基于表面自由能指標的SBS改性瀝青混合料抗裂性能評價

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.022

文章編號：1673-4874（2025）01-0074-05

0 引言

疲勞開裂是瀝青路面最常見的病害之一，其原因是瀝青混合料的黏聚力損失或瀝青與集料之間的黏附力損失，或兩種情況同時出現(xiàn)1。根據(jù)熱力學基本定律，雖然瀝青和集料的化學和物理性質(zhì)對混合料的黏結(jié)強度起主要作用，但是表面自由能（SFE）和瀝青－集料界面能量的平衡同樣會影響?zhàn)そY(jié)強度2。

通用吸附裝置（USD）、吊板法（WP）和座滴法（SD）等均可用于測量瀝青一集料界面的表面自由能特性，其中SD法是確定固體材料表面自由能最為簡單的方法3盡管這種方法可以確定瀝青和集料的黏附性能，但一些研究成果表明，集料表面的不均勻性和表觀紋理可能導致結(jié)果的不準確。對于瀝青混合料的中低溫抗裂性能研究，已有多種試驗方法被開發(fā)，其中半圓彎曲試驗（SCB）因試驗過程簡單和結(jié)果復現(xiàn)性高等原因被廣泛應用，同時與小梁彎曲試驗相比，其在試驗過程中不會因加載和重力試件突然下降掉落，安全性更高4]。

為了量化瀝青混合料這種非線性黏彈塑性材料的抗裂性能，可針對SCB試驗采用J積分方法以確定臨界應變能釋放率 （J） 來評價抗裂性能，同時通過SCB試驗也可計算同溫度下的裂紋擴展速度。有學者使用SCB試驗在50mm/min加載速率和25℃溫度下開發(fā)了一種新方法以比較各種瀝青混合料的抗裂性能，研究結(jié)果與足尺試驗的結(jié)果密切相關(guān)，總結(jié)出一種基于斷裂能和柔韌性指數(shù) （F I） 的評價抗裂性能的新方法，其中 F I 指標可表征瀝青混合料對于早期開裂的敏感性[6-7]。通過進一步試驗發(fā)現(xiàn)隨著RAP摻量的增加，再生瀝青混合料的 F I 值不斷降低，表明其柔韌性逐漸降低。此外 F I 指標對材料變化較為敏感，如不同種類瀝青、不同濃度改性劑、瀝青混合料體積特性等均可造成 F I 指標顯著變化8。最新研究成果顯示，柔韌性指數(shù)和斷裂能指標能較好地表征瀝青混合料的疲勞開裂壽命，其與現(xiàn)場實際性能的相關(guān)性 。如果表面自由能（SFE）結(jié)果與SCB試驗結(jié)果一致，則 S F E 可以作為一種簡單的參數(shù)來獲得瀝青和集料的適配組合，以實現(xiàn)瀝青混合料在中等溫度下獲得更好的抗裂性能[10]

本研究主要目的是采用半圓彎曲試驗（SCB）獲取的瀝青混合料表面自由能（SFE）指標分析瀝青一集料系統(tǒng)的黏聚力和黏附性，以此來評價SBS改性瀝青混合料在中等溫度下的抗裂性能。

1原材料及試件制備

1.1 原材料

本研究制備SBS改性瀝青混合料時選用兩個不同等級的基質(zhì)瀝青（PG64－16和PG58－22）和不同摻量的SBS改性劑 （3% 和 6% ），以便對比基質(zhì)瀝青等級和改性劑摻量對抗裂性能的影響。本研究的主要內(nèi)容之一為瀝青與集料的黏附性，考慮最不利因素，選用花崗巖類酸性集料制備瀝青混合料，其常規(guī)性能指標見表1。

1.2試樣制備

SBS對瀝青的改性是聚苯乙烯嵌段發(fā)生物理交聯(lián)的過程，交聯(lián)過程改善了瀝青在中等溫度下的彈性行為。為使改性瀝青體系中聚合交聯(lián)網(wǎng)絡更加穩(wěn)定，制備試樣時使用硫作為聚合物交聯(lián)劑，同時在180℃條件下以5000r/min的速度高速剪切100min。制備的不同類型SBS改性瀝青的性能分級見表2。

半圓彎曲試驗（SCB）試件的制備按以下流程進行：（1）將制備好的SBS改性瀝青與選用的花崗巖集料在規(guī)范要求溫度下混合均勻后裝于車轍板模具中，采用輪碾成型的方式碾壓密實，經(jīng)冷卻后脫模形成車轍板，車轍板尺寸為 ：（2）在車轍板中間平均分布取4個直徑為 高為 50m m 的圓柱體試件；（3）將圓柱體試件沿高度方向平均切為兩半，形成兩個半圓形柱體試件；（4）垂直于半圓形柱體試件底部平面切一個寬為 長為15mm的縫。半圓彎曲試驗（SCB）試件成品見圖1。

2試驗方法及評價指標

2.1座滴法試驗（SD）

座滴法（SD）專用于測定特定液體液滴和固體表面之間的黏附力。采用式（1）進行計算黏附力：

式中： 固體表面的自由能；

液體表面的自由能；

——液體的表面張力；

θ ——接觸角。

蒸餾水液滴與SBS改性瀝青固體表面接觸角如圖2所示。

測量SFE使用的理論是酸堿理論，其將SFE分為極性和非極性兩部分。黏聚功的定義為在固體或液體材料內(nèi)部進行分離所需的能量，采用式（2）進行計算。固液之間的黏附功可采用液體從固體表面分離所需的能量表示，采用式（3）進行計算，其中 為黏附能。固體表面的SFE特性包括 和 ，可采用式（4）進行計算，其需要兩種探測液體樣本。進一步提升計算結(jié)果的精度，整合式（1）至式（4）得到式（5），需要兩種以上的探測液體樣本：

法中使用了幾種已知表面張力組成 、 ）的液體，如蒸餾水、甲酰胺、二碘甲烷、乙二醇和甘油，應保證在試驗過程中液體不應與瀝青發(fā)生化學反應，建議使用一組極性和非極性液體進行試驗。根據(jù)已有研究成果可知，蒸餾水、二碘甲烷、甲酰胺和甘油被認為是可靠的探測液體類型，其 條件下的基本性質(zhì)如表3所示。此外，圖解法也是一種評價 S D 法結(jié)果有效性的方法，其繪制的關(guān)系圖顯示不同探測液體的 參數(shù)與 參數(shù)呈線性相關(guān)。若某個探測液體試驗結(jié)果不符合上述線性曲線的關(guān)系，說明此液體與固體表面有復雜的相互作用，在計算SFE應將其排除。

2.2半圓彎曲試驗（SCB）

AASHTO標準提出了一種用于評價中等溫度下瀝青混合料抗裂性能的標準方法，即SCB試驗方法。目前研究過程中數(shù)據(jù)處理使用J積分法較為常見，但AASHTO建議采用伊利諾伊州柔性指數(shù)法，該方法是基于圖3所示的SCB試驗垂直荷載一位移曲線得到。SCB試驗采用萬能力學試驗機UTM進行，其具備溫度調(diào)控環(huán)境箱，可滿足不同試驗溫度的需求，同時能自動記錄儲存試驗數(shù)據(jù)，有利于試驗結(jié)果的回歸和建模。試驗時加載速率為 15mm/min ，為使豎向加載軸線與試件切口重合，使用激光水準儀進行校核調(diào)整。

SCB試驗得到的結(jié)果是斷裂能和柔韌性指數(shù)。斷裂能通常表示為試件失效時荷載一位移曲線與坐標軸圍成的面積。當荷載 N時判定為試驗結(jié)束。但如果試驗在失效點之前停止，則應在曲線結(jié)束點向下做垂線與橫軸相交，以計算閉合面積即為斷裂能。斷裂能代表瀝青混合料抵抗開裂相關(guān)損傷的總體能量，可采用式（6）進行計算：

實際上，斜率m表征的是裂縫擴展速率的平均水平，斜率 m 增加將導致柔性指數(shù)（FI）降低，表明瀝青混合料更容易發(fā)生早期開裂破壞。

3試驗結(jié)果與討論

不同SBS改性瀝青接觸角和表面自由能試驗結(jié)果如表4和表5所示。由表4和表5可知，A0的 高于BO，但對于 或極性AO低于BO。BO的總表面自由能高于AO，這就使BO與AO相比具有更好的黏附性和黏聚力。對比發(fā)現(xiàn)，不同等級基質(zhì)瀝青經(jīng)SBS改性后非極性 和極性 均有較大提升，即SBS改性使基質(zhì)瀝青內(nèi)部的黏聚力增大，并較大地提升了與花崗巖集料的黏附性。

根據(jù)SCB試驗數(shù)據(jù)繪制荷載一位移光滑曲線，并以多項式模型進行擬合，不同SBS改性瀝青SCB試驗擬合模型的相關(guān)系數(shù)均 gt;0.95 ，如圖4至圖7所示。

由圖4至圖7可知，SBS改性劑對試驗荷載峰值和失效點位移均有提升作用，這就使載荷一位移曲線與坐標軸圍著的面積更大，即試件破壞所需的斷裂能（ 更高。此外，SBS改性劑降低了荷載一位移曲線的峰后斜率 （m） ，這表明SBS作為一種彈性體可降低裂縫擴展的速率，進一步提升瀝青混合料的柔性指數(shù) （F I） 。為評價不同SBS改性瀝青斷裂能和柔性指數(shù)的精度和復現(xiàn)性，對每組試驗的變異系數(shù)進行了統(tǒng)計，斷裂能和柔性指數(shù)變異系數(shù)最大值分別僅為 9% 和 13% ，表明試驗結(jié)果的精度和復現(xiàn)性保持在較高水平，如表6所示。

為了比較SFE和SCB試驗參數(shù)在表征SBS改性瀝青抗裂性能方面的不同，本研究對試驗結(jié)果進行了歸一化處理，即假設(shè)PG64一16樣品為標準化的參考樣品，將所有瀝青樣品的 S F E 、 和 F I 值除以參考樣品的相應試驗結(jié)果數(shù)值。歸一化處理結(jié)果見圖8。

由圖8可知，不同參數(shù)表現(xiàn)出相同的趨勢，且歸一化結(jié)果均 1，這就證明SBS改性黏結(jié)劑在試驗溫度下對瀝青混合料抗裂性能有積極作用。對于SBS改性的有效程度，SCB參數(shù)歸一化結(jié)果均大于相比于 S F E 的歸一化結(jié)果，SCB參數(shù)表征的改性瀝青混合料抗裂性能水平更高。形成上述結(jié)論的主要原因是由于 S F E 試驗僅在試樣的一個點上評價附著力和黏聚力，而SCB試驗是在條狀區(qū)域?qū)υ嚇邮┘討Γ嚇觾?nèi)部具有更寬的黏聚或黏附接觸點，這些接觸點越強，試樣在失效之前施加的應力水平也就越高。

將 S F E 分析結(jié)果 ）和SCB數(shù)據(jù) 進行回歸分析，如圖9、圖10所示。由于集料類型固定，所以黏附能是 S F E 分析組成參數(shù)黏聚能的函數(shù)。線性回歸方程的的相關(guān)系數(shù) 的平均值分別為0.97和0.90。盡管 S F E 分析結(jié)果不能完全表征瀝青－集料系統(tǒng)物理和化學特性對混合料黏結(jié)強度的影響，但 S F E 分析結(jié)果顯示其與SCB試驗的斷裂能和柔性指數(shù)之間的相關(guān)性較強，這表明 S F E 分析方法是評價SBS改性瀝青混合料中等溫度下抗裂性能的有效方法。

4結(jié)語

（1）探測液體類型對表面自由能結(jié)果有顯著影響。四種探測液體中必須有一種是非極性液體，通過回歸分析可計算得到 S F E 特性。

（2）SFE分析表明，SBS改性使瀝青黏結(jié)劑具有更大的黏聚力，同時提升黏結(jié)劑與集料的黏附性。SFE和SCB試驗參數(shù)的回歸結(jié)果表明， S F E 分析能夠預測SBS改性瀝青瀝青混合料在中等溫度下的抗裂性能。

（③雖然 S F E 方法分析與SCB試驗數(shù)據(jù)結(jié)果一致，但對于SBS改性的有效程度不一，SCB參數(shù)歸一化結(jié)果均大于相比于 S F E 歸一化結(jié)果，SCB參數(shù)表征的改性瀝青混合料抗裂性能水平更高。

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