基于拉拔試驗的瀝青膠砂-集料界面相黏結(jié)性能研究

摘 要：瀝青膠砂-集料界面相的低溫黏結(jié)性能對寒區(qū)瀝青混合料的低溫抗裂性、水穩(wěn)性等性能有重要影響?；诶卧囼灢⒉捎肐mageJ軟件對破壞面進行圖像分析，通過黏結(jié)強度和黏結(jié)失效比2個指標，分析不同低溫（-10、-20、-30 ℃）和有水條件下瀝青、瀝青膠漿、瀝青砂漿與石灰?guī)r集料組成的界面相黏結(jié)性能。研究結(jié)果表明，瀝青-集料界面相在-20 ℃黏結(jié)強度最大，黏結(jié)失效比隨著溫度的降低在增大；水的介入會使界面相低溫黏結(jié)強度的衰減率達到49%，界面連續(xù)脫落，黏結(jié)失效比增大44%；合適的粉膠比能提高瀝青膠漿的低溫黏結(jié)強度，粉膠比為1. 2的瀝青膠漿黏結(jié)強度為瀝青基質(zhì)的1. 44倍，并通過彎曲蠕變勁度試驗驗證與瀝青膠漿低溫黏結(jié)強度結(jié)果的一致性；礦粉和細集料的加入改變了界面的接觸形式，破壞位置和黏結(jié)失效比也發(fā)生了明顯變化；瀝青膠漿的破壞位置發(fā)生于膠漿內(nèi)部，瀝青砂漿的破壞位置多發(fā)生于界面處，其黏結(jié)失效比遠大于瀝青膠漿。

關(guān)鍵詞：瀝青膠砂-集料界面相； 低溫環(huán)境； 黏結(jié)強度； 黏結(jié)失效比； 拉拔試驗； 圖像分析

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A DOI：10. 7525/j. issn. 1006-8023. 2025. 02. 021

0 引言

東北地區(qū)的冬季寒冷漫長，瀝青路面的低溫開裂病害大量發(fā)生，嚴重影響了路面行駛質(zhì)量和使用壽命，是亟待解決的重要病害，其破壞機理是解決的關(guān)鍵之一［1］。在溫度和水等環(huán)境作用下，瀝青混合料的低溫損傷往往先于薄弱的界面相發(fā)生［2］。以圖1為例，界面相位于瀝青相、增強相（集料、填料）之間，其低溫黏結(jié)能力由瀝青、填料和集料共同決定［3-6］。界面相的低溫黏結(jié)失效通常表現(xiàn)為黏聚失效和黏附失效的聯(lián)合效應(yīng)，其低溫黏結(jié)失效可能發(fā)生在瀝青內(nèi)部，也可能發(fā)生在界面處［7］，因此界面相的黏結(jié)性能是瀝青混合料低溫抗裂性能的關(guān)鍵。

對瀝青-集料界面相黏聚、黏附性能的宏觀尺度的評價主要有水浸法、水煮法和溶劑洗拔法等，但評定指標未定量且受人為因素影響較大［8］。具體研究瀝青種類、集料種類、表面能和骨料成分等材料因素，以及濕度和溫度等外部因素對界面相黏結(jié)性能的影響［9-13］。研究發(fā)現(xiàn)，隨著水分侵入，瀝青與集料的黏附性會降低，界面相破壞由黏聚破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌掀茐?。而以礦粉作為分散相分散在瀝青相中的瀝青膠漿和以細集料作為分散相分散在瀝青膠漿中的瀝青砂漿的組成影響了界面相的黏結(jié)性能。在用拉拔法附著力檢測儀獲取界面拉伸破壞的最大拉拔力和黏結(jié)強度評價界面相黏結(jié)性能取得成功的基礎(chǔ)上［14］，吳星等［15］采用拉拔儀對瀝青膠漿進行試驗，提出失穩(wěn)拉拔功指標評價瀝青膠漿的黏附性；鄭傳鋒等［16］通過瀝青膠漿低溫黏結(jié)強度試驗發(fā)現(xiàn)不同低溫條件下存在不同的最佳粉膠比。對于瀝青砂漿，Apeagyei等［17］采用拉拔試驗評價砂漿的黏結(jié)性能，在無水條件下，砂漿的失效模式為黏附-黏聚混合失效。胡聰［18］采用動態(tài)剪切流變和動態(tài)力學分析研究瀝青砂漿動態(tài)黏彈行為，指出砂漿的黏結(jié)行為具有很高的溫度敏感性。

瀝青混合料低溫斷裂界面相是由多級材料組成，然而現(xiàn)有的研究多集中于瀝青-集料評價黏結(jié)性能，對膠漿和砂漿尺度下低溫黏結(jié)性能的定量評價較少。本研究采用拉拔試驗，對于瀝青、瀝青膠漿、瀝青砂漿的多級界面相材料下的界面相黏結(jié)性能進行研究。分析了溫度、膠漿、砂漿對界面相低溫黏結(jié)強度的影響規(guī)律，并通過圖像處理分析拉拔試驗中界面黏結(jié)失效比的變化規(guī)律。定量評價瀝青、膠漿和砂漿尺度下界面相的低溫黏結(jié)失效，為解決瀝青混合料低溫抗裂性能提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 材料

試驗所用的瀝青為90#瀝青，其基本技術(shù)指標參數(shù)見表1。礦粉填料為石灰?guī)r礦粉，其基本性能參數(shù)見表2，細集料選用0～3 mm石灰?guī)r集料，其基本性能參數(shù)見表3。

1. 2 方法

研究采用拉拔試驗，通過拉拔法附著力試驗儀施加拉拔力測量破壞時的強度值，即定義為黏結(jié)強度，定量表征瀝青與集料的界面相黏結(jié)性能。試驗分別針對瀝青、6種粉膠比的瀝青膠漿和瀝青砂漿進行拉拔試驗，獲得黏結(jié)強度，并采用圖像處理方式對斷裂面進行定量分析黏結(jié)失效比。

1. 2. 1 瀝青的拉拔試驗

瀝青與集料之間設(shè)置0. 4 mm厚度的瀝青膜，如圖2所示。試驗的主要步驟如下：在無水條件下，1）將巖石試塊和0. 4 mm厚度的標準件在130 ℃保溫30 min，保證與瀝青的接觸溫度。將熱熔瀝青倒入標準件內(nèi)，靜置1 h刮平表面并取下標準件；2）將直徑為20 mm的拉拔頭加熱到130 ℃，并薄涂一層等比例混合的環(huán)氧樹脂AB膠于瀝青頂面，將拉拔頭與瀝青層壓緊，最后將整個拉拔件放在70 ℃烘箱中保溫1 h保持充分接觸；3）再次壓緊冷卻至室溫后固化12 h，將拉拔件再放進低溫試驗箱，在 3個不同溫度下保溫放置2 h后進行拉拔試驗。在有水條件下，為了更好地模擬低溫高濕環(huán)境對黏結(jié)強度的影響，將拉拔試件在0 ℃中浸水24 h 后開展拉拔試驗［19］。

1. 2. 2 瀝青膠漿的拉拔試驗

瀝青膠漿指由瀝青與粒徑大小在0～0. 075 mm的礦粉結(jié)合的膠結(jié)材料。膠漿中礦粉與瀝青的比例（Fb）的計算公式為

Fb = P0.075／Pbe。（1）

式中：P0. 075 為礦料級配中0. 075 mm 顆粒的通過率，%；Pbe 為有效瀝青質(zhì)量分數(shù)，%。

制備瀝青膠漿時采用粉膠比為0. 6、0. 8、1、1. 2、1. 4、1. 6?；趯r青膠漿彎曲蠕變勁度（BBR）試驗數(shù)據(jù)和低溫黏結(jié)力的計算，確定低溫條件下的最佳粉膠比。為保證只發(fā)生瀝青膠漿的黏結(jié)破壞，試驗前確定的瀝青膠漿厚度控制為0. 8 mm。

瀝青膠漿的制備流程為：1）將90#瀝青加熱至150 ℃至完全流淌狀態(tài)，控制烘箱溫度為150 ℃左右，將礦粉放于其中保持4 h；2）將熱瀝青倒入不銹鋼杯中，放置在加熱板上進行機械攪拌；3）按照確定的比例，用小匙多次少量地將礦粉逐漸加入至熱瀝青中，并確保在3 min內(nèi)完全加入所有礦粉；4）以1 000 r/min的速度在恒定溫度下攪拌瀝青與礦粉的混合物0. 5 h，以達到均勻的效果。制作拉拔件的具體步驟如圖3所示。

1. 2. 3 BBR試驗

BBR試驗依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行，對不同粉膠比的90#瀝青膠漿小梁在-12、-18、-24 ℃的溫度下進行試驗。每個試驗溫度下設(shè)置3組平行試驗，計算勁度模量（S ）和蠕變速率（m）的均值用于評價瀝青膠漿的低溫性能。

1. 2. 4 瀝青砂漿的拉拔試驗

瀝青砂漿的制備流程為：1）將90#瀝青加熱到150 ℃至熔融狀態(tài)后裝入不銹鋼杯中；2）將砂漿細料與礦粉按照級配比例預(yù)先放置于170 ℃的烘箱中，保持溫度恒定4 h；3）將礦粉和細集料分別少量多次加入熱瀝青中，在170 ℃中攪拌30 min，即可得到砂漿，瀝青砂漿與集料間設(shè)置厚度為1. 2 mm（圖3）。

瀝青砂漿由瀝青、粒徑范圍為0. 6～1. 18、0. 3～0. 6、0. 15～0. 3、0. 075～0. 15 mm 的細集料和小于0. 075 mm的礦粉組成［20］。瀝青砂漿的級配由AC-13瀝青混合料篩余百分率計算得出，具體結(jié)果見表4。瀝青砂漿的油石比采用比表面積法計算得出［21］。其比表面積（SA）計算公式為

式中：Pi 為各種粒徑顆粒的通過百分率；FAi為相對應(yīng)的各種粒徑的集料的表面積系數(shù)。

本研究中，AC-13瀝青混合料的最佳油石比為4. 8%，瀝青膜的厚度為7. 8 μm。此外，考慮到粗集料的比表面積為0. 41 m2/kg，計算得到瀝青砂漿的油石比為13. 9%，瀝青用量占比為12. 2%。

1. 2. 5 拉拔斷裂面圖像處理及計算

拉拔斷裂面進行拍攝獲取高清晰度照片后［22］，借助ImageJ 軟件提取斷裂面中剝落面積等參數(shù)。計算黏結(jié)失效比指標，以定量評價瀝青膠砂與集料的黏結(jié)性能，評價界面黏結(jié)破壞的程度和模式，其中黏結(jié)失效比等于目標圖像像素數(shù)與完整聚合面像素數(shù)的比值。

1）圖像采集：用數(shù)碼相機拍攝出拉拔斷裂面，調(diào)整圖像對比度、亮度等參數(shù)至合適值并選擇目標圖像后，修改所選區(qū)域消除任何錯誤選擇的部分，以提高目標選擇的準確性。經(jīng)過修改后的拉拔斷裂面圖像如圖4（a）所示。

2）識別目標圖像：以圖像上裸露的集料表面為目標圖像，根據(jù)目標圖像與目標圖像背景所存在的像素特性差異，借助ImageJ軟件的自動識別功能，準確區(qū)分瀝青膠砂區(qū)域與集料裸露區(qū)域，識別后的拉拔斷裂面圖像如圖4（b）所示。

3）灰度處理及二值化：將上一步識別的圖像顏色深度調(diào)整為8 bit，調(diào)整后的拉拔斷裂面圖像如圖4（c）所示。調(diào)整閾值范圍以準確地選擇目標圖像的區(qū)域邊界，進而提高目標圖像的精度，其處理的圖像如圖4（d）所示。

4）使用Image J像素統(tǒng)計功能計算目標圖像的像素數(shù)和完整聚合面像素數(shù)，其黏結(jié)失效比為目標圖像像素數(shù)與完整聚合面像素數(shù)的比值。

2 結(jié)果與分析

2. 1 試驗條件對瀝青-集料界面相低溫黏結(jié)強度和黏結(jié)失效比的影響

2. 1. 1 溫度對界面相的影響

瀝青為敏感的感溫性材料，其黏結(jié)強度和黏結(jié)失效比與低溫環(huán)境有明顯關(guān)系，在不同的溫度條件下黏結(jié)強度存在差異，呈現(xiàn)出先增后減的非線性比變化，其變化結(jié)果如圖5所示。由圖5無水條件數(shù)據(jù)可知，在-10 ℃時條件下，90#瀝青處于未固結(jié)狀態(tài)，其低溫黏結(jié)強度為2. 584 MPa，黏結(jié)失效比為0. 193；在-20 ℃條件下，瀝青相由液相向固相轉(zhuǎn)變，自身黏聚增加，處于部分固結(jié)狀態(tài)，其低溫強度為3. 951 MPa，黏結(jié)失效比為0. 28；在-30 ℃時條件下，低溫黏結(jié)強度出現(xiàn)了明顯的衰減，瀝青脆化，黏附性差，處于固結(jié)損失狀態(tài)；其低溫黏結(jié)強度為2. 411 MPa，黏結(jié)失效比為0. 438。

因未對試驗溫度間隔進行細化，且瀝青低溫固結(jié)損失后界面的相互作用較弱。致使界面相低溫黏結(jié)強度出現(xiàn)較大衰減，黏結(jié)失效比顯著增加。所以由圖5的界面相黏結(jié)強度與黏結(jié)失效比的變化規(guī)律可初步確定試驗采用的瀝青溫度應(yīng)為-20 ℃左右。當溫度為-30 ℃的低溫時，瀝青黏聚和界面黏附作用雙向減弱，黏結(jié)強度較-20 ℃減小了1. 54 MPa，僅為部分固結(jié)狀態(tài)的60. 02%。黏結(jié)失效比增加了0. 158，為完全固結(jié)狀態(tài)的1. 56倍。

2. 1. 2 有水條件對界面相的影響

在低溫條件下，路面積雪融化產(chǎn)生的水進入礦料界面產(chǎn)生作用時，水會從撕裂、置換、瞬間乳化和間隙壓力4個方面破壞界面黏結(jié)性能，瀝青-集料界面相的黏結(jié)強度將會出現(xiàn)不同程度的衰減。在有水條件下90#瀝青與石灰?guī)r黏結(jié)強度和黏結(jié)失效比的具體結(jié)果和失效圖像如圖5和圖6所示。由圖5可知，在-10、-20、-30 ℃的有水條件下黏結(jié)強度較無水條件衰減比例分別達到37%、49%、45%，黏結(jié)失效比的增加比例分別達44%、23%、24%。較無水條件而言，有水條件下界面相黏結(jié)強度先增后減的幅度較小，黏結(jié)失效比的增幅更大。這表明集料裸漏面積顯著增加且更為連續(xù)，水分的浸潤使得瀝青-集料界面過渡為瀝青-水-集料界面，置換出界面黏附的瀝青，使破壞的模式從黏聚破壞向混合破壞轉(zhuǎn)變，從而瀝青與集料的黏結(jié)強度大幅度降低。這也意味水的浸潤必然會對瀝青-集料界面相黏結(jié)強度的產(chǎn)生影響。

2. 2 多級填料組成對界面相的影響

2. 2. 1 瀝青膠漿對界面相的影響

對粉膠比為0. 6、0. 8、1、1. 2、1. 4和1. 6的瀝青膠漿進行BBR試驗和拉拔試驗。在BBR試驗中，采用勁度模量（S ） 評價瀝青膠漿在低溫下的變形能力，在同溫條件下，S 越高表明瀝青膠漿的低溫變形能力越差；蠕變斜率（m） 用于表征瀝青膠漿在低溫下的松弛能力，m 越大則表明其松弛能力越好。研究分別測定了-12、-18、-24 ℃下第60秒的S 和m，相關(guān)結(jié)果如圖7所示。

由圖7的結(jié)果分析可知，隨著溫度逐漸降低，在相同粉膠比條件下，瀝青膠漿的勁度模量（S ） 隨之增加，而蠕變斜率（m）相應(yīng)減小。這表明在低溫下，瀝青膠漿的松弛能力降低，表現(xiàn)得更加脆硬。同時，隨著粉膠比的增加，勁度模量（S）不斷上升，蠕變斜率（m）則逐漸下降。這說明礦粉填料的加入減少了瀝青的流動性，導(dǎo)致瀝青膠漿的松弛能力下降，并提高了其應(yīng)力增加速率。當粉膠比超過某一臨界值時，過量礦粉難以在瀝青中均勻分散，導(dǎo)致瀝青無法充分包裹礦粉，進而顯著降低了瀝青膠漿的變形能力，勁度模量和蠕變斜率也發(fā)生顯著變化，因此，從瀝青膠漿的低溫性能考慮，最佳粉膠比應(yīng)為1. 2。

在瀝青膠漿-集料界面相的拉拔試驗中，3個溫度條件下瀝青膠漿的低溫黏結(jié)強度隨粉膠比的變化結(jié)果和-20 ℃下黏結(jié)失效比隨粉膠比的變化結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，在-10 ℃時，礦粉的添加會改善界面相黏結(jié)強度，當粉膠比為1. 2時，界面相黏結(jié)強度增至3. 692 MPa，增幅為43%，此時出現(xiàn)強度峰值；當溫度降為-20 ℃時，強度先增大后減小，當粉膠比為1. 2時強度最大，最大增幅為44%，當粉膠比超過1. 2時，強度大幅降低；當溫度為-30 ℃時，強度在粉膠比為0. 6～0. 8增大，最大增幅為14%，當粉膠比超過0. 8時，強度小幅衰減，此時粉膠比為0. 8時達到強度的峰值。隨著溫度的降低，粉膠比的增幅作用明顯減弱，增強的區(qū)間變小，強度峰值提前出現(xiàn)。針對瀝青膠漿的黏結(jié)失效比而言，-20 ℃的溫度下，瀝青基質(zhì)處于完全固結(jié)狀態(tài)，黏結(jié)失效比雖隨著粉膠比的增大在增大但始終小于0. 1，僅為瀝青基質(zhì)黏結(jié)失效比的34%，其破壞模式上仍是黏聚破壞。

綜上所述，礦粉填料的加入能提高界面相低溫黏結(jié)強度，加入過多的礦粉會使界面接觸的膠漿的浸潤性變差，降低了瀝青與礦粉之間的互鎖力，黏結(jié)失效比增大，從而損傷了界面相的黏結(jié)力，導(dǎo)致界面黏結(jié)強度的降低，因此粉膠比須維持在合理的范圍內(nèi)。若僅以黏結(jié)強度為控制指標，其確定的最佳粉膠比為1. 2。

2. 2. 2 瀝青砂漿對界面相的影響

在瀝青尺度下，黏結(jié)強度僅受瀝青自身性能的影響；在瀝青膠漿尺度下，礦粉被浸潤在瀝青中，黏結(jié)強度受瀝青性能和粉膠比的影響；在瀝青砂漿尺度下，細集料具有一定的粗糙度，黏結(jié)強度受瀝青膠漿性能和細集料的影響。當與熔融態(tài)的瀝青膠漿接觸時，瀝青膠漿會對細集料產(chǎn)生浸潤作用，填充細集料間的空隙和表面的凹凸孔隙，增加了瀝青與集料間的接觸面積，增強了瀝青與集料間的黏附作用，產(chǎn)生了不同于瀝青/瀝青膠漿尺度下的界面效應(yīng)。

90#瀝青、1. 2粉膠比的瀝青膠漿、最佳油石比的瀝青砂漿與石灰?guī)r界面相的斷裂面和黏結(jié)強度如圖9和圖10所示。

由圖10可知，不同填料組成的界面相黏結(jié)強度的由大到小順序為瀝青膠漿、瀝青砂漿、90#瀝青，-20 ℃的黏結(jié)失效比的由大到小順序為瀝青砂漿（0. 417）、90#瀝青（0. 28）、瀝青膠漿（0. 082）。由此可知分散相的不同影響了填料的結(jié)構(gòu)，改變了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和黏結(jié)性，分散介質(zhì)的不同影響了填料的接觸特性，改變了瀝青的流動性和敏感性，進而影響著界面相的黏結(jié)強度和黏結(jié)失效模式。

通過對黏結(jié)強度和黏結(jié)失效比的綜合分析，可以定性地推測界面相斷裂的變化趨勢。在較低溫度下，瀝青基質(zhì)在固結(jié)的同時其脆化也在發(fā)生，發(fā)生了混合破壞。適量礦粉的加入，增強了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減弱了瀝青基質(zhì)的敏感性，破壞的薄弱界面位于瀝青膠漿內(nèi)部，發(fā)生了黏聚破壞。瀝青砂漿與骨料之間的界面黏附力小于瀝青砂漿的黏聚力。由于瀝青骨料體系的破壞模式是由較弱的力決定的，因此當黏附力較小時，就會發(fā)生黏附破壞。隨著多級填料的變化，破壞模式從黏聚失效轉(zhuǎn)變?yōu)轲じ绞А?/p>

3 結(jié)論

研究通過對瀝青、瀝青膠漿、瀝青砂漿與石灰?guī)r集料的拉拔試驗以及斷面的評價，研究了瀝青、瀝青膠漿、瀝青砂漿與集料界面相的低溫黏結(jié)性能，分析了溫度和水等外界條件和多級填料組成對界面相低溫黏結(jié)性能的影響，得到如下結(jié)論。

1）溫度對瀝青-集料界面的黏結(jié)強度和黏結(jié)失效比具有明顯影響，黏結(jié)強度隨溫度降低而增大。在-20 ℃時達到最大值后降低。而黏結(jié)失效比則隨著溫度降低而增大。這表明低溫環(huán)境對瀝青-集料界面相的黏結(jié)性能有顯著影響，低溫改變了瀝青的流動性和變形能力，進而使界面相的黏結(jié)強度減小，界面相黏結(jié)失效比增大。

2）水的浸潤使瀝青-集料界面相的黏結(jié)性能大幅衰減，黏結(jié)強度最大衰減比例為49%。瀝青與集料的黏結(jié)失效比逐漸增大，黏結(jié)失效比最大增加比例為44%，其破壞模式從黏聚破壞過渡為混合破壞。

3）粉膠比是影響瀝青膠漿低溫黏結(jié)性能的關(guān)鍵指標。隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的低溫松弛能力逐漸減弱，過量的礦粉會使瀝青的浸潤性變差，導(dǎo)致界面相的黏結(jié)強度下降。研究表明，瀝青膠漿的最佳粉膠比為1. 2，此時界面相的黏結(jié)強度達到峰值。同時，瀝青膠漿的黏結(jié)失效比均小于0. 1，表明此時僅發(fā)生黏聚破壞。

4）單級礦粉填料組成增至為多級多粒徑細集料填料組成，改變了填料結(jié)構(gòu)和與集料界面的接觸形式。瀝青砂漿-集料界面相的黏結(jié)強度變差，黏結(jié)失效比遠高于瀝青膠漿，其破壞模式也從黏聚破壞變?yōu)橐责じ狡茐臑橹鳌?/p>

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