基于拉拔試驗的瀝青粘附性能測試方法研究

摘要：為進一步完善瀝青材料粘附性能測試，文章以多種基質瀝青和SBS改性瀝青為研究對象，利用拉拔試驗對試驗準備和測試過程中的三個核心參數(shù)——加載速率、瀝青膜厚度和試件成型溫度開展了系統(tǒng)性的研究。結果表明：測得的粘附強度隨加載速率的增加而增加，0.7 MPa/s的加載速率下測得的粘附強度誤差最??；由于瀝青的延遲彈性變形，瀝青膜厚度越大，測得的粘附強度越小，綜合考慮試驗誤差和延遲變形的影響，瀝青膜厚度宜設置為0.2 mm；試件成型溫度越高，瀝青材料的流動越好，瀝青越能與集料表面接觸，所測得的粘附強度也就越大。結合工程實際，試件成型溫度應當與拌和溫度一致，即基質瀝青的成型溫度約為150 ℃，SBS改性瀝青的成型溫度約為170 ℃。

關鍵詞：道路工程；拉拔試驗；粘附性能

中文分類號：U416.03A361143

0引言

瀝青材料與集料之間的粘附性能對瀝青路面的力學性能極為重要［1-3］，例如抗剝落和抗水損害性能，這將直接影響其耐久性。在車輛荷載、凍融循環(huán)及水的剝離作用下，瀝青-集料之間的粘附作用會逐漸失效，從而導致剝落。目前瀝青與集料體系粘附性評價方法繁多，例如水煮法［4］、表面能試驗［5］、拉拔試驗［6］等。其中拉拔試驗在評價瀝青-集料粘附性方面近年來在國內外被大量研究與推廣，其具有設備便攜性好、試件制備及試驗流程簡便、測試指標量化等優(yōu)點，但是暫未有對拉拔試驗研究中的關鍵試驗參數(shù)展開系統(tǒng)性的研究。

本研究針對拉拔試驗中的加載速率、瀝青膜厚度和試件成型溫度展開系統(tǒng)性的研究，從而確定最優(yōu)試驗參數(shù)，以確保拉拔試驗用于瀝青粘附性能測試時能夠具備較好的準確性與材料區(qū)分度，為瀝青粘附性能測試方法的研究與推廣提供一定的參考依據(jù)。

1試驗材料與方法

1.1瀝青

為了明確拉拔試驗在用于粘附性能測試時的最優(yōu)試驗參數(shù)，同時驗證該方法的材料區(qū)分度，本研究選取了多種基質瀝青以及多種SBS改性瀝青作為研究對象，在驗證方法區(qū)分度的同時也探究了改性劑的影響。本研究采用的所有瀝青及其制備工藝如表1所示，其中所有改性瀝青的基質瀝青均為ESSO 70#，改性劑摻入方式均為外摻。

1.2集料底座

在實際工程中，玄武巖是修建公路、鐵路、機場跑道所用石料中應用最多且最具有代表性的集料，因此拉拔試驗中的集料底座均采用了易于購買且貼近工程實際的玄武巖石板，其尺寸為100 mm（長）×100 mm（寬）×10 mm（厚），表面采用1 000拋光值的磨光工序。

1.3試驗儀器與器材

本研究所采用的拉拔儀器為美國DeFelsko公司生產的PosiTest AT-A全自動數(shù)字顯示拉拔式附著力測試儀。該儀器具有價格低，操作簡單的特點，且在國內已有成熟代理商。在試驗中，顯示器顯示的數(shù)值為將單位面積的瀝青從底座分離所需要的最大拉力，測量范圍為0～20 MPa。儀器利用其內部的液壓泵來進行加壓，壓力系統(tǒng)均經(jīng)過NIST校準，精度能夠達到±1%，且可以自行設置加載速率。

如圖1所示為拉拔試驗所用拔頭。為了控制拉拔試驗中的瀝青膜厚度，將拔頭底部進一步加工成環(huán)形凹槽，內徑為18 mm，外徑為20 mm，凹槽的深度根據(jù)需求自行加工。本研究加工了凹槽深度分別為0.1 mm、0.2 mm、0.4 mm和0.8 mm的拔頭。在試件成型時，將拔頭水平放置在高溫下自流平的瀝青上，拇指稍微施加壓力，多余的瀝青即可從四個凹槽開口處（溢流孔）流出，因此凹槽深度決定了瀝青膜厚度。

此外，由于瀝青與硅膠是互不粘結的，因此在瀝青類試驗中常常采用硅膠用具來輔助成型試件。在本試驗中，在成型階段需要用到硅膠墊，其內徑略微大于拔頭底部的外徑，為21 mm。其作用是為成型時拔頭底部溢流出的多余瀝青提供側限，使得多余瀝青只能向上流動，而非向四周流動，進而保證瀝青與集料粘附的面積控制在與拔頭面積近似的范圍內。如圖2所示。

1.4試驗方案

1.4.1基于拉拔試驗的粘附性能測試

首先將瀝青、經(jīng)過清洗的拔頭、集料底座及藥匙放入烘箱中加熱1 h，使得瀝青具有充分的流動性，同時能夠讓石板內部孔隙中的水分充分蒸發(fā)。利用藥匙在每個硅膠圈中心處均勻滴下直徑為0.8 cm左右的瀝青，將拔頭放置在瀝青上，在拔頭上擱置一塊質量、體積相同的石板，提供一定壓力使拔頭底部瀝青流淌，形成均勻的薄膜。將試件在25 ℃恒溫干燥箱中放置1 h，使瀝青與基底之間形成強度。隨后撤去壓重和硅膠圈，將試件放到60 ℃水浴箱中水浴24 h，使集料和瀝青界面遭受水損，確保試件發(fā)生粘附破壞，即破壞界面發(fā)生在瀝青與集料之間。而后取出試件，在25 ℃恒溫干燥箱中養(yǎng)護1 h后使用PosiTest AT-A測試儀以固定的拉拔速率拉拔試件，此時測得的強度為粘附強度。圖3顯示了拉拔試驗后的試件，破壞界面均為粘附破壞。為了進行區(qū)分，圖3中還顯示了內聚破壞界面發(fā)生在瀝青內部。為尋找最優(yōu)的測試參數(shù)，拉拔試驗所用的測試參數(shù)如表2所示。

1.4.2流變性能測試

根據(jù)JTG E20-2011規(guī)范的T0628試驗方法，使用動態(tài)剪切流變儀對瀝青進行振蕩測試，測試溫度為25 ℃，測試時施加1%應變，角頻率為10 rad/s。

2試驗結果分析

2.1加載速率的確定

不同加載速率下的粘附強度試驗結果如圖4所示。為了避免瀝青膜厚度和試件成型溫度的影響，此處各個瀝青的瀝青膜厚度和試件成型溫度分別統(tǒng)一設置為0.2 mm和150 ℃。觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，加載速率與粘附強度存在一定的正比關系，加載速率增加其測得的粘附強度也隨之增加。從圖4中還可以看出，加載速率過低或者過高時都出現(xiàn)了數(shù)據(jù)波動的增大（誤差棒長度增加），加載速率為0.7 MPa/s時測得的粘附強度的誤差最小，表明此時測得的結果最為準確。因此選擇0.7 MPa/s為最優(yōu)的加載速率。

2.2瀝青膜厚度的確定

不同瀝青膜厚度情況下的粘附強度試驗結果如下頁圖5所示。為了避免加載速率和試件成型溫度的影響，此處各個瀝青的加載速率選擇前文確定的0.7 MPa/s，試件成型溫度設置為150 ℃。圖5表明，隨著瀝青膜厚度的增加，拉拔儀測出的同一組瀝青與集料的粘附強度隨之下降。這個趨勢與加載速率對拉拔力的影響規(guī)律相反，即較高的加載速率與較薄的瀝青膜厚度對于拉拔試驗結果的影響具有等效關系。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因為：

（1）從粘彈力學的角度來看，瀝青在常溫下是粘彈性體，尤其對于高黏改性瀝青，其在受力狀態(tài)下的延遲彈性變形更為明顯，較厚的瀝青膜就意味著延遲彈性變形的效果更顯著，延長了加載力從儀器傳到瀝青內部的時間。

（2）從表面物理化學的角度來看，瀝青膜越薄越致密，其分子間隙越小，瀝青分子間以及瀝青和集料分子間作用力更強，測得的拉拔強度也就越大。

考慮到瀝青膜過厚會使得儀器顯示拉拔力與實際傳到瀝青與集料界面上的拉拔力不同，同時為了減少瀝青粘彈性的影響，應選擇凹槽深度較小的拔頭作為標準拔頭。此外，瀝青膜過薄會發(fā)生拔頭與瀝青之間的破壞，并且由圖5可以發(fā)現(xiàn)，瀝青膜厚度在0.1 mm情況下的試驗誤差也較大，因此不宜選擇該厚度。綜上所述，采用0.2 mm作為最優(yōu)瀝青膜厚度。

2.3試件成型溫度的確定

不同試件成型溫度下的粘附強度試驗結果如圖6所示。此處各個瀝青的加載速率選擇前文確定的0.7 MPa/s，瀝青膜厚度選擇前文確定的0.2 mm。試件成型溫度與拉拔試驗評價的粘附強度之間具有很強的線性關系，可見成型溫度也是影響瀝青與集料粘附強度的主要因素。在較高溫度下，瀝青的黏度低且流動性更好，能夠更為充分地與集料表面的構造紋理相接觸，有利于瀝青穩(wěn)固地吸附于集料表面，因而測得的粘附強度也較大。此外，當試件成型溫度＞160 ℃后，SBS改性瀝青的粘附強度提升更為明顯，這是因為SBS改性劑的熔融溫度約為160 ℃，＞160 ℃后SBS改性瀝青的流動性增加程度更大，從而提高與集料表面的吸附能力?？紤]到工程實際情況，確定基質瀝青的成型溫度為150 ℃，SBS改性瀝青的成型溫度為170 ℃。

3結語

本文基于拉拔試驗的粘附性能測試，對基質瀝青和SBS改性瀝青開展了加載速率、瀝青膜厚度和試件成型溫度的最優(yōu)參數(shù)組合研究，并評價了不同瀝青的粘附性能，得出以下結論：

（1）拉拔試驗測得的粘附強度會隨加載速率的增加而增加，0.7 MPa/s的加載速率下測得的粘附強度表現(xiàn)出了最佳的準確性。

（2）瀝青的延遲彈性變形會影響加載力從儀器傳到瀝青內部，因而瀝青膜厚度越大，所測得的粘附強度越小，綜合考慮試驗準確性和延遲變形的影響，瀝青膜厚度應設置為0.2 mm。

（3）較高的成型溫度下，瀝青材料越能與集料表面的孔隙和紋理接觸，穩(wěn)固地吸附于集料表面，形成的粘附強度也就越大。結合實際工程中的瀝青混合料拌和情況，試件成型溫度應當與拌和溫度一致，即基質瀝青的成型溫度約為150 ℃，SBS改性瀝青的成型溫度約為170 ℃。

參考文獻：

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作者簡介：陳三喜（1986—），工程師，主要從事道路施工工作。