細(xì)集料瀝青混合料的界面失效機(jī)制評價(jià)

王江龍

（山西振興公路監(jiān)理有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

細(xì)集料瀝青混合料廣泛應(yīng)用于隧道進(jìn)出口抗滑磨耗層、機(jī)場道面罩面層等[1-2]。細(xì)集料瀝青混合料界面問題是混合料微觀層面研究的重點(diǎn)[3]。探明細(xì)集料瀝青混合料界面失效機(jī)制并提高細(xì)集料瀝青混合料內(nèi)部瀝青-集料界面黏附性是延長細(xì)集料瀝青混合料路面材料使用壽命的關(guān)鍵。

細(xì)集料瀝青混合料界面破壞形式主要有兩種：一種是集料與瀝青界面的黏附失效；一種是瀝青與瀝青界面的黏聚失效[4]。對于細(xì)集料瀝青混合料的界面失效機(jī)制而言，近年來研究重心已轉(zhuǎn)移到微觀-介觀-宏觀多尺度方向，產(chǎn)生了一種具有代表性的多尺度評價(jià)方法。周新星[5]借助分子模擬與實(shí)驗(yàn)多尺度分析了不同集料類型對細(xì)集料瀝青混合料界面黏附性的影響。Vasconcelos等[6]研究了水分在細(xì)集料瀝青混合料中的擴(kuò)散，認(rèn)為水的擴(kuò)散取決于瀝青在水中的暴露時(shí)間。Ding等[7]以廢舊瀝青混合料為研究對象，通過分析細(xì)集料瀝青混合料的疲勞指數(shù)，評價(jià)其對再生廢舊瀝青混合料疲勞特性的影響。本文對細(xì)集料瀝青混合料的研究則主要集中在細(xì)集料瀝青混合料的界面失效機(jī)制及黏附驅(qū)動力。

1 原料與方法

1.1 原材料

試驗(yàn)選用90號瀝青作為主要原材料，其基本參數(shù)軟化點(diǎn)為44.5℃、針入度為85 dmm（25℃）、延度大于150 cm（15℃）。集料分別為玄武巖、安山巖、鋼渣，集料特性均滿足JTG E42—2019公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 試驗(yàn)方法

以太原市紫外年平均輻照強(qiáng)度為依據(jù)，采用紫外老化輻照1年的紫外輻照強(qiáng)度模擬紫外老化砂漿。依據(jù)JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程中T0729—2000制備水損壞砂漿。

細(xì)集料瀝青混合料級配采用國際稀漿封層AC-5規(guī)定。細(xì)集料瀝青混合料的油石比為7.5。集料物相組成測試采用X射線衍射儀。砂漿形貌和微區(qū)元素組成測試分別采用日立掃描電子顯微鏡和能譜儀。

1.3 細(xì)集料瀝青混合料的分子模擬

瀝青的分子模型采用瀝青質(zhì)、飽和分、芳香分和油分四組份表示，分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 瀝青分子結(jié)構(gòu)

瀝青模型根據(jù)四組分測試結(jié)果確定。集料模型根據(jù)XRD測試結(jié)果確定，如圖2所示。通過Layer模塊構(gòu)建細(xì)集料瀝青混合料界面分子模型。

圖2 細(xì)集料粉末衍射圖譜

采用公式（1）所示能量差E能量差來評價(jià)細(xì)集料瀝青混合料的界面失效形式：

定義E能量差＞0為黏聚失效，E能量差＜0為黏附失效。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿的界面元素組成和失效形式

如圖3所示，玄武巖、安山巖和鋼渣細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿的能譜結(jié)果顯示，玄武巖細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿含有部分無機(jī)非金屬氧化物和大量的有機(jī)高分子，具體包括瀝青、氧化鎂和二氧化硅等。安山巖細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿含有瀝青、碳酸鈣、氧化鎂、氧化硅等。鋼渣細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿中含有大量的瀝青，少量的碳酸鈣、氧化鎂等。細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿選取元素中鋼渣細(xì)集料瀝青混合料砂漿的瀝青含量最多；玄武巖細(xì)集料瀝青混合料砂漿的瀝青含量其次；安山巖細(xì)集料瀝青混合料砂漿的瀝青含量最少。由此可知，鋼渣細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿的界面失效形式主要為黏聚失效，玄武巖細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿的界面失效形式主要為黏聚失效，安山巖細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿的界面失效形式主要為黏附失效。

圖3 不同細(xì)集料類型瀝青混合料中瀝青砂漿的能譜分析

如圖4所示，未老化的玄武巖細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿含有碳、氧、鎂、硅元素，紫外老化的細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿含有碳、氧、鎂、鈣、硫元素，水損害的細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿含有碳、氧、鎂、硅、硫元素。由此可知，紫外老化和水損害導(dǎo)致細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿的黏聚失效。

圖4 不同環(huán)境下細(xì)集料瀝青混合料中瀝青砂漿能譜分析

2.2 細(xì)集料瀝青混合料的界面失效機(jī)制

如圖5所示，玄武巖和安山巖細(xì)集料瀝青混合料的能量差小于0，而鋼渣細(xì)集料瀝青混合料能量差大于0。由此可知，玄武巖和安山巖細(xì)集料瀝青混合料的界面失效機(jī)制為黏附失效；鋼渣細(xì)集料瀝青混合料的界面失效機(jī)制為黏聚失效。玄武巖細(xì)集料瀝青混合料在不同老化程度下的能量差都小于0，且幅度隨老化程度的增加而增大。結(jié)果表明：不同老化程度下玄武巖細(xì)集料瀝青混合料的界面失效機(jī)制均為黏附失效，只是失效難易程度有所增減。

圖5 細(xì)集料瀝青混合料的能量差

2.3 細(xì)集料瀝青混合料的界面黏附驅(qū)動力

如表1所示，細(xì)集料瀝青混合料的動能和勢能要大于非鍵能，而勢能又大于動能。結(jié)果表明，勢能是細(xì)集料瀝青混合料界面黏附性的主要驅(qū)動力。對于勢能而言，可分為：共價(jià)能（縱向）、共價(jià)能（橫向）、非鍵能；其中，共價(jià)能（diag.terms）主要包括鍵能、角能和彎曲能；共價(jià)能（cross.terms）主要包括鍵伸縮能、轉(zhuǎn)動伸縮能和彎曲轉(zhuǎn)動能；非鍵能主要包括范德華力和電能。共價(jià)能（縱向）、共價(jià)能（橫向）、非鍵能分別由鍵能、轉(zhuǎn)動伸縮能、范德華力主導(dǎo)，但是，共價(jià)能（diag.terms）是主要驅(qū)動力。角能和范德華力是黏附驅(qū)動力的主要控制指標(biāo)；共價(jià)能（diag.terms）是細(xì)集料瀝青混合料黏附性驅(qū)動勢能中的主要作用力。

表1 細(xì)集料瀝青混合料的界面黏附驅(qū)動力 kcal/mol

3 結(jié)語

通過對細(xì)集料瀝青混合料界面失效機(jī)制的研究，主要得出以下結(jié)論：

a）玄武巖和安山巖細(xì)集料瀝青混合料界面失效由黏附失效主導(dǎo)，鋼渣瀝青混合料界面失效由黏聚失效占主導(dǎo)；紫外老化和水損害都會在一定程度上弱化細(xì)集料瀝青混合料界面間的黏附性，而且水損害對其黏附性損害程度更嚴(yán)重。

b）共價(jià)能是細(xì)集料瀝青混合料界面失效的主要驅(qū)動力；角能和范德華力是黏附驅(qū)動力的主要控制指標(biāo)。

c）分子模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果具有很好的吻合性，模擬結(jié)果可以定性分析細(xì)集料瀝青混合料界面失效機(jī)制。