瀝青與集料黏附性試驗方法及影響因素研究

章清濤，李永振，周圣杰，楊振宇，樊 亮

（1山東高速股份有限公司，山東濟南 250101；2山東省交通科學(xué)研究院，山東濟南 250102）

瀝青路面以其優(yōu)異的性能、易維修、平整度好等特點，現(xiàn)已成為我國最主要的路面形式。瀝青路面的使用性能與瀝青混合料的路用性能息息相關(guān)［1］。瀝青、集料的各項性能和兩者之間的黏附?jīng)Q定著瀝青混合料的各項性能。現(xiàn)行規(guī)范［2］中均有明確的瀝青、集料技術(shù)指標試驗檢測方法及評價標準，雖有瀝青-集料之間的黏附性測試方法，但采用人眼觀察判斷的方法，為半定量試驗方法，定量不準確［3］。我國規(guī)范中規(guī)定表征瀝青與集料之間的黏附性方法主要為水煮水浸法、浸水馬歇爾試驗及瀝青混合料凍融劈裂試驗等。在實際工程應(yīng)用中，水煮水浸法與與實際工程相關(guān)性較差，與瀝青混合料實際受力情況相差太多，各類人員均是將水煮水浸法作為一種簡單參考，并不將其作為預(yù)判瀝青混合料性能的關(guān)鍵指標。因此，為更好地表征瀝青-集料的黏附特性，為更好地結(jié)合并指導(dǎo)實際工程，利用高科技實驗評價手段，開展瀝青-集料之間黏附特性的快速評價方法，對工程質(zhì)量的保證具有很重要的意義。

本文利用水浸法+圖像處理法、接觸角法開展不同瀝青與集料之間的黏附性研究，進行黏附等級、剝落率、黏附功等指標與瀝青混合料凍融劈裂試驗之間的相關(guān)性分析，探索黏附性與瀝青、集料指標的影響關(guān)系，以期為實際工程應(yīng)用提供能夠定量準確且快速預(yù)判瀝青混合料水穩(wěn)定性能的黏附性測試方法。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

選用四種瀝青，分別為50號瀝青、70號瀝青、90號瀝青和SBS改性瀝青。四種瀝青的技術(shù)指標見表1。

表1 瀝青技術(shù)指標Table 1 Technical indexes of asphalt

根據(jù)規(guī)范主要采用SiO2含量判斷集料的酸堿性，將SiO2的含量小于52%的集料稱為堿性集料，SiO2的含量在52%~65%之間的集料稱為中性集料，SiO2的含量大于65%的集料稱為酸性集料，選用三種化學(xué)性質(zhì)不同的集料，分別為石灰?guī)r、玄武巖和花崗巖，三種集料中的SiO2含量見表2。石灰?guī)r呈堿性、玄武巖呈中性、花崗巖呈酸性。

表2 三種集料SiO2含量Table 2 SiO2 content of three aggregates

1.2 試驗方法

（1）水浸法

水浸法試驗采用文獻［4］中的方法。對水浸法的試驗結(jié)果進行圖像采集并經(jīng)過一定的技術(shù)處理法，得到瀝青在集料上的剝落率，具體的圖像采集處理方法借鑒樊亮學(xué)者［5］的研究方法。

（2）接觸角測試

接觸角法采用躺滴法，采用德國KRUSS公司的DSA 100 接觸角測量儀，測試方法及數(shù)據(jù)處理方法參考劉延軍學(xué)者［6］的試驗方法，計算得到瀝青與集料之間的黏附功。

（3）凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗參考文獻［4］中的方法。

2 黏附性試驗結(jié)果與討論

2.1 水浸法+圖像處理法評價瀝青-集料黏附性

利用水浸法，一種是由三位技術(shù)人員采用目測法判斷瀝青與集料的黏附等級，一種是采用圖像處理技術(shù)計算得到瀝青在集料表面的剝落率，所得結(jié)果見表3。

表3 瀝青與不同集料的黏附性Table 3 Adhesion of asphalt to different aggregates

由表3可知，采用目測法時石灰?guī)r、玄武巖與SBS和90號瀝青的黏附等級相同，50號和70號瀝青與三種集料的黏附等級相同；采用圖像處理法時，每種瀝青與集料的剝落率均有明確的數(shù)值，可以準確地定量表征各種瀝青與集料的粘附性優(yōu)劣。這說明采用目測判斷的方法并不能很好的對比出同種集料與不同瀝青的粘附性差別，采用水浸法+圖像處理法得到瀝青在集料表面的剝落率，能夠準確定量表征不同瀝青與集料的黏附性優(yōu)劣。

2.2 接觸角法評價瀝青-集料黏附性

利用躺滴法，測量四種瀝青與三種集料的接觸角，計算粘附功定量評價瀝青與集料的黏附性，所得結(jié)果見表4。

表4 瀝青與集料的接觸角及黏附功Table 4 Contact angle and adhesion work of asphalt and aggregate

由表4可知，在同種瀝青條件下，不同集料的黏附性結(jié)果為石灰?guī)r>玄武巖>花崗巖。同種集料條件下，黏附性結(jié)果為50號>70號>90號>SBS。黏附功反映將瀝青從集料表面分離產(chǎn)生新界面所需要做的功，一般黏附功越大，說明兩者的黏附性越好［7］。瀝青標號越高，瀝青在集料表面的潤濕性更好，分離需要做的功越少，黏附性變差，通過量化的黏附功數(shù)據(jù)，能夠定量表征瀝青與集料之間的黏附性優(yōu)劣。

2.3 與凍融劈裂試驗相關(guān)性分析

將試驗得到的黏附等級、剝落率、黏附功，與相對應(yīng)的瀝青與集料條件下瀝青混合料凍融劈裂強度比（TSR）進行線性相關(guān)性分析，所得的方程及相關(guān)性系數(shù)見表5。

表5 三種黏附性指標與凍融劈裂強度比（TSR）的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between three adhesion indexes and freeze-thaw splitting strength ratio (TSR)

由表5可知，對于基質(zhì)瀝青，剝落率和黏附功與凍融劈裂強度比的線性相關(guān)系數(shù)遠大于黏附等級，可知通過剝落率和黏附功能很好地表征瀝青-集料的黏附性，水浸法+圖像處理法及接觸角法兩種黏附性試驗方法與瀝青混合料的水穩(wěn)定性具有很高的相關(guān)性，可以采用水浸法+圖像處理法及接觸角法預(yù)判瀝青混合料的水穩(wěn)定性的優(yōu)劣。

對于SBS改性瀝青，黏附等級、剝落率、黏附功指標與凍融劈裂強度比的線性相關(guān)系數(shù)均比較小，說明三種試驗方法在評價改性瀝青與集料黏附性均存在一定的弊端，由于瀝青-集料的黏附性與瀝青、集料的物理化學(xué)性質(zhì)均有關(guān)，故對于SBS改性瀝青與集料的黏附性評價，還需要進行瀝青組分、集料化學(xué)、界面黏附作用等機理方面的研究。

3 黏附性影響因素分析

3.1 集料SiO2含量影響

分析集料SiO2含量對兩種黏附性試驗結(jié)果的影響，以集料SiO2含量為x軸，分別以剝落率和黏附功為y軸，采用線性擬合，得到的線性方程及相關(guān)性系數(shù)如圖1、圖2及表6所示。

圖1 剝落率與集料SiO2含量相關(guān)性Fig.1 Correlation between spalling rate and SiO2 content of aggregate

圖2 黏附功與集料SiO2含量相關(guān)性Fig.2 Correlation between adhesion work and SiO2 content of aggregate

表6 剝落率、黏附功與集料SiO2含量線性方程Table 6 Linear equation between spalling rate, adhesion work and SiO2 content of aggregate

由圖1及表6可知，集料的SiO2含量越高，瀝青在集料表面的剝落率越大；不同瀝青在集料表面的剝落率與集料SiO2含量線性方程相關(guān)性系數(shù)分別為：50號瀝青0.9374、70號瀝青0.9969、90號瀝青0.9093、SBS瀝青0.7583。

由圖2及表6可知，集料的SiO2含量越高，瀝青與集料的黏附功逐漸減?。火じ焦εc集料SiO2含量線性方程相關(guān)性系數(shù)分別為：50號瀝青0.9997、70號瀝青0.9961、90號瀝青0.9995、SBS瀝青0.971。

綜合可知，集料SiO2含量與黏附性試驗結(jié)果具有很高的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)基本大于0.9，集料SiO2含量反映了集料的酸堿性化學(xué)性質(zhì)，說明瀝青、集料間的黏附與集料酸堿性化學(xué)性質(zhì)具有良好的相關(guān)性。

3.2 瀝青135℃黏度影響

分析瀝青135℃對兩種黏附性試驗結(jié)果的影響，以瀝青135℃黏度為x軸，分別以剝落率和黏附功為y軸，采用線性擬合，得到的線性方程及相關(guān)性系數(shù)如圖3、圖4及表7所示。

圖3 剝落率與瀝青135℃黏度的相關(guān)性Fig.3 Correlation between spalling rate and viscosity of asphalt at 135℃

圖4 黏附功與瀝青135℃黏度的相關(guān)性Fig.4 Correlation between adhesion work and asphalt viscosity at 135℃

表7 剝落率、黏附功與瀝青135℃黏度線性方程Table 7 Linear equation between spalling rate, adhesion work and asphalt viscosity at 135°C

由圖3及表7可知，剝落率與瀝青135℃黏度之間的相關(guān)性系數(shù)分別為：石灰?guī)r0.5106、玄武巖0.6298、花崗巖0.8681，整體上隨瀝青黏度的增大，與集料的黏附性越好。

由圖4及表7可知，黏附功與瀝青135℃黏度之間的相關(guān)性系數(shù)分別為：石灰?guī)r0.8412、玄武巖0.9283、花崗巖0.9461。

綜合可知，黏附功與瀝青135℃黏度的相關(guān)性大于剝落率，剝落率與瀝青135℃黏度的相關(guān)性較差，這說明瀝青135℃黏度對于黏附性有一定的影響，但不如集料化學(xué)性質(zhì)的影響大。

4 結(jié)論

（1）剝落率和黏附功兩個指標能夠準確定量表征不同瀝青與集料的黏附性優(yōu)劣。

（2）水浸法+圖像處理法、接觸角法兩種方法，能夠準確定量表征基質(zhì)瀝青與集料的黏附性優(yōu)劣，可用作評價基質(zhì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的試驗方法。

（3）水浸法+圖像處理法、接觸角法兩種方法，在評價改性瀝青與集料的黏附性時存在一定的弊端，仍需進一步研究開發(fā)更廣適用范圍的方法。

（4）集料的SiO2含量越高，瀝青在集料表面的剝落率越大，黏附功越小，黏附性越差；瀝青135℃黏度對于黏附性有一定的影響，但不如集料化學(xué)性質(zhì)的影響大。