纳米尺度沥青微观结构特征演化分析

文章来源：微信公众号”沥青路面“

引言

材料微观结构的演变强烈影响其宏观尺度的性质，同时材料宏观尺度的性能紧密依赖于其微观结构，尤其是对于沥青类聚合物材料，更是如此。通常来说沥青用于路面结构的面层，受光、热等环境因素影响，其微观结构会发生强烈的演变，导致宏观尺度上沥青的“老化硬化”现象，进而会影响路面的使用寿命。

原子力显微镜拥有纳米级高分辨率，可以观测沥青纳米级的相态形貌特征以及量化相态的力学特性，是研究沥青微观结构演化特征的有利工具。早在1996年，就利用原子力显微技术研究沥青的微观结构特性，首次发现了“蜂相结构”存在于沥青的纳米级表面形貌中。早期的研究者对于“蜂相结构”的成因进行了很多研究。研究认为“蜂相结构”与沥青质胶束相关；而研究认为蜂相结构与沥青质含量无关，而与沥青组分中的重金属钒、镍含量有很大的相关性；近年来一些学者研究认为蜂相结构是一种蜡晶，蜂相结构的存在是蜡晶与沥青组分之间的相互作用引起的。除此之外，杨军等还将“蜂相结构”与沥青微观“自愈”现象联系到了一起。

总之，“蜂相结构”存在于沥青的纳米级表面形貌中，是沥青组分之间相互作用的综合响应，老化对于沥青微观结构的影响可以通过蜂相结构的演变直观体现出来。然而，如何量化表征这一演变过程，对于研究者而言是一个很大的挑战。笔者所查阅到的文献中还未见相关报道。

借助于AFM技术，本文试图研究沥青纳米尺度微观结构演化特征，并进行微观结构的量化表征分析，建立沥青纳米尺度微观结构与宏观尺度流变性能之间的关系，以期为构建沥青材料微尺度到宏观尺度的定量表征性能模型奠定基础。

试验概况

沥青材料

本文中基质沥青采用壳牌70号，依照《公路沥青及沥青混合料试验规程》。

为研究沥青材料经历短期老化和长期老化后性能的衰变，在实验室分别进行RTFOT试验和PAV试验。RTFOT试验条件：温度163℃，时间85min和200min，老化沥青样品分别命名为RTFOT-5min和RTFOT-200min。PAV试验条件：温度100℃，时间20ｈ，老化沥青试样标记为PAV。

本文同时选择了2种使用多年的路面铣刨料，对其沥青组分进行抽提回收，以获取真实反映现场沥青老化状态的沥青样本。其中，一种旧沥青来自于使用10年的SmA面层铣刨料，另一种来自于使用多年的AC类路面的面层。按《公路沥青及沥青混合料试验规程》中的Ｔ0727-2011试验规范，分别进行旧料中沥青的抽提回收。抽提得到的旧沥青1，25℃针入度为23×0.1mm，软化点69.6℃；旧沥青，25℃针入度为14.3×0.1mm，软化点75.2℃。

综上所述，本文收集的沥青样本，包括未老化70号沥青、实验室老化样本3个以及旧料抽提回收沥青样本2个，依次命名为：未老化，RTFOT-85min，RTFOT-200min，PAV，RAP1和RAP2。

测试样本与测试仪器

AFM样本。AFM样本制备的好坏，直接关系到AFM图像的质量。目前，AFM样本制备方法主要有溶液旋涂法和热沥青滴涂法。

溶液旋涂法是将沥青与一定浓度的三氯乙烯、甲苯等有机物混合溶解，然后利用旋涂仪等设备将溶液旋涂到载玻片上，获得AFM观测样本。旋涂法可以获得较好的样本平整度，但是制备过程中沥青与剧毒的有机物互溶，可能会在一定程度上破坏沥青的显微结构，而且旋涂仪设备价格昂贵，再加上剧毒有机物对试验人员的健康不利，因此这种方法不建议采用。

热沥青滴涂法一般来说是先将沥青加热成流动状态，然后利用铲刀将少量沥青置于载玻片或金属基片上，然后将载玻片或金属基片放入烘箱中，使得沥青自然流动成为一层薄膜，来获得AFM观测样本。相对溶液旋涂方法，这种方法较为简单，被大部分研究者所采用。这种方法的缺陷在于，少量沥青置于基片上放置于烘箱中，二次加热极易引起沥青膜的老化，影响沥青材料真实的微观结构形态，而且沥青在基片上自然流动的形状和膜的厚度难以得到有效控制，不利于试样之间的平行比对。

本文在热沥青滴涂法的基础上，提出一种新的制备方法