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    基于AFM的沥青微观结构及微观力学性能研究综述
    2019年05月23日    阅读量:2830    新闻来源: 沥青路面  |  投稿

    拜仁纽伦堡 www.ktyjk.com 摘 要

    原子力显微镜(AFM)可以从纳米尺度观测沥青的微观结构和力学性能。沥青的微观组成和结构十分复杂,利用AFM观察沥青的微观结构并测定其微观力学性能,有助于更好地从宏观角度解释其物理化学性能的变化。主要综述近10a来国内外基于AFM在沥青微观形貌及力学性能方面的研究成果,为后续开展更深入的沥青性能研究工作提供一定的借鉴意义沥青网www.ktyjk.com。

    关键词

    沥青 | AFM | 微观结构 | 力学性能 | 综述

    沥青材料微观结构的强烈演变,直接导致宏观尺度上沥青的“老化硬化”现象,进而影响沥青路面的使用寿命[1,2]。沥青内部的微观结构十分复杂,且国内外对此的认知并不完善,因此开展其微观结构的研究具有重要意义。在应用AFM观测沥青微观形貌时,往往会发现“蜂状结构”的存在,而“蜂状结构”实际上是微观相分离的一种体现[3],所以研究“蜂状结构”在不同外部条件下的特征变化规律,可主要把握微观形貌的变化特征。此外,AFM还可观测沥青的微观力学性能,如刚度、黏附性能、模量等。探索沥青微观角度的形貌与力学性能,可进一步指导沥青宏观性能与微观性能之间联系的研究。

    关于沥青微观结构的研究进展

    Loeber等[4]最早利用AFM发现沥青表面存在4种不同的微观相,将其中波浪状的结构命名为“蜂状结构”,并且他们认为“蜂状结构”是由于沥青质的聚合而形成的。随后,越来越多的研究者开始使用AFM进行沥青微观结构研究。


    Jiiger等[5]和Moraes等[6]都认为蜂状结构主要含量是沥青质,蜂状结构的大小与沥青中沥青质的含量有关系,同时也说明蜂状结构的数量也与沥青质的多少有直接关系。


    Pahlavan F等[7]采用严格的理论和试验方法来研究沥青组分(主要是沥青质和蜡)的相互作用及其对蜂结构形成的影响。为了进一步研究蜡组分对沥青微观结构的影响,他们采用原子力显微镜(AFM)研究掺入1%~25%石蜡的沥青样品的表面形态,试验表明,石蜡容易分开结晶,形成厚度为10nm的层状石蜡晶体夹杂物。此外,向沥青中加人3%的蜡导致表面粗糙度从0.5nm显着增加到4.1nm,蜂的波长从651nm增加到1038nm。


    关于沥青表面蜂结构的化学组成仍存在很多争议,XiaokongYu等[8]利用AFM对沥青微观表面结构特征进行了研究,他们认为沥青中的化学成分之间的相互分子作用导致十分复杂的分子聚合现象,这些聚合现象直接影响着沥青微观结构的多样变化,当然也包括蜂结构。


    WynandJvdMSteyn[9]利用AFM分析了沥青老化过程中性能变化。模拟紫外线老化试验采用原样沥青和添加Ti02(更易吸收紫外线)的沥青试样,观测发现,用Ti02处理过的沥青微观表面较未处理过的要平整光滑,也就是说沥青老化会导致其微观表面的粗糙度减小。


    易军艳等[10]通过AFM观测到的三维形貌图,选用粗糙度评价沥青表面的粗糙度,并且采用MATLAB图 像处理技术,对二维图中的蜂形结构进行了面积比统计(见图1)。为验证沥青表面蜂形结构(面积和个数)对其表面粗糙度的影响,对蜂形结构的面积比例和个数与表面粗糙度进行比较,发现它们之间有非常强的线性关系,证明了蜂形结构特征的变化是导致沥青表面形貌变化的主要原因。

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    ZhaoxingXie和JunanShen[11]将废旧轮胎橡胶改性剂(CRM)应用到干湿法热拌沥青中,并使用AFM研究沥青黏结剂与CRM作用后的微观结构变化,结果表明,在短期老化前,干法加工的橡胶沥青微观表面粗糙度较低,但是,短期老化后两个工艺中的沥青微观结构的差异大大减少。


    韩吉伟等[12]利用AFM研究了3种道路工程常用沥青(基质沥青、SBS改性沥青和胶粉改性沥青)的微观结构(见图2)。观测发现:基质沥青的表面微观形态相对平整,均匀度较好,其表面分布明暗相间的区域,接近蜂形结构;SBS改性沥青表面微观呈现网状结构;胶粉改性沥青中可清楚地看到凸起的白色胶粉颗粒。

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    杨军等[1]在AFM三维扫描图中发现,“蜂状结构”存在峰和谷,凸出部分在相位像中颜色较暗,可以认为其比凹下部位更柔软,有较高的黏弹性?!胺渥唇峁埂敝饕煞治?。高分子蜡作为晶核,黏附强极性的沥青质,缔合部分胶质以及少许油分分散在油相中,从而形成“蜂状结构”。研究还将沥青薄膜试样至于薄膜老化烘箱中,163℃下分别进行Ih,2h、3h、4h、5h老化得到老化试样,然后使用AFM对沥青老化试样进行形貌观测,发现沥青老化程度越高,其“蜂状结构”总量越少,“蜂状结构”所占面积比也越小,但其最大“蜂状结构”面积却越大,“蜂状结构”平均面积也越大。


    王明等[13]利用AFM技术对沥青表面微观结构的演变特性进行了研究,选取常用的粗糙度指标Ra来量化相态之间的高度差异。图3为70号未老化沥青、RTFOT-85min沥青、RTFOT-200min沥青、PAV沥青以及旧料抽提得到的旧沥青RAP1和RAP2的平均粗糙度Ra??杉?,在纳米尺度,老化改变了沥青纳米级相态的空间分布特性,降低了相态之间表面高度差异。随着老化程度的加深,蜂相结构形态逐渐被破坏,这可能与沥青组分之间的转变以及分子链键的破坏有关。

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    关于沥青微观力学性能的研究进展

    沥青微观力学性能的研究主要是针对黏附力(adhesion)和模量(modulus),其中,黏附力是AFM自带处理软件Nano-software显示的力曲线中的最小值,如图4。


    MinghuiGong等[14]采用AFM测量沥青黏合剂(基质沥青和SBS改性沥青)和AFM探针尖端之间的黏附力。为分析探针参数对试验结果的影响,AFM试验中选择了两个探针。在黏附力测量的基础上,计算出整个扫描区域的表面黏合力。结果表明,相对较软的探针适合测量,并且结合另外的表面自由能数据和AFM试验结果,发现SBS改性沥青具有更好的黏合性能,此外,添加SBS聚合物在相分离行为中引起明显的对比,这导致黏附力的变化。

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    E.R.DOURADO等[15]采用AFM技术研究沥青微观局部表面的刚度和弹性恢复情况 (见图5)。AFM探针在沥青表面的不同点施加压痕,发现蜂状结构和非蜂状结构的弹性有很明显的差异,并且在蜂状结构中的白色光斑上施加最大力的压痕,其弹性在1h以后自行恢复。研究还总结出蜂状结构的力学性能,即蜂状结构中的白色区域的弹性模量低于整个蜂状结构的弹性模量。


    AsaLaurellLyne等[16]通过AFM QNM表面力图技术,研究了7种产地不同的基质沥青的黏附力和弹性模量。AFM QNM结果表明,这7个沥青试样的黏附力和弹性模量都存在差异,尤其是弹性模量;在蜂状结构及其周围区域的黏附力要低于其他光滑区域,但是弹性模量却远远高于其他区域。


    FerozeRashid等[17]将废旧沥青路面中回收的沥青不同量(25%.40%.60%)地与基质沥青混合,利用AFM研究其力学性能(DMT模量、黏合力和形变)之间的关系?;厥樟で嗟暮吭礁?,意味着该试样的老化程度越高。研究结果表明,随着老化程度的增加,黏合力在减小,而DMT模量在增加,其中,60%含量的试样的DMT模量值较基质沥青增加了70%;此外,能直接反映沥青刚度的形变量也随着老化程度的增加在增加。


    BenLiu等[18]选用AFM技术从纳米尺度研究了沥青的秸性力在室内短期老化(RTFOT)前后的变化。结果发现,在RTFOT老化后,基质沥青的黏性力从30.7nN增加到了41.5nN,说明老化增加了沥青的微观黏性力。

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    小结

    深刻认知沥青微观组成结构以及微观力学性能是研究沥青老化等宏观性能的基础,而AFM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性能。近10a来,国内外基于AFM对沥青的微观组成结构已经开展了大量的研究工作,普遍认为沥青微观表面是存在蜂状结构的,而且蜂状结构是影响沥青微观形貌粗糙度的主要因素,但是,对于蜂状结构的化学成分及形成仍然存有一定的分歧。大部分的研究工作还涉及了沥青老化前后的微观结构变化,研究发现,沥青老化会减小沥青形貌粗糙度,沥青微观表面趋于平滑。此外,对沥青微观力学特性方面的研究工作也是值得探讨的重要主题。近5a左右,很多国外的研究工作从微观结构慢慢转移到微观力学性能,如黏性力、模量、形变等。沥青在老化前后,或者不同种类沥青的力学性能的变化,与微观结构变化结合考虑,可更深入地探讨沥青在宏观性能方面的变化机理。


    对于今后的研究方向,可从沥青微观结构逐步向微观力学性能过渡。对于AFM视角下的微观结构已经展现了一定的研究工作量,而对于微现力学性能,如黏附力、模量、硬度等,研究其老化前后的微观视角下的变化规律,可以结合微观结构更加准确地掌握沥青的性能衰变情况?;?/span>于现有的研究进展,对于沥青微观角度的结构与性能研究工作可进一步开展。

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