基于光氧老化的瀝青表面微觀粘附特性研究

任俊達

(遼寧省交通建設投資集團有限責任公司 沈陽市 110166)

瀝青路面由于其優(yōu)越的路用性能而在我國高等級公路中應用廣泛，但隨著瀝青路面使用年限的增加，瀝青老化現(xiàn)象不可避免。研究和掌握瀝青材料的老化機理是當前道路行業(yè)研究的重點之一，它與瀝青路面的再生循環(huán)密不可分[1]。受瀝青組分組成復雜性的影響，在開展老化研究的時候遇到很多問題，尤其是當瀝青材料受到光照、水分、溫度、空氣等因素影響時[2-3]。而借助原子力顯微鏡(AFM)能夠得到瀝青材料表面粘附力、自由能等微觀指標，以研究瀝青材料在老化前后表面微觀粘附特性，這對揭示瀝青老化原理具有十分重要的價值。

1 瀝青多功能老化環(huán)境控制箱

實際路面會受到許多老化作用，這是一種多因素耦合效應，因此研發(fā)了瀝青多功能老化控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)支持光照強度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)，具體如圖1所示。

圖1 老化控制系統(tǒng)內(nèi)部構造圖

多功能老化控制系統(tǒng)主要由光照裝置、噴水裝置、發(fā)熱裝置、轉盤、通風裝置、智能微控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等組成，調(diào)節(jié)光照、溫度、濕度來模擬瀝青材料在實際服役情況下受到的單一因素或多因素作用。

光氧老化是瀝青材料常見的幾種老化原因之一[4]。綜合對比目前幾種常用的人工老化常用光源，考慮光源壽命、穩(wěn)定性、光譜、輻照強度等因素后，選用UVA系列燈管作為老化環(huán)境箱的光源。

水分的加入促進了瀝青的老化，研究發(fā)現(xiàn)水分與瀝青部分組分形成結構膜，在升溫和氧氣的作用下硬化，導致瀝青老化[5]。因此在環(huán)境老化箱中加入了噴淋裝置，模擬降雨環(huán)境，箱內(nèi)將瀝青試樣呈放在可控制轉速的旋轉圓盤上，使瀝青試樣受光照與降水的影響更均勻。控制箱內(nèi)設置6個噴水裝置，一個噴水裝置噴水量為8mL/s。一天內(nèi)環(huán)境控制箱內(nèi)噴水時間對應降雨等級關系如表1所示。

表1 環(huán)境控制箱噴水時間對應降雨等級關系

2 瀝青材料老化試驗方案設計

2.1 材料選擇與制備

瀝青膠結料選擇比較常用的瀝青類型，具體如>圖2所示。為了避免加熱老化對瀝青的影響，試件均是一次性成型，加熱時長在45～60min左右，加熱溫度100℃。瀝青試樣成型完畢后使用帶蓋玻璃皿封存，以避免受污染，如圖3所示。

圖2 瀝青試樣

圖3 玻璃皿

2.2 老化試驗參數(shù)選取

瀝青的老化是一個漫長的過程，在室內(nèi)試驗中加速老化需要選取合適的試驗參數(shù)以更好地模擬瀝青在服役時的自然老化，使試驗效果更精確。

2.2.1光照功率

光照設備為PHILIPS-UVA燈管，額定功率60W。在預使用的一天內(nèi)，使用光敏型輻照計，在距燈管10cm的位置，測出輻照功率密度平均值為102.250W/m2。在試驗過程中，每隔半天或者一天檢測輻照功率密度，從而得出輻照功率與老化時長關系圖，如圖4所示，其平均輻照功率為91.73W/m2。由圖中的曲線變化趨勢顯示，輻照功率穩(wěn)定，適于試驗。

圖4 光源輻照功率與輻照時間關系

2.2.2噴淋條件控制

水噴淋系統(tǒng)加速瀝青老化應與表1相對應。噴水裝置設置為每天噴水300s，總量為25mm左右，對應降雨等級為大雨。

2.2.3試驗溫度設定

溫度是瀝青老化過程中不可忽視的一項重要因素，環(huán)境控制箱利用通風設備和智能控制器控制老化系統(tǒng)內(nèi)部溫度。研究表明[6]，在夏季，實際瀝青路面表面層溫度可達60～70℃，基于此項數(shù)據(jù)，試驗溫度設定為65℃。

2.2.4老化試驗時間控制

為了探究不同的老化時長對試樣老化的影響，設置180h、360h、480h和720h四個時間梯度作為試驗老化時長，這些試樣從外表就可以看出明顯差異，具體如圖5所示。

在緊縮性及以增加糧食生產(chǎn)為中心的農(nóng)貸政策指導下，農(nóng)村合作社業(yè)務紛紛由信用向生產(chǎn)轉移。尤其在1943年推行鄉(xiāng)鎮(zhèn)保合作制度以后，新設兼營合作社多以經(jīng)營生產(chǎn)為主，而信用合作社占比迅速下降。1942年以前，信用合作社占比始終保持在85%左右，1943年則迅速下降至48.1%，已失去絕對優(yōu)勢。至1945年，全國信用合作社社數(shù)進一步下降至38%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合作社占比則從10%以下上升至18%，居第二位。其他與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關之運銷、消費合作社從不足1%上升至10%以上，詳見表2[5]239。

圖5 不同老化時長對應的試樣

3 基于AFM的老化瀝青表面微觀粘附特性

原子力顯微鏡(AFM)主要用于表征材料表面微觀力學性能，可用于測定材料的力曲線，也能夠利用它來測定瀝青表面的粘附力，然后帶入相關計算公式后可計算出粘附功，進而計算瀝青表面自由能。此項研究有助于揭示瀝青與集料間的粘附狀況。

3.1 老化瀝青表面粘附力計算

使用AFM進行力曲線測試的原理是利用探針針尖與瀝青的原子作用力，來體現(xiàn)瀝青表面的粘附力。因此，探針的種類與型號在瀝青測試試驗中較為重要，基于瀝青的性能特點，要求探針的彈性常數(shù)較小，其參數(shù)如表2所示。

試驗需要于瀝青表面進行測試，但是受限于瀝青材料特性，黏且軟，應選取合理的預壓力大小，避免對試樣破壞或污染探針。從1nN到10nN，通過大量試驗，發(fā)現(xiàn)預壓力大小設置為10nN較為合適。分別對三類瀝青試樣選取表面點進行試驗，得到豎向位移與粘附力曲線關系圖(圖6)。

圖6 瀝青典型力曲線(老化前后)

將得到的數(shù)據(jù)基于NanoScope Analysis軟件進行分析，得到測試結果，從而計算出粘附力數(shù)值，如表3所示。

表3 表面粘附力 nN

根據(jù)JKR理論分析力-位移曲線的數(shù)據(jù)信息，從而得到瀝青試樣粘附力與粘附功的換算關系式：

(1)

式中：Fad為樣品表面的粘附力(nN)；R為探針針尖的曲率半徑(nm)；W為瀝青試樣與針尖間的粘附功(mJ/m2)。

實驗所用的探針針尖曲率半徑R為5nm，根據(jù)公式算出粘附功，如表4所示。

表4 試樣與針尖間的粘附功 mJ/m2

3.2 老化瀝青表面自由能計算

由粘附功計算自由能有許多模型，經(jīng)過對比，選擇應用較多的Fowkes模型計算表面能，其計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

目前已知Wab，還需要得到針尖的表面自由能γb，從而推導出γa。所用探針型號是SCANSYST-AIR，根據(jù)廠家提供的參數(shù)和瀝青試樣單晶硅片反算得到γb為1649.07mJ/m2。因此，三種基質(zhì)瀝青在不同老化時長下的γa如表5所示。

表5 瀝青試樣表面自由能γa mJ/m2

將不同基質(zhì)瀝青老化前后的粘附力與表面能匯總如圖7、圖8所示，可以看出，在老化時長小于360h時，瀝青試樣的粘附力和表面自由能，90#瀝青最大，50#次之，70#最小。當老化時長增加時，瀝青的粘附力逐漸減小，自由能變化趨勢與它相同。其中，90#瀝青老化引起的變化趨勢較大，從圖7可以看出，老化至720h時，90#瀝青粘附力從15nN左右降至7.5nN左右，降低幅度約為50%，而表面能降幅更大，高達73.6%；而70#瀝青和50#瀝青在初期稍大，之后變化并不明顯。90#瀝青經(jīng)過一段時間老化后，表面粘附特性變化非常大，但其性能衰減最嚴重，因此集料更有可能從瀝青中剝落。

圖7 瀝青粘附力變化

圖8 瀝青表面能變化

4 結論

本研究從納米尺度分析了不同種類瀝青老化前后表面微觀變化特點，為揭示老化瀝青與石料間黏附特點和失效機制提供了理論支持。結合AFM測試手段，通過室內(nèi)試驗研究了不同基質(zhì)瀝青老化過程中表面微觀粘附特性的變化規(guī)律，可以得到以下結論：

(1)三種基質(zhì)瀝青老化前粘附力大小排序為90#>50#>70#，自由能變化趨勢與之相同。

(2)三種基質(zhì)瀝青的粘附力和表面自由能都隨著老化時長的增加而減小。

(3)瀝青老化后，90#瀝青表面微觀粘附能力衰減最明顯。