水熱耦合作用下瀝青?集料界面黏附性研究

崔宇超，馬翔，孫孝語

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

排水路面作為一種大空隙路面結(jié)構(gòu)，其與水、熱、凍融等外部環(huán)境接觸更加充分，排水路面的黏結(jié)失效與瀝青?集料界面黏附性有直接關(guān)聯(lián)，為了研究排水路面的松散病害形成機(jī)理，必須研究外部環(huán)境因素對(duì)瀝青?集料黏附性的影響。在水的作用下，集料表面瀝青膜易被水分子置換，致使瀝青與集料脫黏，形成水損害，而熱的作用將加劇水分子的運(yùn)動(dòng)，苗英豪等[1]認(rèn)為，高溫與降水的組合過程是除凍融循環(huán)過程之外的另一個(gè)影響瀝青路面水損害的氣候過程。瀝青路面的水損害是其典型病害之一，與水損害相關(guān)的瀝青?集料界面黏附特性一直是道路工程行業(yè)研究的熱點(diǎn)。2012年，李健等[2]從瀝青種類、集料尺寸以及海拔高度等多方面入手，測試了瀝青與集料之間的黏附性，結(jié)果表明在高海拔地區(qū)水煮法不適合作為瀝青與集料黏附性等級(jí)的評(píng)價(jià)方法；2013年，袁峻等[3]認(rèn)為超聲波可以較好地模擬動(dòng)水壓力下瀝青在集料表面的抗剝落性能，并認(rèn)為兩者之間的黏附性與集料的表面形態(tài)有關(guān)；2014年，Cong等[4]研究表明，瀝青?集料黏結(jié)體系對(duì)環(huán)境溫度敏感，當(dāng)溫度超過瀝青軟化點(diǎn)時(shí)，黏結(jié)體系會(huì)被破壞；2015~2016年，陳斌華和陳銳等[5?6]先后對(duì)比研究了光電比色法和水煮法，定量解釋了瀝青與礦料的黏附效應(yīng)；XU等[7]通過分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算了瀝青?集料界面處的相互作用能與黏附功，認(rèn)為瀝青與集料之間的黏附力很大程度上取決于干、濕表面條件下的集料類型；XU等[8]結(jié)合AFM和MD 2種手段分析了熱混合期間和荷載作用下瀝青與集料的結(jié)合和脫黏過程，并解釋了老化對(duì)瀝青?集料黏附性的影響。已有的研究表明[8?12]，現(xiàn)有規(guī)范采用的水煮法難以定量評(píng)價(jià)瀝青與集料之間的黏附性水平，而光電比色法可以作為一種有效的定量評(píng)價(jià)方法，且結(jié)果較為可靠。但是，以上研究均未以定量、可靠的結(jié)果來表明水與溫度的耦合作用對(duì)瀝青?集料黏附特性的影響，且沒有對(duì)高黏瀝青這種排水路面常用材料進(jìn)行對(duì)比研究，無論是廣度還是深度方面都需要進(jìn)一步的研究。本文基于光電比色法，定量分析水熱耦合作用下瀝青?集料界面的黏附特性。

1　試驗(yàn)方案

原材料選擇：為了較充分考慮原材料類型的影響，結(jié)合實(shí)體工程應(yīng)用情況，本研究選取了 70號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青及高黏瀝青3種瀝青；玄武巖、石灰?guī)r2種集料進(jìn)行組合研究。

水熱耦合條件：水、溫度、荷載是影響瀝青?集料黏附性的主要外因[13?17]，其中溫度包括高溫(熱)、低溫(凍融)2個(gè)方面，本文僅對(duì)水熱耦合作用下瀝青?集料的界面黏附特性進(jìn)行研究，其他因素的耦合作用將在后續(xù)研究中開展。本研究采用60 ℃的水浴作為試件水熱耦合的條件，為了模擬水熱耦合時(shí)間的影響，本文分別對(duì)60 ℃水浴中浸泡0，1，3和5 d后的試件進(jìn)行對(duì)比研究。

試驗(yàn)過程：原材料的性質(zhì)是影響瀝青?集料界面黏附特性的內(nèi)因，本研究首先對(duì)選用的原材料進(jìn)行性能試驗(yàn)，接著按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)T0616—1993中規(guī)定的水煮法對(duì)水熱耦合作用下各瀝青與粗集料黏附性等級(jí)進(jìn)行初步定性的評(píng)價(jià)，然后利用光電比色法對(duì)細(xì)集料與各瀝青的黏附性做出定量的評(píng)價(jià)，最后選取有代表性的集料樣品進(jìn)行掃描電鏡檢測，觀察瀝青在集料表面脫黏行為的規(guī)律性，并結(jié)合水煮法結(jié)果與光電比色法數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，解釋水熱耦合作用下對(duì)瀝青?集料界面黏附性的影響。

2　原材料試驗(yàn)

本研究所采用的原材料主要是3種不同種類的瀝青和2種不同種類的集料，兩類原材料的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如表1和表2所示：

從表中的試驗(yàn)結(jié)果可知，本研究采用的瀝青和集料所檢測各項(xiàng)指標(biāo)均能較好的滿足技術(shù)規(guī)范的要求。

表1　瀝青試驗(yàn)結(jié)果Table 1　Asphalt test results

表2　集料試驗(yàn)結(jié)果Table 2　Aggregate test results

3　黏附性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

3.1　水煮法試驗(yàn)

研究過程中將在 60 ℃水浴中浸泡不同時(shí)間的樣品采用水煮法評(píng)定各瀝青與集料黏附性等級(jí)，結(jié)果如表3所示。

表3　各瀝青?集料水煮法黏附性等級(jí)Table 3　Adhesion level by boiling method ofasphalt-aggregate

從上表中的試驗(yàn)結(jié)果可知，不同樣本的黏附性在水熱耦合作用下有一些總體的差異：從瀝青角度來分析，黏附性等級(jí)依次為高黏瀝青＞SBS改性瀝青＞基質(zhì)瀝青；從集料的角度來分析，石灰?guī)r的黏附性等級(jí)優(yōu)于玄武巖；各種樣本隨著在 60 ℃水浴中浸泡時(shí)間的增長，其黏附性總體而言變差。但水煮法試驗(yàn)并不能明顯區(qū)分水熱條件下對(duì)黏附性優(yōu)的樣本的影響，尤其對(duì)高黏瀝青組成的樣本，水熱對(duì)黏附性的影響并不明顯。

3.2　光電比色法試驗(yàn)

本研究的光電比色法試驗(yàn)利用酚藏紅花染色溶液，通過721型可見分光光度計(jì)檢測各種瀝青和集料在不同老化條件下的黏附狀態(tài)，具體以瀝青在集料表面的剝落率來體現(xiàn)(圖1，圖2及表4)。

1) 稱取粒徑為2.36~4.75 mm的2種集料，洗凈、烘干備用，同時(shí)將各瀝青于規(guī)范規(guī)定的拌和溫度下軟化備用。

2) 取2種集料各400 g，按減量法分別加入8 g基質(zhì)瀝青，充分、均勻攪拌2~3 min。將拌好的瀝青均勻攤鋪，在室溫下冷卻至少24 h。然后將其分為4份，每份100 g。

3) 改用其他2種瀝青，重復(fù)步驟(2)。

4) 配置濃度為0.01 mg/mL的酚藏紅花染料溶液，并水浴加熱至60 ℃，在未經(jīng)拌和的2份100 g集料中各加入200 mL溶液，60 ℃水浴保溫2 h。

5) 分別配置濃度為0.002，0.004，0.006和0.008 mg/mL以及0.01 mg/mL的酚藏紅花染料溶液，在510 nm波長處測定溶液的吸光度，擬合出酚藏紅花溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1所示。

圖1　酚藏紅花溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig. 1　Standard curve of phenol safflower solution

6) 將溶液取出，輕輕搖晃使其均勻，冷卻至室溫后分別取少量(約 5 mL)用分光光度計(jì)在波長為510 m處測定其吸光度，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線換算為溶液濃度。

7) 將拌和后的各瀝青混合料分別在60 ℃水浴下老化1，3和5 d，取出后重復(fù)上一個(gè)步驟(6)。

8) 根據(jù)以下公式計(jì)算黏附性At：

其中：C為酚藏花紅染料起始溶液濃度，mg/mL；C0為集料吸附后殘余溶液濃度，mg/mL；C1為瀝青混合料吸附后殘余溶液濃度，mg/mL。

表4　各條件下瀝青?集料黏附性(%)Table 4　Adhesion of asphalt-aggregate under all conditions

圖2　黏附性隨水浴作用時(shí)間變化曲線圖Fig. 2　Curves of adhesion along water bath time

由表4和圖2的試驗(yàn)結(jié)果可知，各瀝青與石灰?guī)r的黏附性均大于玄武巖，這種差距在基質(zhì)瀝青中體現(xiàn)最為明顯。對(duì)于3種瀝青，高黏瀝青與2種集料均表現(xiàn)出較高的黏附性，其次是SBS改性瀝青，基質(zhì)瀝青黏附性最差。

60 ℃水浴作用下，瀝青-集料界面黏附性明顯降低，而且隨水浴浸泡時(shí)間的延長逐漸變差。集料為玄武巖時(shí)，作用1 d后，SBS改性瀝青黏附性下降最快，基質(zhì)瀝青與是高黏瀝青變化幅度大體一致，均較為平緩，1~5 d過程中，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青黏附性下降趨勢接近，高黏瀝青較為平緩；未進(jìn)行水熱作用時(shí)，SBS改性瀝青和高黏瀝青與玄武巖的黏附性十分接近，而在水熱作用過程中，卻與高黏瀝青的差距越來越大。因此可以推斷對(duì)于未經(jīng)水熱作用或短期水熱作用時(shí)，SBS改性瀝青仍然具有相對(duì)較高的黏附性，但高黏瀝青始終具有著高強(qiáng)的黏附性，尤其對(duì)于中長期的水熱作用來說更具優(yōu)勢。集料為石灰?guī)r時(shí)，作用1 d后，SBS改性瀝青與集料的黏附性衰退在3種瀝青中相對(duì)較為顯著，1~5 d過程中，基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青與集料黏附性下降顯著，而高黏瀝青較為平緩。隨著水浴時(shí)間的增加，水熱作用會(huì)逐漸取代材料特性對(duì)瀝青?集料界面黏附性的影響，成為決定黏附性大小的主導(dǎo)因素，但并沒有改變各瀝青與石灰?guī)r之間黏附性大小的順序，高黏瀝青在整個(gè)過程中始終與集料保持著較高的黏附性。

從60 ℃水浴5 d各材料組合的黏附性下降程度看，基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青以及高黏瀝青與玄武巖的黏附性下降百分比依次為 26.6%，26%和15.8%，與石灰?guī)r分別為28.8%，27.9%和9.7%，從中可以明顯看出高黏瀝青相比其他2種瀝青所具有的優(yōu)勢。

瀝青膜在集料表面的剝落并非直接將集料裸露出來，而是一般首先表現(xiàn)為瀝青膜的變薄，這種瀝青膜的厚度變化通過水煮法很難定量地評(píng)估，從而造成判斷誤區(qū)。比如60 ℃水浴3 d時(shí)，SBS改性瀝青?石灰?guī)r的黏附性與高黏瀝青?玄武巖的黏附性的比較，通過水煮法評(píng)定的黏附性等級(jí)都為4級(jí)，受主觀影響較大，而光電比色法的測試結(jié)果分別為45.9%和48.0%，黏附性好壞一目了然，試驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)可靠。另外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)水煮法試驗(yàn)中存在瀝青剝落假象，即原本已經(jīng)剝落的瀝青在冷卻后又重新黏附到集料表面，這也會(huì)對(duì)黏附性等級(jí)的判斷造成極大的影響。

對(duì)比光電比色法和水煮法，雖然兩種試驗(yàn)結(jié)果存在一定的關(guān)聯(lián)性，但是光電比色法可以將瀝青膜的這種收縮變薄考慮進(jìn)去，通過集料對(duì)染色劑的吸附量化剝落率，更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)瀝青與集料的黏附性變化。

3.3　掃描電子顯微鏡檢測

雖然光電比色法計(jì)算了明顯的剝落率，但如果能夠更加清楚地觀察到瀝青-集料的界面，可以更加直觀地表現(xiàn)不同條件下瀝青-集料界面黏附性的差異。掃描電子顯微鏡(SEM)不僅可以清楚地觀察到樣品的表面形貌，還可以測定樣品的表面成分。本文以 SEM 作為輔助手段，觀測各瀝青與集料在不同老化狀態(tài)下的剝落狀態(tài)。下面以基質(zhì)瀝青為例進(jìn)行分析，圖3為水熱耦合作用后基質(zhì)瀝青樣品的單一顆粒SEM圖像。

圖 3中(a)~(d)分別為 60 ℃水浴作用 0，1，3和5 d時(shí)基質(zhì)瀝青與玄武巖的黏附情況，(e)~(h)為相應(yīng)的基質(zhì)瀝青與石灰?guī)r的黏附情況。圖像中綠色線條內(nèi)顏色較深的部分為瀝青，顏色較淺的部分為裸露的集料。比較 SEM 圖像與光電比色法可見，當(dāng) SEM 圖像中集料表面瀝青剝落面積約為集料面積一半時(shí)，對(duì)應(yīng)的黏附性也約為50%，兩者表現(xiàn)出高度的一致性。

圖3　集料裹附瀝青后的SEM圖像(X80)Fig. 3　SEM images of the aggregate adhered with asphalt (X80)

對(duì)比3(a)~ 3(d)或3(e)~3(h)可以看出，對(duì)于同種集料，隨著水熱老化時(shí)間的延長，瀝青從集料表面剝落的面積也逐漸增大，而且水熱作用1，3和5 d的差距十分明顯，1 d時(shí)還只是瀝青膜收縮變薄，而3 d時(shí)則可以看到集料的花白色逐漸顯露出來，5 d時(shí)瀝青剝落面積逐漸擴(kuò)大，從圖2中對(duì)應(yīng)的折線段的斜率也可以看出不同的時(shí)間段脫落速率也各有差異。通過圖3(a)和3(e)，可以看出瀝青與集料的脫附過程中，瀝青主要是從集料周邊開始逐漸向中間脫落，這可能是由于周邊的棱角性較為明顯，瀝青在受熱過程中，由于自身重力作用會(huì)逐漸向表面地勢較低的地方流淌，然后使集料裸露出來，增加水分子進(jìn)入瀝青?集料界面的幾率，導(dǎo)致瀝青與集料界面強(qiáng)度逐漸失效。

對(duì)比 3(a)和 3(e)可以看出，未受水熱作用時(shí) 2種集料與基質(zhì)瀝青的黏附性均較好，基本均勻包裹在集料表面，且玄武巖表面節(jié)理較多，有許多凸點(diǎn)，而石灰?guī)r相對(duì)平滑。比較 3(b)和 3(f)，3(c)和 3(g)或3(d)和3(h)，可以明顯看出相同水熱作用條件下，基質(zhì)瀝青在玄武巖表面的剝落面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石灰?guī)r，表明石灰?guī)r與基質(zhì)瀝青的黏附性比玄武巖好。除此之外，對(duì)比2種集料，尤其是60 ℃水浴3 d后的圖像，可以發(fā)現(xiàn)瀝青在集料表面的脫落并非全部是層狀脫落，而是從集料某些表面特性較差的區(qū)域開始逐漸收縮變薄，直到完全將集料表面裸露出來。

對(duì)于其他幾種瀝青與集料界面黏附的 SEM 圖像，觀測結(jié)果表明：經(jīng)過60 ℃水浴后，SBS改性瀝青和高黏瀝青在集料表面的剝落面積較少，尤其是高黏瀝青，在5 d老化后，剝落面積仍少于50%。對(duì)于2種集料，石灰?guī)r與各瀝青的黏附性大都高于玄武巖。

4　結(jié)論

1) 各瀝青與石灰?guī)r的黏附性均大于玄武巖；高黏瀝青相比其他2種瀝青黏附性更高。

2) 水熱耦合作用下，各瀝青?集料界面黏附性均有不同程度下降，高黏瀝青在3種瀝青中抵抗水熱作用的性能最優(yōu)，尤其是對(duì)于中長期的水熱作用更具優(yōu)勢；SBS改性瀝青只適用于短期水熱作用；隨著水浴時(shí)間的增加，水熱作用會(huì)逐漸取代材料特性對(duì)瀝青?集料界面黏附性的影響，成為決定黏附性大小的主導(dǎo)因素。

3) 水熱作用下，瀝青在集料表面的脫落并非全部是層狀脫落，而是從集料某些表面特性較差的區(qū)域開始逐漸收縮變薄，直到完全將集料表面裸露出來。

4) 相比水煮法, 光電比色法可以排除瀝青膜厚度變化對(duì)黏附性評(píng)定結(jié)果的影響，更加定量、可靠地評(píng)價(jià)瀝青與集料之間的黏附性能。

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