力；而浸水处理后，除Sasobit外，其他温拌沥青与其对应基质沥青的黏附力无显著差异[24]。此外，Sasobit和Advera两种温拌剂均降低了沥青在浸水条件下的黏聚力，这对沥青的水稳定性不利。刘登武采用包含AFM在内的多种手段检验了8种不同类型沥青的黏结性能，结果表明，沥青的水敏感性与聚芳烃浓度有关[25]。Asa等采用AFM技术得到了基质沥青的表观形态，并研究了沥青的力学性能，研究表明，在沥青内部蜂状结构周围区域和内部测得的黏附力比顺滑区域小[26]。刘祥通过AFM技术，比较分析不同原材料参数对SBS改性沥青纳观黏附特性和微观形貌的影响，并对其进行了相关性分析，研究不同原材料因素对SBS改性沥青黏附特性影响的微观机理[27]。AFM技术可以深入到纳米层级和纳观力学上研究沥青的黏附特性，对黏附特性及水损坏的定量评价和研究具有重要的指导意义。

此外，紫外光作为存在于太阳光中一种波长短、能量高的辐射，其随着海拔的增高而增高，它可以破坏沥青的胶体结构，紫外线辐射是造成沥青路面耐久性不足的重要原因。Xiao等通过研究长期UV老化对各种温拌沥青流变性的影响发现，UV老化对温拌沥青的复数模量和相位角有显著影响[11，28]。栗培龙等发现热氧老化、光氧老化使沥青混合料的低温性能和水稳定性能均显著地衰减，这也是沥青路面耐久性不足的主要原因[29]。

综上所述，国内外对于沥青水稳定性能和紫外线对沥青性能的影响研究较多，但紫外线对温拌沥青水稳定性能的影响却鲜有报道，缺乏在UV老化条件下的温拌沥青水稳定性能变化规律和机理分析，以及建立宏观水稳定性与微观特性之间的内在联系。本文通过研究温拌沥青在UV老化条件下微观结构的变化规律，定性评价其UV老化特性变化规律和机理，对纳观黏附力、表面粗造度、蜂面积比等评价指标与黏附性能(黏附力、剥落功)进行相关性分析，验证本文方法的合理性，对探索提高温拌沥青在长期太阳辐射条件下的抗水损坏能力研究，以及温拌沥青路面水损害性能的评价具有现实意义。

1.1试验原材料

1.1.1沥青

选用具有代表性的SK90＃基质沥青为原材料，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的方法进行试验，其主要技术指标见表1。

1.1.2温拌剂

试验选用美国美德维实维克公司提供的Evotherm温拌剂，它是一种高分子表面活性剂、抗剥落剂，在一定条件下显现出降黏、分散、乳化、抗剥落和降低施工温度的作用[10]。Evotherm温拌剂的性能参数见表2。

1.2试验方法

1.2.1温拌沥青的制备

首先，将SK90＃基质沥青放入135℃的烘箱中加热至牛顿流体状态，然后称取500g分别加入Evotherm温拌剂(沥青质量的0.5％)，使用增力电动搅拌器以500r/min的速率低速搅拌2min，使温拌剂均匀分散。最后，在135℃、1200r/min的条件下高速搅拌20min，使温拌剂和基质沥青进行充分的融合，即制得温拌沥青[11]。温拌沥青制备流程如图1所示。

1.2.2UV老化试样制备

首先，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的试验方法，将沥青进行短期老化。然后，取50±0.5g经短期老化后的沥青浇筑在直径为14cm的沥青老化盘中，放入135℃的烘箱中加热20min即制得UV老化试样，为了使制备的样品膜厚一致，必须在加热或UV老化过程中严格水平放置样品。

1.2.3UV老化试验模拟

本文利用笔者课题组研制的室内模拟UV老化试验箱，对紫外光源和辐射强度进行了模拟，同时设计了隔氧和有氧2种UV老化条件，从而更准确研究UV老化单一因素对温拌沥青的影响规律。在设定温度后，无需人工操作，即可根据所设计的老化时间进行定时UV老化试验箱自动启动和停止，准确控制在规定的老化时间，设计的UV老化箱如图2所示。本试验根据自然条件下的年辐射总量Ｑ与设定的室内辐射强度Q1进行换算，将一年的辐射总量420MJ/㎡换算为室内模拟时间T，计算如下

以时间为参数进行换算，按照式(1)，设定50、100、150、200h的室内模拟UV老化时间，其与自然条件下的对应关系见表3。

1.2.4表面自由能理论

(1)黏附功计算

黏附功的大小反映了集料与沥青黏附性能的好坏，黏附功大，说明黏附性能好，抗水损害能力强。其计算如下

(2)剥落功

在无水条件下，沥青-集料黏附能力用黏附功表征。但实际情况下，不可避免有水参与其中，沥青-集料界面被水分割开来，形成水-沥青界面和水-集料界面，使得沥青从集料表面剥落。剥落功可反映沥青混合料的抗剥落能力，剥落功大，则抗剥落能力差，水稳定性差。因此根据分析及相关理论可得剥落功Ｗasw计算如下

1.2.5纳观黏附力试验

力距-距离曲线由力谱试验测得，其是作为压电驱动器位移函数作用在样品上力的曲线。由于黏附力作用，尖端与试样表面保持接触状态，尖端继续从样品表面撤离，直到某点，悬臂克服了黏附力并从样品中脱离，尖端从样品上脱离的力称为拉脱力，即为本文所称的黏附力。悬臂偏转力计算遵循虎克定律，即

1.2.6蜂面积比试验

Gwyddion是一款专业的扫描类显微镜图像处理软件，其中的Grains Mark功能可依据高度对微观结构进行区分标记。本文利用Gwyddion软件依据不同相的高度将基质相和蜂状结构进行了划分标记[12]，其过程如图3所示。对标记后的凸起进行面积计算，求得其占整个扫描区域面积(900μ㎡)的比例，即为蜂面积比。

1.2.7表面粗糙度试验

常用的表面粗糙度描述参数有表面平均粗糙度Ra、均方根粗糙度Rq、最大高度粗糙度Rmax和分布不对称性，其中Ra与Rq值具有正相关性，Ra是指在测试区域内，在相对中央平面测得的高度偏差绝对值的算术平均值，其计算如下

2.1UV老化条件下温拌沥青的黏附性能分析

2.1.1黏附功

Evotherm温拌改性沥青短期老化、UV老化后与石灰岩集料体系的黏附功关系如图4所示。由图4可知：UV老化后其黏附功逐渐减小；在150hUV老化后趋于稳定。相关研究表明，UV老化使沥青中的轻质组分经过挥发作用向重质组分转化，相对的胶质/沥青质含量不断降低，沥青质含量大幅提高，致使沥青的黏附性能衰减[14]。当到达150hUV老化时，沥青的黏附功逐渐趋于稳定，随着时间的延长，黏附功变化较小。

2.1.2剥落功

沥青-集料体系的黏附功所表征的是沥青和集料在无水条件下的黏附能力大小，但实际工程中，沥青混合料中必然有水的掺入。剥落功越大，表明沥青混合料抗剥落能力越差，即水稳定性越差。图5为Evotherm温拌改性沥青UV老化后剥落功的变化情况。

由图5可知：Evotherm温拌改性沥青石灰岩集料的剥落功随着老化时间的增长而增加，水在UV老化沥青石灰岩集料的黏附过程中仍起到对沥青的剥落作用，且老化过程加剧了沥青从集料表面剥离的程度。UV老化后Evotherm温拌改性沥青与石灰岩集料的剥落功不断增大；在150hUV老化后趋于稳定，这与黏附功得出的结论一致。

2.2UV老化条件下温拌沥青的微观特性分析

2.2.1纳观黏附力

图6为UV老化对温拌沥青纳观黏附力的影响。由图6可以看出：温拌沥青在隔氧和光氧耦合老化条件下的黏附力都随着UV老化时间的延长而逐渐减小，在0~150h内减小幅度最大；延长老化时间至200h时，黏附力降低幅度明显减小且趋于平稳。光氧耦合条件下温拌沥青的纳观黏附力较隔氧条件下整体呈下降趋势。说明UV老化可以明显降低温拌沥青的黏附性能，且随着UV老化时间的延长黏附力逐渐衰减，而氧气则加剧了温拌沥青的紫外老化，降低了温拌沥青的黏附力。

2.2.2蜂面积比

图7为Evotherm掺量0.5％的温拌沥青，在隔氧和光氧耦合老化条件下，经不同时间UV老化后的蜂状面积比。由图7可知：隔氧条件下沥青在UV老化前50h，蜂状结构下降速度较快；在之后的100、150、200h，蜂状结构面积以较稳定的速度逐渐递减。相同老化时间下，隔氧比光氧耦合UV老化对蜂状结构面积降低幅度影响更大，氧气使得老化更加严重。这一趋势与王佳妮等[28]进行的沥青光氧老化试验结论相似，温拌沥青在隔氧条件UV老化下也使前期老化速度快，反应较为明显，此过程持续时间较短。究其原因，应是UV老化前期，沥青中的饱和分下降速度较快，反应明显，芳香分与沥青质则保持平稳的速率逐渐反应。

2.2.3表面粗糙度

图8为Evotherm掺量0.5％的温拌沥青，在隔氧和光氧耦合条件下经过5个(0、50、100、150、200h)不同UV老化时间后的均方根粗糙度。由图8可知，温拌沥青随着UV老化时间增加，其均方根粗糙度呈逐渐增加的趋势，在UV老化时间为200h附近，均方根粗糙度达到最大值。与隔氧条件下UV老化存在不同之处：0～200h时的均方根粗糙度逐渐增大，其主要是由蜂状结构面积增大所引起的。

2.3UV老化条件下黏附性能指标与微观参数相

关性分析

2.3.1纳观黏附力与黏附性能

为了进一步验证纳观黏附力表征温拌沥青黏附性能的合理性，进行纳观黏附力与黏附性能指标(黏附功、剥落功)的线性回归，得到其回归方程和相关系数R^2，结果如图9所示，x、y分别为拟合方程的变量与自变量。

2.3.2蜂面积比与黏附性能

图10为UV老化后温拌沥青黏附性能指标(黏附功、剥落功)与蜂面积比的相关性分析，可知，温拌沥青UV老化后的黏附功、剥落功与蜂面积比的判断系数R^2均在0.96678以上，说明蜂面积比与黏附功和剥落功之间具有良好的相关性。

对比隔氧和光氧耦合条件下蜂面积比与黏附功的R^2分别为0.97669和0.99342，与剥落功的R^2分别为0.96678和0.99185，说明UV老化条件对蜂面积比与黏附性能指标的影响较小。

2.3.3表面粗糙度与黏附性能

图11为UV老化后温拌沥青黏附性能指标(黏附功、剥落功)与表面粗糙度的相关性分析，可知，温拌沥青UV老化后的黏附功、剥落功与表面粗糙度的R^2均在0.8901以上，说明蜂面积比与黏附功和剥落功的相关性更好。

(1)本文采用原子力显微镜分析，在温拌沥青UV老化后黏附性能变化规律和机理研究的基础上，进一步分析了纳观黏附力、表面粗造度、蜂面积比等变化与黏附性能的关系，并提出采用纳观黏附力、表面粗糙度、蜂面积比表征UV老化条件下温拌沥青的黏附性能微观评价指标。

(2)基于表面自由能理论，宏观评价了黏附功和剥落功随UV老化时间延长的变化规律及机理。研究表明，UV老化之后Evotherm温拌改性沥青与石灰岩的黏附功逐渐减小，剥落功逐渐增大，在150hUV老化后Evotherm温拌改性沥青的黏附功和剥落功都趋于稳定。在相同老化条件下，光氧条件下黏附性能较隔氧条件下更差。

(3)分析温拌沥青纳观黏附力、蜂面积比及粗糙度等指标的变化规律，从而揭示沥青的水损坏机理。结果表明：随着UV老化时间的延长，温拌沥青纳观黏附力、蜂面积比和表面粗糙度逐渐降低；光氧耦合老化条件下，温拌沥青的黏附性能衰减程度大于隔氧老化条件。

(4)UV老化时间在0～150h时，温拌沥青纳观黏附力、蜂面积比和表面粗糙度降低幅度明显，延长老化时间至200h时则逐渐趋于平衡，失去沥青的属性。基于本文的试验方案可知，150h的UV老化时间是沥青属性变化的转折点。

(5)三种温拌沥青黏附性能表征方法与黏附性能指标(黏附功、剥落功)之间的相关系数从大到小依次为蜂面积比、纳观黏附力、表面粗糙度；建议采用纳观黏附力、蜂面积比和表面粗糙度作为温拌沥青UV老化过程中黏附性能的表征方法。

(6)本文仅分析了Evotherm温拌改性沥青及其结合料UV老化后的水稳定性，下一步应完善其他类型温拌沥青UV老化后的水稳定性能，以及紫外线对温拌沥青混合料性能的影响研究，以期给出更合理的温拌沥青水稳定性客观评价方法。