基于灰關(guān)聯(lián)理論的瀝青與集料黏附性能研究

王體宏，李永振，王 鴿，時敬濤，樊 亮

(1.中石油燃料油有限責任公司研究院，北京 100010；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250102；3.山東公路技師學院，山東 濟南 250104)

瀝青路面因其行車舒適度高、建設(shè)速度快、修理方便等優(yōu)點，在我國得到了大面積的推廣應(yīng)用[1-2]。瀝青路面在服役的整個過程中，會受到外界環(huán)境和重載交通等因素的影響，出現(xiàn)一些早期破壞，比如車轍、水損害、擁包、開裂和坑洞，其中水損害是一種比較常見的早期破壞。水損害是指當瀝青路面不能及時排水，在車輛荷載的反復(fù)作用下，形成動水壓力，動水壓力的反復(fù)作用將瀝青膜從集料表面脫落，從而造成粘附性降低而發(fā)生水損害現(xiàn)象[3]。

美國學者[4-7]在上世紀 20 年代就已經(jīng)開始研究評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的試驗方法，開發(fā)了水煮法、馬歇爾穩(wěn)定度以及凍融劈裂等試驗方法。在中國，從“八五”期間開始研究瀝青與集料的粘附性評價方法，研究成果確定了水煮法、水浸法作為評價瀝青與集料粘附性的標準試驗方法，馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗作為評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的標準試驗方法[8-9]。與此同時，國內(nèi)許多專家學者如樊亮、袁俊[10-13]等人利用圖像分析軟件改善傳統(tǒng)水煮法人為判斷剝落面積的誤差大的缺點。郝培文、彭余華、朱大章[14-16]等學者通過水煮法、水浸法、凈吸附法和光電比色法等方法的比較研究，認為凈吸附法與瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗之間相關(guān)性最好。

綜上所述：目前國內(nèi)外均是基于單純的水浸法、圖像分析法、凈吸附法等，對集料與瀝青黏附性進行的理論研究，未對這幾種方法的相關(guān)性和準確性進行對比和分析。因此本文將選取70號瀝青和SBS改性瀝青兩種瀝青，石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖三種集料，通過水浸法、凈吸附法、接觸角法和凍融劈裂試驗，采用灰關(guān)聯(lián)方法，對比分析三種粘附性試驗方法與瀝青混合料凍融劈裂強度比的相關(guān)性，研究瀝青和集料界面粘結(jié)性能。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

瀝青選取70號瀝青和SBS改性瀝青，技術(shù)指標見表1。石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖三種集料化學成分與元素含量見表2。

表1 瀝青技術(shù)指標

表2 三種集料的化學成分與元素含量

由表2可知，石灰?guī)r的SiO2含量為15.50%，為堿性集料；玄武巖的SiO2含量為53.99%，為中性集料；花崗巖的SiO2含量為72.77%，為酸性集料。

1.2 試驗方案

1.2.1 水浸法

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[17]中的T0616-1993進行水浸法試驗,然后利用相機進行拍照，對照片采用Photoshop進行分析，求出集料表面上瀝青的剝落率。

1.2.2 凈吸附法

參照美國SHRP規(guī)范中的凈吸附法，通過紫外分光光度計測試瀝青-甲苯溶液濃度變化前后的吸光度大小，通過公式計算得到粘附率。

1.2.3 接觸角法

通過懸滴法測試不同溫度下的瀝青表面張力，通過躺滴法測試瀝青與集料的接觸角，通過公式計算粘附功。其中表面張力在同一溫度點平行測定3次，取平均值。

1.2.4 凍融劈裂試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[17]中的T0729-2000試驗方法進行瀝青混合料的凍融劈裂試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 水浸法

表3 瀝青與不同礦料的粘附剝落面積(像素法)

由表3可知，集料表面上的70號瀝青剝落率石灰?guī)r為2.05%，玄武巖為25.26%，花崗巖為34.15%；集料表面上的SBS改性瀝青剝落率石灰?guī)r為0.21%，玄武巖為1.38%，花崗巖為5.65%。兩種瀝青與集料的粘附性關(guān)系：石灰?guī)r>玄武巖>花崗巖。分析原因是瀝青呈弱酸性，石灰?guī)r為堿性集料，玄武巖為中性集料，花崗巖為酸性集料，酸堿化學反應(yīng)，故瀝青與石灰?guī)r的化學吸附力>玄武巖>花崗巖。

2.2 凈吸附法

圖1 70號瀝青、SBS改性瀝青與三種集料的黏附率

由圖1可知，兩種瀝青與集料的粘附性關(guān)系：石灰?guī)r>玄武巖>花崗巖，試驗結(jié)果與水浸法的結(jié)果是一致的，說明瀝青和化學性質(zhì)不同的集料相互拌和時，它們之間的化學吸附力起作用。

2.3 接觸角法

由圖2可知，在150℃溫度下，兩種瀝青與三種集料的粘附性大小關(guān)系：石灰?guī)r>玄武巖>花崗巖；在相同集料情況下，粘附功的大小關(guān)系：70號瀝青>SBS改性瀝青。分析原因為SBS改性瀝青在150℃溫度下仍具有較大的黏度，而70號瀝青已經(jīng)處于充分流動狀態(tài)，SBS改性瀝青與集料的浸潤性小于70號瀝青。

圖2 150℃溫度下瀝青與集料的粘附功

2.4 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗結(jié)果見表4。

表4 凍融劈裂試驗結(jié)果

由表4可知，對70號瀝青，相同的混合料級配下，不同集料的凍融劈裂強度比：石灰?guī)r>玄武巖>花崗巖；對SBS改性瀝青，相同的混合料級配下，不同集料的凍融劈裂強度比：石灰?guī)r>玄武巖>花崗巖。

3 灰關(guān)聯(lián)分析

采用灰關(guān)聯(lián)方法，將瀝青混合料的凍融劈裂強度比作為參考序列，試件空隙率、集料SiO2含量、水浸法黏附率、凈吸附法黏附率、接觸角黏附功、瀝青的135℃黏度等作為參考序列。

表5 黏附性能分析數(shù)列的確定

確定好分析數(shù)列，首先對分析數(shù)列進行無量綱化處理，結(jié)果見表6。

表6 無量綱化處理結(jié)果

對無量綱數(shù)據(jù)進行求差和對差值取絕對值，具體數(shù)據(jù)見表7。

表7 求差序列、差值絕對值

根據(jù)以上數(shù)據(jù)的處理，得出各影響因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度，見表8。

表8 各影響因素的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)及灰關(guān)聯(lián)度

圖3 不同影響因素關(guān)聯(lián)度

由表8及圖3可知，參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度大小順序為5>4>6>1>2>3，其中黏附性試驗方法中接觸角測得的粘附功與凍融劈裂試驗結(jié)果的關(guān)聯(lián)度最高，其次是SHRP凈吸附法，然后是水浸法。原材料中瀝青的粘度對凍融劈裂的關(guān)聯(lián)度大于集料的酸堿性。空隙率和瀝青的粘度與凍融劈裂試驗結(jié)果的相關(guān)性相同。接觸角試驗結(jié)果與瀝青混合料凍融劈裂試驗相關(guān)性最高，影響瀝青混合料水穩(wěn)定的主要因素為瀝青混合料的成型溫度及壓實功，瀝青的性質(zhì)與瀝青混合料凍融劈裂試驗相關(guān)性大于集料的化學性質(zhì)。

4 結(jié)論

(1)通過水浸法、凈吸附法、接觸角法三種粘附性測試方法，兩種瀝青與集料的粘附性關(guān)系：石灰?guī)r>玄武巖>花崗巖，試驗結(jié)果與水浸法的結(jié)果是一致的，說明瀝青和化學性質(zhì)不同的集料相互拌和時，它們之間的化學吸附力起作用。

(2)通過凍融劈裂試驗，對70號瀝青，相同的混合料級配下，不同集料的凍融劈裂強度比：石灰?guī)r>玄武巖>花崗巖；對SBS改性瀝青，相同的混合料級配下，不同集料的凍融劈裂強度比：石灰?guī)r>玄武巖>花崗巖。

(3)通過灰關(guān)聯(lián)分析方法，接觸角試驗結(jié)果與瀝青混合料凍融劈裂試驗相關(guān)性最高，影響瀝青混合料水穩(wěn)定的主要因素為瀝青混合料的成型溫度及壓實功，瀝青的性質(zhì)與瀝青混合料凍融劈裂試驗相關(guān)性大于集料的化學性質(zhì)。