上海昌吉專業儀器分析瀝青材料微觀結構與自愈
導讀:道路石油瀝青、SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青3種不同類型的瀝青材料，采用熒光顯微鏡進行微觀結構分析，采用DSR動態剪切流變儀進行自愈合性能測試及評價。
來源：未知
發布日期：2019-10-29 15:44【大 中 小】
前 言
大量研究表明，在外界溫-濕-荷載等多場耦合因素作用下，瀝青材料會逐漸產生微觀損傷，造成分子結構的裂變， 形成微觀裂紋，但由于瀝青材料屬于溫感性材料，在特定溫度條件下，瀝青材料的微觀結構將會進行自修復，實現自愈合。 20 世紀 60 年代，美國率先開展路用瀝青材料自愈合特 性的研究，Bazin[探明了瀝青材料具有自愈合特性，Shen 等驗證揭示了瀝青混合料的自愈合本質是瀝青材料的自愈合， 美國伊利諾伊大學通過研究提出了一種自修復體系。之后 學者們對瀝青材料的特性開展了不同層次與方向的研究。在 自愈合機理上，包括了以微觀為基礎的表面能理論、分子擴散 模型、相場模型理論，以及以宏觀力學為基礎的斷裂力學模型 理論和觸變模型理論，為解釋瀝青材料的自愈合行為提 供了良好的理論基礎。隨著研究的深入，國內外學者也在瀝青 材料自愈合能力的評價指標、技術手段、實施方式等方面取得并在利用瀝青混合料自愈合這一優勢特性開 展了實體工程驗證。總體而言，通過前期的研究人們對瀝青材料的自愈合特性有了較多的認識，但改性瀝青復合材料的熱 力學微觀構造變化規律、瀝青材料自愈合特性仍需進一步進 行深入及補充研究。
上海昌吉地質儀器針對 A-70# 道路石油瀝青、SBS 改性瀝青、橡膠改性 瀝青等 3 種不同類型的瀝青材料，進行瀝青材料的微觀結構 分析以及自愈合性能測試評價，建立不同瀝青材料自愈合能 力與損傷率的指數方程，從相轉變及自愈合能壘角度解釋不 同瀝青材料產生自愈合效應的熱力學條件。
試 驗
1.1 原材料
（1）基質瀝青：泰普克 A-70# 道路石油瀝青。
（2）SBS 改性瀝青：星形結構 SBS 改性劑，SBS 摻量為 5%，由苯乙烯組成的硬鏈段和丁二組成的軟鏈段共同構成， SBS 大分子沒有交聯結構，相對分子質量一般為10萬~15萬，因此 SBS 比較容易溶于基質瀝青中。
（3）橡膠改性瀝青：膠粉目數為 20~40 目，摻量為 20%， 橡膠粉大分子結構中存在交聯結構，主要是—C—S—鍵和 —S—S—鍵，相對分子質量一般為 30 萬～50 萬，個別可以高 達 100 萬，因此橡膠粉很難溶于基質瀝青中，在高溫下橡膠粉 只是與瀝青發生溶脹作用。
1.2 試驗方案
（1）微觀結構分析 主要采用 TSM600 熒光顯微鏡對 SBS 改性瀝青和橡膠改 性瀝青進行觀察，測試溫度為 50 ℃和 65 ℃，顯微鏡放大倍數 為 200 倍。
（2）自愈合性能分析 采用 Bolin ADS CVO-100 動態剪切流變儀分別對 A70# 道路石油瀝青、SBS 改性瀝青、橡膠改性瀝青進行時間掃 描，采用應變控制加載方式，加載頻率 10 Hz，平行板 8 mm， 板間距 2 mm，試驗溫度為 30 ℃，并在試驗過程中加入間歇 時間 300 s，用于模擬瀝青材料的自愈合過程。間歇時間點選 用了 4 種，分別在剪切復數模量損傷度為 15%、30%、45%和 60%，觀測不同瀝青材料在不同損失率條件下的剪切復數模 量-時間變化曲線，并計算比較自愈合指數。
2 結果與討論
2.1 瀝青材料微觀結構分析
采用熒光顯微鏡對 SBS 改性瀝青及橡膠改性瀝青進行 微觀結構分析，采用藍光照射，分別將熱 SBS 瀝青和熱橡膠 瀝青小心地滴在載玻片上，隨即在 50 ℃溫度下讓其自流平， 迅速放在熒光顯微鏡下觀察，隨后在 65 ℃下讓其自流平，再次在熒光顯微鏡下觀察。
2.2 瀝青材料自愈合特性分析
分析可知，HI1、HI2、HI3 這 3 個指標考慮了間歇時間前 后動態剪切復數模量的相對變化量，反映了瀝青材料在間歇 后復數模量存在增值的情況，即在一定程度上表征了瀝青材 料的自愈合性能。進一步分析，瀝青材料的自愈合性能實 質是與時間密切相關的，在加載時間內，瀝青材料在應力或應 變作用下實則是在同時發生著損傷與自愈合的兩種過程，自 愈合能力強的材料相比之下損傷程度小，即剪切復數模量的 衰減速率小，反之則衰減速率大。HI4 所反映的自愈合評價指 標考慮了時間因素，更能反映瀝青材料的自愈合性能。因此本 文采用 HI4 計算公式作為瀝青材料自愈合性能的評價指標。
（1）從 31 ℃至 66 ℃，基質瀝青從粘彈態轉變至粘流態， 這個溫度區間為 35 ℃，整個過程焓變為 2.160 J/g，基質瀝青 的自愈合能壘近似為 2.160 J/g。
（2）從 31 ℃至 64 ℃，SBS 改性瀝青從粘彈態轉變至粘流 態，這個溫度區間為 33 ℃，整個過程焓變為 3.572 J/g，SBS 改 性瀝青的自愈合能壘近似為 3.572 J/g。
（3）從 32 ℃至 69 ℃，20%橡膠瀝青從粘彈態轉變至粘流 態，該溫度區間為 37 ℃，整個過程的焓變為 4.017 J/g，橡膠瀝 青的自愈合能壘近似為 4.017 J/g。 可以得出，橡膠改性瀝青的自愈合能壘最大，SBS 改性瀝 青次之，A-70# 道路石油瀝青的最小。反映橡膠瀝青發生自愈 合效應需要更高的溫度條件與熱量補給，這也與橡膠瀝青高 溫穩定性較好的觀點是一致的。
3 結 論
（1）在溫度熱作用下，SBS 改性劑以及橡膠粉發生分子結 構變化，隨著溫度升高，與基質瀝青逐漸趨于相溶狀態。SBS 與 70# 基質瀝青的相溶性優于橡膠粉顆粒。
（2）由于 SBS 改性瀝青和橡膠改性瀝青中改性劑能夠改 善分子內部結構，增強分子抗變形能力，在熱作用下能更快地 發生彈性恢復，微損傷也會在間歇時間內得到有效愈合，自愈 合能力優于 A-70# 道路石油瀝青。
（3）瀝青材料自愈合性能與損傷度成反比，損傷度越大， 材料的可恢復性越小，自愈合性能越不顯著。通過自愈合指 數方程，能夠較準確預測不同損傷度條件下瀝青材料的自愈 合能力。
（4）溫度高于瀝青的玻璃化轉變溫度時，瀝青開始具有自 愈合能力。橡膠改性瀝青的自愈合能壘最大，SBS 改性瀝青次 之，A-70# 道路石油瀝青的最小，表明橡膠瀝青發生自愈合效 應需要更高的溫度條件與熱量補給。
