溫拌膠粉改性瀝青低溫性能及其與集料黏附性分析

陳白銀霜，王 嵐，張 琪，周曉東，羅學(xué)東

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點實驗室，呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古大學(xué)創(chuàng)業(yè)學(xué)院，呼和浩特 010070； 4.內(nèi)蒙古交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010；5.廣州敏捷投資有限公司，廣州 511495)

0 引 言

瀝青路面的低溫開裂和水穩(wěn)定性一直是影響路面服役性能和使用壽命的重要因素，而瀝青自身的抗裂性能及其與集料黏附性直接影響著瀝青路面的抗裂性能和水穩(wěn)定性。為提高路面的抗裂性能和水穩(wěn)定性，眾多新型瀝青改性劑應(yīng)運而生，由于膠粉改性瀝青在路面鋪筑中表現(xiàn)出良好的高低溫和老化性能而被廣泛應(yīng)用[1-2]，但其在施工過程中卻存在高耗能和高排放等問題，針對該問題，Rodríguez-Alloza等[3]、Saberi等[4]研究發(fā)現(xiàn)加入溫拌劑不僅可以提高膠粉改性瀝青路面的低溫性能和黏附性能，還能達(dá)到節(jié)能減排、延長瀝青路面使用壽命的效果。大量研究表明，瀝青路面的開裂主要是瀝青自身的開裂以及與集料界面的開裂，目前對瀝青低溫力學(xué)性能及其與集料黏附性能的研究主要通過彎曲梁流變(bending beam rheological, BBR)試驗、拉拔試驗、拉脫試驗與接觸角測量等宏觀試驗手段，徐加秋等[5]采用BBR試驗研究溫拌劑對瀝青膠結(jié)料低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及以下?lián)搅康臏匕鑴ζ涞蜏亓W(xué)性能有較大的提升。李海蓮等[6]通過接觸角試驗并結(jié)合表面能理論對老化前后溫拌乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性瀝青(溫拌SBS改性瀝青)的水敏感性及其與集料的黏附性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)老化會導(dǎo)致SBS改性瀝青的表面能持續(xù)降低，而溫拌瀝青的總表面能及其分量與原樣瀝青相比呈下降趨勢，溫拌劑有效改善了SBS結(jié)合料應(yīng)用過程中的黏附性。原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)在觀測瀝青微觀形貌的同時也可測試其微觀力學(xué)性能。常睿等[7]利用AFM研究發(fā)現(xiàn)，相比于基質(zhì)瀝青，膠粉改性瀝青的微觀力學(xué)指標(biāo)黏附力、Derjaguin-Muller-Toporov(DMT)模量等均有不同程度的增加，表明膠粉改性瀝青的微觀力學(xué)特性得到改善；李波[8]對溫拌瀝青微觀形貌和黏附性之間的關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，采用AFM評價瀝青黏附性具有一定可靠性。

目前對瀝青的低溫抗裂特性、瀝青-集料界面黏附性主要是以單一宏觀試驗或微觀試驗為主，對溫拌膠粉改性瀝青(warm mix crumb rubber powder modified asphalt, WCR)采取宏微觀結(jié)合方式的研究較少，故本文將運用宏微觀試驗相結(jié)合的方法分析WCR的低溫抗裂性能和黏附特性。瀝青的老化在路面施工和服役過程中不可避免，因此將熱拌膠粉改性瀝青(hot mix crumb rubber powder modified asphalt, HCR)、WCR進(jìn)行老化處理，運用BBR試驗和接觸角試驗，同時結(jié)合AFM測試的微觀形貌圖與DMT模量，探究老化前后瀝青的低溫開裂變化規(guī)律，且將基于接觸力學(xué)Johnson-Kendall-Roberts(JKR)模型得到的瀝青表面能、黏附功分別與接觸角試驗求得的表面能、黏附功進(jìn)行對比分析，探究其宏微觀性能的聯(lián)系以及長、短期老化對瀝青-集料黏附性的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

選用花崗巖、石灰?guī)r、玄武巖作為接觸角試驗研究對象，其主要化學(xué)成分見表1。選用盤錦90#基質(zhì)瀝青，60目(0.3 mm)膠粉，山東交科院自主研發(fā)的SDYK型表面活性劑的溫拌劑，課題組[9]前期研究確定膠粉改性劑和溫拌劑的最佳摻量分別為瀝青質(zhì)量的20%和0.6%，表面活性劑技術(shù)指標(biāo)見表2，膠粉技術(shù)指標(biāo)見表3。

表1 集料的pH值及主要化學(xué)成分Table 1 pH value and main chemical composition of aggregate

表2 表面活性劑技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indexes of surfactants

表3 膠粉技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of crumb rubber powder

1.2 溫拌膠粉改性瀝青的制備

稱取定量基質(zhì)瀝青加熱至140 ℃，將膠粉按量分次加入到熱瀝青中，攪拌并逐步升溫至180～190 ℃，直至膠粉完全加入后維持狀態(tài)30 min，再將稱取好的表面活性劑SDYK加入到制備好的膠粉改性瀝青中，邊攪拌邊加入，溫度為150～160 ℃，剪切速率小于700 r/min，剪切5 min，至溫拌劑完全溶解，分散均勻。

1.3 老化試驗

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFO)和壓力老化儀(PAV)在室內(nèi)分別模擬短期和長期老化，以獲得不同老化條件的HCR及WCR樣品，其中RTFO試驗條件為老化溫度(163±0.5) ℃下保持1.5 h，PAV試驗條件為壓力(2.1±0.1) MPa,溫度達(dá)到(95±0.5) ℃后持續(xù)升溫至(100±0.5) ℃保持20 h。老化前后基質(zhì)瀝青與兩種膠粉改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 老化前后90#基質(zhì)瀝青與膠粉改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical indicators of 90# base asphalt and crumb rubber powder modified asphalt before and after aging

1.4 BBR試驗

對老化前后的HCR及WCR進(jìn)行BBR試驗，試驗溫度為-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃和-30 ℃，每種瀝青做三組平行試樣，數(shù)據(jù)差異較大時增加試驗次數(shù)，最終彎曲蠕變勁度(S)和蠕變速率(m)值取三組試驗的平均值。

1.5 接觸角測量

選取已知表面能參數(shù)的蒸餾水、丙三醇、甲酰胺三種測試液體，運用XG-CAM型接觸角儀分別對老化前后的瀝青與石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖三種集料進(jìn)行接觸角測量，三種測試液體表面能參數(shù)，如表5所示。每種瀝青與集料做三組平行試件，最終取三次測試結(jié)果平均值作為接觸角值。

表5 測試液體表面能參數(shù)Table 5 Surface energy parameters of test liquid /(mJ·m-2)

1.6 AFM試驗

采用Bruker Moutilmode 8原子力顯微鏡，選用Bruker Rtespa-150探針，掃描頻率0.977 Hz，掃描范圍20 μm×20 μm，在AFM-QNM模式下對老化前后的HCR及WCR的AFM試樣進(jìn)行形貌和力學(xué)性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 BBR試驗結(jié)果分析

對原樣、短期和長期老化的HCR和WCR進(jìn)行BBR試驗，以試件加載60 s時的彎曲蠕變勁度(S)和蠕變速率(m)作為瀝青低溫性能評價指標(biāo)。S值越小、m值越大，表明瀝青低溫柔性、應(yīng)力松弛能力越好，即HCR與WCR的低溫抗裂性能越好，S、m值如圖1所示，圖中U為Unaged，R為RTFO，P為PAV。

由圖1可知，隨老化程度的加深和溫度的降低，兩種膠粉改性瀝青的S值均增大，m值均減小。相同溫度和老化條件下，S和m值的整體規(guī)律基本表現(xiàn)為：WCR 的S值小于HCR，而m值大于HCR。但經(jīng)長期老化后，HCR在-12 ℃時的m值卻大于WCR，這是由于瀝青的低溫變形能力同時受由溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)力松弛能力所影響，單憑m和S值判定其低溫抗裂性能存在一定的局限性[10]。為更好地評價溫拌膠粉改性瀝青的低溫抗裂性能，采用m/S作為評價指標(biāo)。m/S值可以表征荷載作用下，瀝青的低溫抗變形能力，m/S值越小，瀝青抗裂性能越差，反之越好。老化前后WCR和 HCR的m/S值如圖2所示。

由圖2可知：(1)長、短期老化后，WCR和HCR的m/S值減小，未老化>短期老化>長期老化，說明膠粉改性瀝青經(jīng)歷長、短期老化后低溫抗裂性能降低；(2)隨著溫度的升高，兩種膠粉改性瀝青的m/S值不斷增大，這是由于低溫條件下的瀝青分子鏈幾乎被凍結(jié)，呈現(xiàn)玻璃態(tài)[11]，不能迅速移動或重新取向；(3)相同條件下，WCR的m/S值大于HCR。表明WCR的低溫抗裂性能優(yōu)于HCR。原因是瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)中含有大量可以發(fā)生較強(qiáng)分子間相互作用的活性位[12]，表面活性劑本質(zhì)是一種陽離子表面活性劑，與瀝青質(zhì)中活性位(—CH2)n支鏈相互作用，使得穩(wěn)定的(—CH2)n支鏈數(shù)量增多，即柔性支鏈小分子增加，使低溫流變性能增強(qiáng)[13]。

圖1 老化前后兩種膠粉改性瀝青的S和m值Fig.1 S and m values of two crumb rubber powder modified asphalt before and after aging

圖2 老化前后WCR和 HCR的 m/S值Fig.2 m/S value of WCR and HCR before and after aging

2.2 接觸角測量結(jié)果分析

表面能可定義為在真空中增加單位表面積時所做的功，可利用酸堿理論進(jìn)行相關(guān)計算。材料表面能與各分量關(guān)系見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

對于固液界面，其界面表面能(γSL)為：

(3)

結(jié)合Young方程(γS=γSL+γLcosθ)可得：

(4)

則瀝青與集料黏附功(Wab)的表達(dá)式為：

(5)

將測量的接觸角θ值，結(jié)合已知探針液體參數(shù)，計算不同種類瀝青和集料的表面能及其分量，如表6所示。

表6 瀝青和集料的表面能參數(shù)Table 6 Surface energy parameters of asphalt and aggregate /(mJ·m-2)

2.2.1 瀝青的表面能及黏聚性分析

由表6可知，不同老化條件下，HCR和WCR的表面能處于20～25 mJ·m-2之間，兩者的色散分量(非極性分量)和表面能均隨著老化程度的加深而減小。這是因為瀝青中的飽和分是含環(huán)烷烴和含支鏈的烷烴的混合物，芳香分由含S衍生物和芳香烴組成，輕組分都呈現(xiàn)非極性，而膠質(zhì)由含S、O、N的衍生物和多環(huán)芳香烴組成，瀝青質(zhì)主要由含S、O、N的衍生物和復(fù)雜的芳香環(huán)組成，重組分都表現(xiàn)為極性[14-15]，在老化的過程中，輕組分向重組分轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致瀝青中非極性物質(zhì)減少，極性物質(zhì)增多，從而表現(xiàn)出老化后瀝青的色散分量減小，極性分量增大，故老化程度越深，瀝青的表面能越小。同種老化條件下，HCR的表面能均小于WCR，是由于SDYK型溫拌劑的加入使膠粉顆粒在瀝青中發(fā)生較為強(qiáng)烈的溶脹、脫硫、降解反應(yīng)，瀝青與膠粉顆粒的相容性增強(qiáng)，產(chǎn)生穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)，削弱了長、短期老化的負(fù)面影響[16]，使得膠粉改性瀝青的抗老化性能增強(qiáng)，極性分量增大，表面能增大。HCR、WCR經(jīng)短期老化后γa的變化率分別為6.49%、4.69%，經(jīng)長期老化后γa的變化率分別為11.36%、7.98%，WCR的整體變化率小于HCR，表明老化對WCR的表面能影響較小。表面能越大，表明瀝青的浸潤性越強(qiáng)，瀝青的黏附性就越好，因此老化前后的WCR與集料間的黏附性優(yōu)于HCR。

材料內(nèi)聚功可定義為真空中材料內(nèi)部產(chǎn)生單位面積裂紋所需的功，瀝青內(nèi)聚力的強(qiáng)弱決定了其抗裂性能的高低。通過對老化前后HCR及WCR進(jìn)行接觸角測量，并計算其內(nèi)聚功，進(jìn)一步驗證瀝青的低溫抗裂性能。瀝青內(nèi)聚功利用式(6)進(jìn)行計算。

(6)

式中：Waa為瀝青單位面積的內(nèi)聚功。

圖3 老化前后HCR和WCR內(nèi)聚功Fig.3 Cohesion work of HCR and WCR before and after aging

依據(jù)公式(6)計算老化前后HCR和WCR的內(nèi)聚功，結(jié)果如圖3所示。不同老化程度下瀝青內(nèi)聚功變化量與變化率如表7所示。

根據(jù)表面能理論，瀝青內(nèi)聚功越大，內(nèi)聚力也越大，表明其抗裂性能越好。結(jié)合圖3與表7可知:隨老化程度的加深，兩種瀝青的內(nèi)聚功均減??；但WCR的內(nèi)聚功始終大于HCR，與未老化相比，長、短期老化后WCR的內(nèi)聚功衰減幅度均小于HCR。這說明老化作用使兩種瀝青的內(nèi)聚力均減小，黏聚性變差，導(dǎo)致抗裂性能下降，長期老化作用效果更明顯；而WCR比HCR具有更好的抗裂和抗老化性能。這與BBR試驗指標(biāo)m/S值的規(guī)律相一致，可以判斷利用內(nèi)聚功評價瀝青抗裂性能有一定可靠性。

表7 不同老化程度下瀝青內(nèi)聚功變化量與變化率Table 7 Variation and change rate of cohesion work of asphalt under different aging degrees

2.2.2 瀝青與集料黏附性分析

在瀝青混合料中，瀝青與集料間黏附性的強(qiáng)弱決定了瀝青與集料界面抗裂性能的高低，根據(jù)式(5)，將瀝青與集料的表面能與各分量代入便可得到老化前后瀝青-集料界面體系的黏附功，如圖4所示。

圖4 老化前后瀝青-集料界面體系的黏附功Fig.4 Adhesion work of asphalt-aggregate interface system before and after aging

由圖4可知:同種試驗條件下，WCR-集料(石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖)的黏附功大于HCR-集料；老化后，兩種瀝青-集料的黏附功均減小，說明兩種改性瀝青經(jīng)老化后與集料的黏附性均下降，且老化前后WCR與集料的黏附性均強(qiáng)于HCR，即老化降低了HCR-集料界面抗開裂能力，而對WCR-集料的界面抗裂性能影響較小。這是由于在老化過程中，瀝青中的組分會按照由飽和分、芳香分轉(zhuǎn)向膠質(zhì)，再由膠質(zhì)向瀝青質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，使得膠質(zhì)/瀝青質(zhì)之值不斷減小[17]，瀝青彈性性能增強(qiáng)，黏性性能下降[18]，導(dǎo)致瀝青-集料的黏附性逐漸減??；而WCR中的表面活性劑分子由極性親水基團(tuán)和非極性親油基團(tuán)構(gòu)成，可一端與瀝青牢固結(jié)合的同時另一端與集料牢固結(jié)合[19]，增強(qiáng)瀝青裹覆集料的能力，從而提高瀝青與集料的黏附性。對比相同條件下三種集料與兩種瀝青的黏附功發(fā)現(xiàn)，其黏附功排序為石灰?guī)r>玄武巖>花崗巖，石灰?guī)r較玄武巖和花崗巖的表面能大，吸附瀝青能力較強(qiáng)，并且石灰?guī)r屬于堿性集料，堿性集料表面存在較多的堿性活動中心[20]，其與瀝青中的酸酐反應(yīng)生成某種不溶于水的化合物，從而增大了集料與瀝青的黏附性，而玄武巖為弱堿性集料，花崗巖為酸性集料，其表面的堿性活動中心較少，因此瀝青與玄武巖和花崗巖間黏附性較差。

表8為依據(jù)圖4結(jié)果計算的瀝青與集料老化前后的黏附功變化率，可見，無論哪種集料，老化前后WCR-集料的Wab變化率均小于HCR-集料，表明表面活性劑的摻入可減弱老化作用對瀝青與集料體系的不良影響，提高了膠粉瀝青的抗老化能力。

表8 老化前后瀝青與集料黏附功變化率Table 8 Change rate of adhesion work between asphalt and aggregate before and after aging

2.3 AFM試驗分析

2.3.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

瀝青材料微觀尺度的相態(tài)力學(xué)性能直接影響其宏觀力學(xué)性能，因此利用AFM-QNM模式對瀝青微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，進(jìn)一步從微觀層面解釋瀝青的宏觀性能。圖5、圖6分別為老化前后HCR、WCR的二維與三維形貌圖。由圖5可知，老化前后，HCR在二維圖中均未出現(xiàn)基質(zhì)瀝青中的蜂形結(jié)構(gòu)，而出現(xiàn)均勻分布的黑白斑點結(jié)構(gòu)，說明膠粉的加入破壞了原有的蜂形結(jié)構(gòu)。這是由于膠粉顆粒會吸附瀝青中大量輕質(zhì)組分和蠟分，使得用來結(jié)晶形成蜂形結(jié)構(gòu)的蠟分較少，同時膠粉以微粒或鏈狀形式均勻分散在瀝青中，使得瀝青質(zhì)無法大規(guī)模團(tuán)聚，瀝青質(zhì)分散狀況良好，難以形成體積巨大、明顯的蜂形結(jié)構(gòu)，故出現(xiàn)了像黑白斑點一樣的類似結(jié)構(gòu)[7]。研究[21]表明，三維圖中峰谷結(jié)構(gòu)聚集狀態(tài)主要受瀝青分子運動能力影響，HCR在短期老化后，其二維形貌圖變化較小，而經(jīng)歷長期老化后，其黑白斑點結(jié)構(gòu)數(shù)量明顯增多，三維圖中峰谷結(jié)構(gòu)尺寸更小、更密?？梢酝茰y這是由不同狀態(tài)瀝青的分子擴(kuò)散能力不同所造成的，老化后的瀝青變硬，分子運動能力較弱，極性成分聚集受阻，故峰谷結(jié)構(gòu)尺寸更小，數(shù)量更多，而長期老化中出現(xiàn)的突起高峰，可能是雜質(zhì)干擾導(dǎo)致。加入表面活性劑后，如圖6所示，在二維形貌圖中出現(xiàn)圓形亮片結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為WCR在拌和過程中，SDYK型表面活性劑中的親水基和親油基通過新的排列形成的具有潤滑作用的結(jié)構(gòu)性水膜[22]。水膜均勻分散在瀝青中起到潤滑作用，使分子流動性增強(qiáng)，因而WCR的低溫流變性能較優(yōu)。隨著老化程度的加深，圓形亮片結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨y理狀結(jié)構(gòu)，其高程極值也在逐漸減小，分析認(rèn)為這是由于老化過程中溫度較高，瀝青流動性能增大，逐漸將其表面坑洞填滿，同時高溫使得表面活性劑分子鏈被破壞并重組，呈現(xiàn)均一化趨勢。而其三維形貌圖峰谷分布一直比較均勻，這是由于表面活性劑分子重組自發(fā)形成了有序的聚集體結(jié)構(gòu)，即如圖6所示的白色紋理狀結(jié)構(gòu)。依據(jù)膠體理論分析，膠體分散得越均勻其宏觀性能將會越優(yōu)異，這也印證了WCR較HCR有更優(yōu)良的宏觀力學(xué)性能。

2.3.2 微觀力學(xué)性能分析

依據(jù)AFM-QNM模式對瀝青表面進(jìn)行微觀力學(xué)測試，利用得到的DMT模量與黏附力從微觀層面對瀝青進(jìn)行力學(xué)特性分析。模量作為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重要參數(shù)，可反映瀝青的變形能力；黏附力可反映瀝青與集料界面的黏附特性，從而進(jìn)一步探究瀝青微觀層面與宏觀性能的聯(lián)系。通過NanoScope Analysis分析軟件導(dǎo)出試件DMT模量與黏附力數(shù)據(jù)，繪制DMT模量與黏附力統(tǒng)計直方圖。

圖7為DMT模量和黏附力統(tǒng)計直方圖，縱坐標(biāo)表示模量或黏附力出現(xiàn)的頻率，圖像服從正態(tài)分布，依據(jù)正態(tài)分布期望公式(7)對所有數(shù)據(jù)點進(jìn)行計算，得到掃描范圍內(nèi)的DMT模量與黏附力均值，如圖8、圖9所示。

E(ξ)=X1P1+X2P2+…+XnPn

(7)

式中：E(ξ)代表期望；X代表DMT模量或黏附力；P代表頻率。

圖5 老化前后HCR的二維、三維微觀形貌圖Fig.5 Two-dimensional and three-dimensional micro-topography of HCR before and after aging

圖6 老化前后WCR的二維、三維微觀形貌圖Fig.6 Two-dimensional and three-dimensional micro-topography of WCR before and after aging

圖7 DMT模量與黏附力統(tǒng)計直方圖Fig.7 Statistical histogram of DMT modulus and adhesion force

圖8 老化前后兩種瀝青的DMT模量Fig.8 DMT modulus of two asphalts before and after aging

圖9 老化前后兩種瀝青的黏附力Fig.9 Adhesion force of two asphalts before and after aging

由圖8、9可知:隨著老化程度的加深，HCR與WCR的DMT模量增大，黏附力減?。焕匣昂骔CR的DMT模量均小于HCR，而黏附力均大于HCR。這說明老化后瀝青變硬，同時黏附性下降，而表面活性劑的摻入使瀝青模量降低，柔性增強(qiáng)，且與硅探針黏附力增大。這一結(jié)論與瀝青BBR宏觀試驗表現(xiàn)相一致。

2.3.3 基于接觸力學(xué)的黏附性及表面能分析

JKR理論模型能夠較好地模擬AFM探針與具有較高黏附性瀝青的表面接觸，Johnson等[23]根據(jù)表面能理論對Hertz理論進(jìn)行完善，得到了JKR接觸力學(xué)模型，可得到黏附功與黏附力的關(guān)系，如式(8)所示。

(8)

式中：F、Wmn分別為瀝青與探針的黏附力與黏附功；R為探針針尖的當(dāng)量曲率半徑。基于Fowker模型(見式(9))以及黏附功與表面能色散分量的關(guān)系(見式(10))，可建立黏附功與表面能的關(guān)系式。

(9)

(10)

對于瀝青而言，根據(jù)相關(guān)研究可近似將黏附功表達(dá)式轉(zhuǎn)換為：

(11)

根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)可知探針表面能γn為1 389.99 mJ·m-2，探針針尖的當(dāng)量曲率半徑為20 nm，由式(8)得出黏附功，結(jié)合式(11)求得瀝青的表面能，如表9所示。

表9 瀝青與探針的黏附功及表面能Table 9 Adhesion work and surface energy of asphalt and probe

由表9可知，利用JKR模型與宏觀接觸角試驗得到的黏附功及表面能隨著不同條件變化的規(guī)律具有一致性，但兩者表面能在數(shù)值上有一定差異，分析認(rèn)為這是由于為簡化計算微觀表面能未考慮極性分量，因此γm較γa整體偏小，計算所得Wmn數(shù)值偏大。HCR、WCR經(jīng)短期老化后γm的變化率分別為22.68%、17.61%，經(jīng)長期老化后γm的變化率分別為50.36%、40.77%，相比于宏觀試驗老化前后的表面能變化率其整體偏大。這是由于AFM測試的是納米級別的點對點接觸，老化前后微觀峰谷結(jié)構(gòu)的明顯變化，使得瀝青表面逐漸變得粗糙，在一定程度上影響瀝青表面能的變化，WCR由于在老化作用下的三維峰谷結(jié)構(gòu)變化較小，故其變化率整體小于HCR。

2.4 宏微觀試驗結(jié)果相關(guān)性分析

圖10 瀝青DMT模量與m/S的關(guān)系Fig.10 Relationship between DMT modulus and m/S of asphalt

對比分析BBR試驗與AFM試驗發(fā)現(xiàn)，宏觀指標(biāo)m/S與微觀DMT模量都可以評價瀝青在外力作用下的抗變形能力，雖試驗條件不同，但其具有一致性，因此對兩種尺度下的評價指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。瀝青DMT模量與m/S的關(guān)系如圖10所示，老化前后兩種瀝青的DMT模量與-12 ℃下m/S值的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.87，可以認(rèn)為瀝青的宏微觀力學(xué)特性有較好的聯(lián)系，表明瀝青的微觀性能對其宏觀性能有較大的影響。

對比分析接觸角試驗與AFM試驗發(fā)現(xiàn)，宏微觀尺度下的黏附功與表面能雖數(shù)值有一定差異，但其處于同量級，為進(jìn)一步探究兩種尺度下力學(xué)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，對其進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表10。

表10 微觀指標(biāo)與宏觀指標(biāo)相關(guān)性分析Table 10 Correlation analysis of micro-indicators and macro-indicators

由表10可知:γm與γa有很好的相關(guān)性，R2達(dá)到0.884，故微觀層面采用JKR模型計算的表面能數(shù)值具有一定可靠性；Wmn與宏觀試驗得到的瀝青與三種不同集料的黏附功均呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性，R2均大于0.86，而與花崗巖和玄武巖的Wab相關(guān)系數(shù)更是達(dá)到0.90以上。由表1可知玄武巖和花崗巖的主要成分為SiO2，石灰?guī)r的主要成分為CaCO3。在AFM試驗中，AFM探針主要材質(zhì)為單晶硅，故對瀝青與花崗巖、玄武巖黏附特性的模擬度高于石灰?guī)r。綜合上述分析發(fā)現(xiàn)，宏微觀力學(xué)指標(biāo)間具有明顯的相關(guān)性，瀝青宏微觀黏附特性變化規(guī)律呈現(xiàn)一致性，瀝青微觀力學(xué)性能可直接影響其宏觀力學(xué)性能。

3 結(jié) 論

(1)對比分析瀝青m/S值、內(nèi)聚功發(fā)現(xiàn)，老化使兩種改性瀝青低溫流變性能及自身抗裂性能下降，而WCR的低溫抗裂性能與抗老化能力均優(yōu)于HCR。

(2)隨著老化程度的加深，瀝青與集料體系的黏附性均降低，同種集料黏附性大小表現(xiàn)為WCR>HCR；同種瀝青黏附性表現(xiàn)為石灰?guī)r>玄武巖>花崗巖。

(3)宏微觀試驗結(jié)合發(fā)現(xiàn)，兩種改性瀝青的表面能、黏附功變化規(guī)律一致，具有較強(qiáng)的相關(guān)性，表明材料的微觀力學(xué)性能直接影響其宏觀力學(xué)性能。