【摘要】 研究表明，渗透越小，软化点越高，复合模量越大，相越小，沥青的高温性能越好。

高温车辙和低温开裂是沥青路面结构的主要损伤。沥青的高低温性能是影响沥青混合料和沥青路面路面使用性能的重要因素之一。因此，如何提高沥青的高低温性能，改善沥青路面的使用一直是研究的重点。沥青的高低温性能有不同的评价方法。一般来说，沥青的高温性能以渗透程度和软化点为特征，而沥青的低温性能以低温延性和测力延性为特征。

 

另一方面，动剪和弯梁也可以用来分析沥青的高低温性能。研究表明，渗透越小，软化点越高，复合模量越大，相越小，沥青的高温性能越好。然而，这些常用的宏观试验方法只能在一定温度下进行，并不能准确反映沥青在相应温度范围内的高低温特性。在SHRP工程中，采用车辙因子评价沥青的高温抗剪性能。然而车辙因子只能反映沥青流变行为的弹性和粘性部分，而忽略了延迟弹性变形的部分。因此，用它来评价改性沥青的高温性能存在很大的不足。

 

随后，提出用多应力蠕变恢复试验（MSCR）评价改性沥青的高温性能。多应力蠕变恢复试验与路面抗车辙性能有较好的相关性，可采用回复率、不可恢复蠕变柔度等评价指标更全面地评价沥青材料的高温性能。在SHRP项目中，采用蠕变刚度和蠕变速率作为沥青低温性能的评价指标。蠕变刚度和蠕变速率能充分反映沥青在低温下的应力积累和松弛性能，与沥青的实际路用性能有较好的相关性1。然而，这些试验直接测试了沥青的高低温性能，没有从根本上解释是什么影响了沥青的高低温性能。

 

目前，越来越多的研究人员开始对沥青的微观结构进行研究。沥青的成分非常复杂，由数千种化合物组成，因此直接建立沥青的化学成分与宏观性能之间的关系是一个很大的挑战。为此，研究者们想到将沥青粘结剂的复杂组分根据其相似性划分为不同的馏分。Corbett LW等人2将沥青粘结剂按其性质分为四种组分，即饱和组分、芳香组分、树脂组分和沥青烯（SARA）。单丽艳等分析了SARA对动态模量、相、蠕变柔度和松弛模量的影响，结果表明，动态模量随着沥青质或树脂含量的增加而增加，而随着饱和烃或芳烃含量的增加而降低。

 

Eman L. Omairey等人利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究了不同抗老化剂对沥青氧化动力学的影响，并引入了归一化羰基指数（NCI）。即用任意老化时间的羰基指数与初羰基指数之差及初羰基指数之比来评价不同抗老化剂对沥青热氧老化的抑制效果。Vargas MA, Sanchez-Solis A, Manero o.等人对化学接枝聚乙烯作为沥青改性剂进行了分析，结果表明，在接枝聚乙烯共混体系中，沥青的软化点增加，渗透率降低。

 

Loeber等人利用原子力显微镜观察了沥青表面独特的“蜜蜂结构”。Pauli等研究了沥青“蜂状结构”的数量、大小和粗糙度。陆等人研究了沥青的表面能。王鹏等人用分子动力学的方法模拟了“蜜蜂结构”的发生。在微观尺度上，扫描并采集了70#和90#不同老化时间沥青试样的二维形貌和三维信息（图1），采用DSR对6种沥青试样分别在52℃、58℃、64℃、70℃和76℃下进行动态剪切流变试验（如图2所示）。

图1 AFM作用下沥青的形态及受力曲线。

图2 DSR测试和样品。

 

利用原子力显微镜和分子动力学模拟对沥青材料进行研究是道路材料领域的一个热点。然而，目前还没有学者利用原子力显微镜从微观层面来解释究竟是什么决定了沥青的宏观性质。因此，Wang等人3采用原子力显微镜对不同沥青的微观结构进行测试，分析沥青AFM微观结构对其宏观性能的影响。在此基础上，采用动态剪切流变仪（DSR）和弯曲梁流变仪（BBR）对结果进行了验证。

 

研究结果对进一步阐明沥青的微观结构特征和高低温性能具有一定的理论和实用价值。结果表明，沥青质是“蜂状结构”中白区较高的原因之一。长烷基侧链的尾部渗入沥青质分子层或大沥青质分子的卷曲空间，形成蜂窝状的沉陷区。唐博明利用分子动力学模拟方法分析了沥青分子聚集状态的变化特征，结果表明，由于p-p效应，沥青质分子之间存在形成层聚集，但由于烷烃链变长，芳烃环之间的扭转角增大，阻碍层流聚集的形成。

 

1.Zofka, A.;  Marasteanu, M.; Turos, M., Investigation of Asphalt Mixture Creep Compliance at Low Temperatures. Road Materials and Pavement Design 2008, 9 （sup1）, 269-285.

2.Corbett, L. W., Composition of asphalt based on generic fractionation, using solvent deasphaltening, elution-adsorption chromatography, and densimetric characterization. Anal. Chem. 1969, 41 （4）, 576-579.

3.Wang, Y.; Zhang, H., Influence of asphalt microstructure to its high and low temperature performance based on atomic force microscope （AFM）. Constr. Build. Mater. 2021, 267, 120998.

 

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