基于凈吸附試驗(yàn)的瀝青-集料黏附性量化研究

李仁君,王麗靜,黃婷婷,胡芙蓉,羅 蓉

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院 湖北 武漢 430063；2.湖北省公路工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢 430063；3.湖北長江路橋股份有限公司 湖北 武漢 430212)

0 引言

我國道路建設(shè)發(fā)展迅速，瀝青路面已成為主要的鋪裝形式。然而大部分瀝青路面在修建初期就出現(xiàn)坑槽、松散、唧漿等水損害問題，嚴(yán)重影響道路服役質(zhì)量。水損害產(chǎn)生的根本原因是有水存在的條件下，瀝青內(nèi)部發(fā)生內(nèi)聚破壞或者瀝青與集料界面發(fā)生黏附破壞，進(jìn)而產(chǎn)生工程可見的水損害[1-3]。因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青與集料之間的黏附性能，從而優(yōu)選出具有良好黏附性的瀝青-集料組合，對(duì)提高瀝青混合料抵抗水損害性能具有重要意義。

目前評(píng)價(jià)瀝青與集料之間黏附性的方法可以分為定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)兩類。定性評(píng)價(jià)類包括水煮法、水浸法，定量評(píng)價(jià)類包括凈吸附試驗(yàn)、光電比色法等。水煮法、水浸法這類定性評(píng)價(jià)的方法，雖然操作簡單，但受人為主觀判斷影響較大，無法精確評(píng)價(jià)瀝青與集料之間的黏附性能[4-8]。尤其當(dāng)不同瀝青與集料組合黏附等級(jí)相同時(shí)，無法進(jìn)一步區(qū)別出黏附性能更優(yōu)的瀝青-集料組合。而凈吸附試驗(yàn)是一種能夠定量評(píng)價(jià)瀝青與集料黏附性的試驗(yàn)方法，該方法相比于其他定性試驗(yàn)方法，受人為主觀因素影響較小，試驗(yàn)過程簡單，被國內(nèi)外學(xué)者所廣泛采用[9-10]。同時(shí)，凈吸附試驗(yàn)相比于現(xiàn)在國際上推薦使用的表面能理論，具有速度快、成本低等優(yōu)勢[11-12]。但現(xiàn)階段在進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)時(shí)并未明確指出應(yīng)該在何種波長下進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)，通常采用經(jīng)驗(yàn)值。實(shí)際上在某些波長區(qū)段下，當(dāng)溶液濃度變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的吸光度變化不明顯，這樣就會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。因此確定在何種波長下進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果精確度的影響至關(guān)重要。

針對(duì)上述不足之處，本文首先采用多種波長測試不同濃度下瀝青-甲苯溶液的吸光度，通過對(duì)相鄰濃度溶液的吸光度差值進(jìn)行研究，分析確定出凈吸附試驗(yàn)中最佳試驗(yàn)波長值。然后采用最佳試驗(yàn)波長對(duì)中山玄武巖、角閃巖與50#基質(zhì)瀝青、90#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青及高黏瀝青進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)，判斷不同瀝青-集料組合的黏附性，并與水煮法試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該方法的合理性和可行性。最后，總結(jié)全文主要結(jié)論。

1 確定凈吸附試驗(yàn)最佳試驗(yàn)波長

1.1 試驗(yàn)原理

凈吸附試驗(yàn)的原理是通過制備固定濃度的瀝青-甲苯溶液，將集料置于瀝青-甲苯溶液中，采用紫外分光光度計(jì)在一定波長下測量加入蒸餾水前后的瀝青-甲苯-集料體系中瀝青-甲苯溶液濃度的變化，并以此濃度變化為依據(jù)，計(jì)算集料對(duì)瀝青的吸附量以及遇水后集料表面瀝青的殘留量[13-14]，來準(zhǔn)確量化瀝青-集料之間的黏附性能。其中，吸附量是指單位質(zhì)量集料表面遇水前吸附的瀝青質(zhì)量，殘留量是指單位質(zhì)量集料表面遇水后集料表面殘留的瀝青質(zhì)量。水分子置換集料表面瀝青分子過程如圖1所示。

圖1 水分子置換集料表面瀝青分子示意圖

在進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)時(shí)，紫外分光光度計(jì)將某一特定波長的光連續(xù)照射到一定質(zhì)量濃度的樣品溶液，得到與波長相對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度，即吸光度，通過吸光度來確定溶液濃度，故可以通過某一波長下溶液吸光度的變化來反映該溶液濃度的變化情況。但是在某些波長區(qū)段下，當(dāng)溶液濃度變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的吸光度變化不明顯，這樣就會(huì)直接影響試驗(yàn)結(jié)果。因此為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，減小試驗(yàn)誤差，首先需確定出一個(gè)波長區(qū)域，使得在此波長區(qū)域下測量得到的吸光度能夠顯著反映溶液的濃度變化。下面以50#基質(zhì)瀝青為例，利用紫外分光光度計(jì)確定合理試驗(yàn)波長。

1.2 試驗(yàn)儀器及過程

1.2.1試驗(yàn)材料及儀器

試驗(yàn)以50#基質(zhì)瀝青作為研究對(duì)象，試驗(yàn)中所需要的儀器設(shè)備包括：紫外分光光度計(jì)，比色皿，振蕩器，25 ml容量瓶、100 ml錐形瓶、50 ml錐形瓶、玻璃棒等玻璃器皿若干，移液槍1支。凈吸附試驗(yàn)中所需要的儀器設(shè)備與波長確定試驗(yàn)中的試驗(yàn)儀器相同，具體如圖2所示。

圖2 凈吸附試驗(yàn)儀器示意圖

1.2.2試驗(yàn)過程

a.瀝青-甲苯溶液配置：使用高精度電子天平分別稱量7.2、9.6、12.8、15.2、17.6、19.2、21.6、24.0 mg的50#瀝青，分別溶于100 ml純甲苯溶液，使用振蕩器振蕩4 h，此時(shí)初始溶液濃度分別為0.072、0.096、0.128、0.152、0.176、0192、0.216、0.240 mg/ml，并分別裝至30 ml錐形瓶中(圖3)。

圖3 瀝青-甲苯溶液配置示意圖

b.吸光度測量：分別將步驟a.中配置好的不同濃度的瀝青-甲苯溶液采用移液槍將4 ml瀝青-甲苯溶液移入潔凈的25 ml空容量瓶中，使用純甲苯溶液稀釋至25 ml并均勻混合，使用移液槍將稀釋后的瀝青-甲苯溶液移至比色皿中，采用紫外分光光度計(jì)測量在不同波長下溶液的吸光度。已知該儀器可以測得190～1 100 nm波長下的吸光度，測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同波長下的吸光度示意圖

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為確定合理的試驗(yàn)波長，通過計(jì)算相鄰濃度溶液的吸光度差值進(jìn)行分析。相鄰溶液濃度的吸光度差值圖如圖5所示。其中差值為零的區(qū)域需要舍棄，是因?yàn)椴煌瑵舛鹊娜芤涸谙嗤ㄩL下對(duì)應(yīng)的吸光度應(yīng)該不同，而差值為零代表不同的溶液濃度在相同波長下的吸光度相同。同時(shí)若不同濃度溶液吸光度差值過小，試驗(yàn)結(jié)果容易受到試驗(yàn)誤差的影響，導(dǎo)致偏離真實(shí)吸光度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大。此外，不同濃度溶液吸光度差值越大，越難受到試驗(yàn)誤差的影響，試驗(yàn)結(jié)果能夠反映出真實(shí)吸光度。

圖5 相鄰濃度溶液的吸光度差值圖

通過以上分析可以將瀝青-甲苯溶液吸光度分為3個(gè)階段：

a.OA段(190～330 nm波段)：當(dāng)設(shè)定波長小于330 nm時(shí)，測量的溶液濃度從0.072 mg/ml變化到0.24 mg/ml時(shí)，該區(qū)段存在差值為零的情況，且吸光度差值變化較小，容易導(dǎo)致各溶液濃度下測量的吸光度不準(zhǔn)確；

b.AB段(330～550 nm波段)：當(dāng)波長處于330 nm至550 nm的范圍內(nèi)時(shí)，隨著溶液濃度的變化，各溶液濃度下對(duì)應(yīng)的吸光度變化顯著，濃度的變化會(huì)引起較大的吸光度變化，該區(qū)段能反映出溶液真實(shí)吸光度；

c.BC段(550～1 100 nm波段)：由于試驗(yàn)精度控制在0.05 mg/g，當(dāng)波長大于500 nm時(shí)，相鄰濃度差均小于0.05 mg/g，此時(shí)容易受到試驗(yàn)誤差的影響，導(dǎo)致測量值偏離真實(shí)吸光度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，所以不選用波長大于500 nm的區(qū)段進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)。

因此，在進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)波長應(yīng)在AB段(330～550 nm波段)中選擇。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)波長為340 nm時(shí)，不同濃度瀝青-甲苯溶液的吸光度變化最明顯，故建議采用的波長為340 nm進(jìn)行試驗(yàn)。

2 采用凈吸附試驗(yàn)分析瀝青與集料黏附性

2.1 試驗(yàn)材料及準(zhǔn)備

a.試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用2種集料，分別為中山玄武巖和角閃巖，瀝青選用4種常見瀝青，分別為50#基質(zhì)瀝青、90#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青及高黏瀝青，水煮法試驗(yàn)采用的集料和瀝青與凈吸附試驗(yàn)相同，以便更為直觀地與凈吸附試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。試驗(yàn)材料見圖6。

(a)中山玄武巖

b.試驗(yàn)準(zhǔn)備

由1.3節(jié)可知紫外分光光度計(jì)在340 nm波長下測量出的溶液的吸光度相對(duì)最準(zhǔn)確，所以本次試驗(yàn)在340 nm波長下進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)紫外分光光度計(jì)對(duì)測試溶液的質(zhì)量濃度比較嚴(yán)苛[15]：必須保證配置的瀝青-甲苯溶液為1 mg/ml。所以本次試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)按照最優(yōu)配置進(jìn)行試驗(yàn)，

2.2 試驗(yàn)步驟

凈吸附試驗(yàn)的具體試驗(yàn)步驟可以簡述如下：

a.集料準(zhǔn)備：使用蒸餾水清洗集料并烘干，烘干時(shí)間約15 h，待降溫至室溫后進(jìn)行試驗(yàn)。

b.瀝青-甲苯溶液配置：使用高精度電子天平稱量100 mg瀝青，溶于100 ml純甲苯溶液，初始濃度為1 mg/ml，使用振蕩器振蕩4 h，使其溶解均勻，并分裝至3個(gè)錐形瓶中，每個(gè)錐形瓶中瀝青-甲苯溶液30 ml。

c.測量瀝青-甲苯-1溶液吸光度A1：將步驟b中配置的瀝青-甲苯溶液記為瀝青-甲苯-1，使用移液槍將4 ml瀝青-甲苯-1移入潔凈25 ml容量瓶(錐形瓶中剩余26 ml瀝青-甲苯-1)，使用純甲苯溶液稀釋至25 ml并混合均勻，此時(shí)的稀釋溶液記為瀝青-甲苯-1-d，使用移液槍將瀝青-甲苯-1-d移至比色皿，采用紫外分光光度計(jì)測量得到瀝青-甲苯-1-d吸光度A1，用以反映純?yōu)r青-甲苯溶液濃度。

d.測量集料吸收瀝青后的瀝青-甲苯溶液吸光度A2：將15 g±0.001g的集料試樣放入配置好的瀝青-甲苯-1溶液中，得到瀝青-甲苯-集料體系，使用振蕩器充分振動(dòng)17 h，使集料充分吸收瀝青分子，此時(shí)的瀝青-甲苯溶液記為瀝青-甲苯-2，同樣使用移液槍將4 ml瀝青-甲苯-2溶液移入25 ml容量瓶，加入純甲苯溶液稀釋至25 ml后得到瀝青-甲苯-2-d，測量得到瀝青-甲苯-2-d的吸光度為A2，用以反映混合液中瀝青分子被集料吸附后的瀝青-甲苯-2溶液濃度。

e.測量水分子置換集料表面瀝青分子后的瀝青-甲苯溶液吸光度A3：使用移液槍將6 ml蒸餾水注入瀝青-甲苯-集料體系，采用振蕩器充分振動(dòng)6 h，此時(shí)的瀝青-甲苯溶液記為瀝青-甲苯-3，使用移液槍將4 ml瀝青-甲苯-3溶液移入25 ml容量瓶，加入純甲苯稀釋至25 ml后得到瀝青-甲苯-3-d，測量得到瀝青-甲苯-3-d的吸光度為A3，用以反映吸附在集料表面的瀝青分子被水分子替代后的瀝青-甲苯-3溶液濃度。

瀝青-甲苯溶液在不同步驟中的吸光度變化如圖8所示，每種集料-瀝青組合設(shè)置3組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)中變異系數(shù)控制在3%以內(nèi)。

圖7 瀝青-甲苯溶液在不同階段的濃度變化示意圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)前述試驗(yàn)中獲得的了瀝青-甲苯-集料體系在加水前后，瀝青-甲苯溶液濃度變化的吸光度數(shù)據(jù)，基于上述數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析水分子對(duì)吸附在集料表面瀝青分子的置換情況，具體計(jì)算過程如下：

a.計(jì)算初始吸附量Mi，即為單位質(zhì)量集料表面初始吸附的瀝青質(zhì)量：

(1)

式中：M0為單位質(zhì)量集料表面吸附的瀝青質(zhì)量，mg/g；V為初始錐形瓶中瀝青-甲苯溶液的體積，在本研究中為30 ml，ml；C為瀝青-甲苯溶液的初始濃度，即瀝青-甲苯-1的濃度，本研究中初始濃度為1 mg/ml；M為集料重量，g；其余A1、A2含義同前文。

b.計(jì)算凈吸附量Mn，即為被水分子置換后殘留在集料表面的瀝青質(zhì)量：

(2)

式中：Mn為單位質(zhì)量集料表面殘留的瀝青質(zhì)量，mg/g；Vr為2.2節(jié)步驟d中錐形瓶中的瀝青-甲苯-2體積，為26 ml；其余字母含義同前文。

c.瀝青殘留率R，即殘留在集料表面的瀝青占全部吸附瀝青的質(zhì)量百分率：

(3)

根據(jù)集料表面瀝青殘留率R大小，可以將瀝青-集料黏附性分為3個(gè)等級(jí)，如表1所示，若黏附性在同一個(gè)等級(jí)范圍內(nèi)，可以根據(jù)瀝青殘留率R的大小進(jìn)行比較，瀝青殘留率R越大，說明瀝青與集料之間黏附性越好。

表1 瀝青與集料的黏附等級(jí)Table1 AdhesiongradeofasphaltandaggregateR/%瀝青與集料黏附性能判定﹥70好55～70一般﹤55差

根據(jù)上述計(jì)算步驟，分別計(jì)算Mi、Mn以及R，并將水煮法試驗(yàn)得到的結(jié)果同時(shí)列于表中，結(jié)果詳見表2。

表2 凈吸附試驗(yàn)指標(biāo)與水煮法試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果Table2 Netadsorptiontestindicatorsandresultsofboilingtesttestindicators集料類型瀝青類型凈吸附試驗(yàn)指標(biāo)Mi/(mg·g-1)Mn/(mg·g-1)R/%瀝青與集料黏附性能判定水煮法黏附等級(jí)50#瀝青0.1030.04644.66差3角閃巖90#瀝青0.0410.01434.15差3SBS改性瀝青0.0590.03254.24差4高黏瀝青0.5620.43777.76好550#瀝青0.3230.17253.25差4中山玄武巖90#瀝青0.2330.13658.37一般4SBS改性瀝青0.2950.23077.97好5高黏瀝青0.7640.65886.13好5

表2可直觀的對(duì)兩種試驗(yàn)方法中集料-瀝青黏附性進(jìn)行比較。其中，水煮法試驗(yàn)結(jié)果為：中山玄武巖與4種瀝青的黏附等級(jí)均比角閃巖好；角閃巖與4種瀝青黏附等級(jí)排序?yàn)椋焊唣r青>SBS改性瀝青>90#瀝青=50#瀝青；中山玄武巖與4種瀝青黏附等級(jí)排序?yàn)椋焊唣r青=SBS改性瀝青>90#瀝青=50#瀝青。凈吸附試驗(yàn)結(jié)果為：中山玄武巖的4種瀝青黏附性均優(yōu)于角閃巖，中山玄武巖較角閃巖與瀝青黏附性更佳；角閃巖的4種瀝青黏附性排序?yàn)椋?0#瀝青<50#瀝青

水煮法試驗(yàn)結(jié)果無法進(jìn)一步篩選出瀝青與集料的黏附性順序，但凈吸附試驗(yàn)結(jié)果可以更加準(zhǔn)確的確定出具體的瀝青—集料黏附性的排序組合。例如水煮法試驗(yàn)中，中山玄武巖與50#瀝青、90#瀝青的黏附等級(jí)均為4級(jí)，此時(shí)無法通過水煮法確定的黏附等級(jí)進(jìn)行瀝青選擇。而凈吸附試驗(yàn)可以得到在相同水煮法黏附等級(jí)下瀝青與集料黏附性能的排序，對(duì)于中山玄武巖，90#瀝青的殘留率R為58.37%，50#瀝青的殘留率R為53.25%，表明90#瀝青較50#瀝青與中山玄武巖黏附性更好。通過凈吸附試驗(yàn)，可以準(zhǔn)確量化出瀝青與集料之間的黏附性能。

由凈吸附試驗(yàn)可知，8種集料-瀝青組合黏附性排序?yàn)椋航情W巖-90#基質(zhì)瀝青<角閃巖-50#基質(zhì)瀝青<中山玄武巖-50#基質(zhì)瀝青<角閃巖-SBS改性瀝青<中山玄武巖-90#基質(zhì)瀝青<角閃巖-高黏瀝青<中山玄武巖-SBS改性瀝青<中山玄武巖-高黏瀝青，如圖8所示。其中角閃巖+高黏瀝青、中山玄武巖+SBS改性瀝青、中山玄武巖+高黏瀝青組合均有很好的黏附性能，中山玄武巖+90#瀝青組合黏附性一般，剩余集料-瀝青組合黏附性較差。凈吸附試驗(yàn)準(zhǔn)確量化了瀝青-集料之間黏附性能，判斷出50#瀝青、90#瀝青、SBS改性瀝青以及高黏瀝青與角閃巖、中山玄武巖之間黏附性優(yōu)劣，相比與傳統(tǒng)水煮法試驗(yàn)，更具有可行性。

圖8 8種集料-瀝青組合瀝青殘留率R變化示意圖

3 結(jié)論

本文通過進(jìn)行不同波長下不同濃度溶液的吸光度測量試驗(yàn)，確定出試驗(yàn)最佳試驗(yàn)波長。通過最佳試驗(yàn)波長下的凈吸附試驗(yàn)準(zhǔn)確量化了瀝青-集料之間的黏附性能，判斷出50#瀝青、90#瀝青、SBS改性瀝青以及高黏瀝青與角閃巖、中山玄武巖之間的黏附性優(yōu)劣，結(jié)論如下：

a.試驗(yàn)確定出適用于凈吸附試驗(yàn)的最佳試驗(yàn)波長：當(dāng)波長處于330～550 nm的范圍內(nèi)時(shí)，隨著溶液濃度的變化，各溶液濃度下對(duì)應(yīng)的吸光度變化顯著，該區(qū)段能反映出溶液真實(shí)吸光度。同時(shí)，當(dāng)波長為340 nm時(shí)，不同濃度瀝青-甲苯溶液的吸光度變化最明顯，為減小試驗(yàn)誤差，提高凈吸附試驗(yàn)的精準(zhǔn)度，推薦使用340 nm波長開展凈吸附試驗(yàn)。

b.相比于水煮法試驗(yàn)，凈吸附試驗(yàn)結(jié)果與水煮法試驗(yàn)結(jié)果一致，證明凈吸附試驗(yàn)具有合理性。凈吸附試驗(yàn)可以得到在相同水煮法黏附等級(jí)下瀝青與集料黏附性能的排序，能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青與集料之間的黏附性能，優(yōu)選出具有良好黏附性的瀝青-集料組合。

c.凈吸附試驗(yàn)結(jié)果顯示角閃巖與4種瀝青之間的黏附性排序?yàn)椋?0#瀝青<50#瀝青#

d.凈吸附評(píng)價(jià)方法在宏觀上是通過物質(zhì)變化對(duì)黏附性能進(jìn)行的評(píng)價(jià)，微觀上反映出加水前后瀝青-集料界面之間能量的轉(zhuǎn)移與守恒，能夠量化集料-瀝青黏附性能從不同角度揭示了集料-瀝青界面黏附機(jī)理，因此凈吸附試驗(yàn)可為開展界面的黏附失效研究做貢獻(xiàn)。