基于數(shù)字圖像技術(shù)的瀝青與集料黏附性影響因素研究

王體宏1，李永振，王鴿3，時(shí)敬濤1，樊亮

（1.中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院，北京 100010；2.山東省交通科學(xué)研究院，濟(jì)南 250102；3.山東公路技師學(xué)院，濟(jì)南 250104）

瀝青路面在使用過(guò)程中極易產(chǎn)生水損害，水損害產(chǎn)生過(guò)程復(fù)雜，因素主要包括瀝青性質(zhì)、集料性質(zhì)、界面黏附力、瀝青混合料體系指標(biāo)[1-6]等。其中，瀝青與集料的界面黏附作用與瀝青和集料的性質(zhì)息息相關(guān)，提高瀝青路面的工程使用質(zhì)量關(guān)鍵是提高其抗水損害能力[7-14]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用工程使用效果評(píng)價(jià)方法研究瀝青與集料的黏附性能，其中應(yīng)用最廣泛的是水煮法與水浸法。我國(guó)現(xiàn)行交通部規(guī)程方法水煮法和水浸法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單快捷直觀，缺點(diǎn)是水煮法溫度設(shè)置不明確，結(jié)果判斷主觀因素影響大，不能定量表征粘結(jié)性能。短期老化試驗(yàn)（TFOT）是模擬瀝青混合料在運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的瀝青老化，但水浸法和水煮法是采用新鮮瀝青判定黏附性好壞，并未考慮瀝青的老化程度對(duì)黏附性的影響。瀝青的黏度與黏附性之間的正相關(guān)關(guān)系，是公路行業(yè)的傳統(tǒng)認(rèn)知，但具體關(guān)系是否正相關(guān)，并未有明確的論斷。

針對(duì)交通部規(guī)程水煮法與水浸法在定量表征溫度、老化程度、黏度等方面的不足，本文選用水浸法測(cè)試不同瀝青與集料的黏附性，提出基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的計(jì)算方法，運(yùn)用Photoshop 處理技術(shù)計(jì)算剝落面積比，從溫度、老化程度、黏度等方面研究瀝青與集料的黏附性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 瀝青

試驗(yàn)選擇石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖三種集料。選擇50 號(hào)、70 號(hào)、90 號(hào)及SBS 改性瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）[15]檢測(cè)瀝青指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）[16]要求。

1.2 試驗(yàn)方法

水浸法相對(duì)水煮法，水浴溫度控制更嚴(yán)格，試驗(yàn)時(shí)間更長(zhǎng)，故本文選用水浸法。具體試驗(yàn)步驟參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）[15]中的瀝青與粗集料黏附性試驗(yàn)方法。

表1 瀝青的指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

1.3 數(shù)字圖像處理技術(shù)

為計(jì)算集料表面的瀝青黏附面積，采用圖像處理法，圖像處理方法比人眼觀察更為準(zhǔn)確。Photoshop 是功能強(qiáng)大的圖像處理工具，能夠?qū)D像進(jìn)行編輯處理和測(cè)量，本次試驗(yàn)的具體試驗(yàn)步驟按照王鴿[17]學(xué)者的試驗(yàn)方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度的影響

為開(kāi)展研究，水浸法試驗(yàn)選用70 號(hào)瀝青、SBS 瀝青，水浴溫度40 ～80 ℃，步長(zhǎng)為10 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖1、2 所示。

圖1 集料表面的70 號(hào)瀝青黏附率

圖2 集料表面的SBS 瀝青黏附率

由圖1及圖2可知，對(duì)于70 號(hào)瀝青，從40 ℃水浴溫度開(kāi)始，三種集料表面上瀝青黏附率即出現(xiàn)差別，首先在花崗巖表面脫落，其次玄武巖，然后石灰?guī)r；對(duì)于SBS 瀝青，當(dāng)水浴溫度大于80 ℃后，差別才開(kāi)始出現(xiàn)，首先在花崗巖表面脫落，其次玄武巖，然后石灰?guī)r。結(jié)果說(shuō)明溫度升高對(duì)石灰?guī)r表面的瀝青黏附率影響不大，幾乎不剝落，在80 ℃水浴溫度時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)差別，70 號(hào)瀝青先開(kāi)始脫落，其次是SBS 瀝青。溫度升高后，玄武巖表面的瀝青黏附率降低；在70 ℃之后瀝青開(kāi)始剝落。花崗巖表面的瀝青黏附率受溫度影響最明顯，相對(duì)其它兩種集料，在60 ℃時(shí)SBS 瀝青即在花崗巖表面剝落。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同的集料表面，瀝青開(kāi)始出現(xiàn)剝落的溫度不同，溫度越高，黏附率越低，相對(duì)于70 號(hào)瀝青，SBS 瀝青在集料表面剝落時(shí)的溫度更高，說(shuō)明其在集料表面的黏附更好。通過(guò)上述分析，建議水浸法試驗(yàn)的水浴溫度設(shè)置為90 ℃以上。

2.2 老化的影響

對(duì)70 號(hào)瀝青和SBS 改性瀝青先進(jìn)行老化試驗(yàn)，再與集料進(jìn)行黏附性試驗(yàn)，運(yùn)用Photoshop處理技術(shù)計(jì)算剝落面積，得到黏附率，結(jié)果見(jiàn)圖3～5。

由圖3～5 可知，對(duì)于三種集料，瀝青老化時(shí)間增加，在集料表面的黏附率減小，均為原樣＞短期老化＞長(zhǎng)期老化。瀝青與集料之間界面粘結(jié)力由瀝青的自身黏聚力和瀝青與集料間的作用力組成，瀝青老化后四組分含量和分子結(jié)構(gòu)改變，同時(shí)改性劑的性能降低，使瀝青組分結(jié)構(gòu)重新組合，表面活性降低，浸潤(rùn)作用減小，導(dǎo)致瀝青與集料間的作用力減小，粘結(jié)力減小，黏附性降低[18]。

圖3 石灰?guī)r表面上的瀝青黏附率

圖4 玄武巖表面上的瀝青黏附率

圖5 花崗巖表面的瀝青黏附率

2.3 黏度的影響

圖6為不同老化程度的瀝青黏度值，由圖6可知，老化時(shí)間增加，兩種瀝青的黏度逐漸增大。由老化試驗(yàn)后的黏附性試驗(yàn)結(jié)果知道，瀝青老化時(shí)間逐漸增加，與集料間的黏附率逐漸減小。說(shuō)明隨著瀝青黏度的增加，瀝青與集料間的黏附性并未增大。由圖7可知，對(duì)于不同的基質(zhì)瀝青，135 ℃黏度為50 號(hào)＞70 號(hào)＞90 號(hào)，而與玄武巖的黏附率為70 號(hào)＞50 號(hào)＞90 號(hào)，進(jìn)一步說(shuō)明并不是瀝青的黏度增加，瀝青與集料的黏附性隨之增大，瀝青與集料的黏附是由瀝青與集料之間的作用力、界面上的化學(xué)吸附及瀝青組分在集料表面的選擇性擴(kuò)散作用過(guò)程組成[19]，而瀝青的性質(zhì)只是兩者之間黏附性的好壞影響因素中的一個(gè)。根據(jù)集料的酸堿性區(qū)分，石灰?guī)r呈堿性，玄武巖呈中性，花崗巖呈酸性，而據(jù)現(xiàn)有研究[20]知道瀝青呈酸性，所以除溫度、老化及黏度等影響因素外，集料的化學(xué)性質(zhì)對(duì)黏附性的影響，仍需進(jìn)一步研究。

圖6 不同老化程度的瀝青黏度值

圖7 瀝青的黏度與黏附率的關(guān)系

3 結(jié)論

a）在不同的集料表面，瀝青開(kāi)始出現(xiàn)剝落的溫度不同，溫度越高，黏附率越低，建議水浸法試驗(yàn)的水浴溫度設(shè)置為90 ℃以上。

b）瀝青老化時(shí)間逐漸增加，與集料的作用力逐漸減小，與集料的粘結(jié)力逐漸減小，黏附性降低。

c）瀝青黏度增加，集料表面的瀝青黏附率并未增大，除溫度、老化及黏度等影響因素外，集料的化學(xué)性質(zhì)對(duì)黏附性的影響仍需進(jìn)一步研究。