瀝青與集料粘附性評價方法

王 軍 陳燕娟

瀝青路面的水損害，是多種原因綜合作用的結果。比如，材料的性質，環境條件和自然荷載。物理粘附，化學反應，機械聯鎖是在材料屬性的基礎上解釋瀝青與集料粘附和剝離的三種最為廣泛的機理。此外，解釋瀝青與集料粘附性的較為經典的理論有四種，包括:力學理論、化學反應理論、表面能理論和分子定向理論。以這些理論為依據可以衍生出多種測試方法，并且這些測試方法也在不斷改進中。可以將這些預測方法寬泛的分成兩類:定性測試法和定量測試法。

1 定性測試法

定性測試方法主要包括:水煮法，靜態水浸法，Texas凍融臺架試驗，快速測試瓶法，旋轉瓶測試法，毛細管柱法等等。

1.1 水煮法[1］

水煮法適用于粒徑大于13.2 mm的粗集料，將集料洗凈烘干后，進入到130℃ ～150℃的熱瀝青中，浸潤45 s，冷卻至室溫，放入沸水中，保持微沸狀態浸煮3 min后取出，根據集料表面的瀝青膜的剝落程度，判定粘附等級。該方法最大的優點是簡單易行，可以初步判斷粗集料與瀝青的粘附性:缺點是該實驗比較粗糙，人為因素較大，關鍵是只能試驗粗集料與瀝青的粘附性，而對瀝青混合料中的細集料和一些添加料的粘附性卻不能確定。

1.2 靜態水浸法

我國試驗規程規定對粗集料的最大粒徑小于13.2 mm細粒式瀝青混凝土，粗集料與瀝青的粘附性采用水浸法試驗，該方法也是日本常用的標準方法，試驗時選用20顆裹覆瀝青的石料，浸泡在80℃的恒溫水中30 min，評定瀝青膜剝離面積百分率。為了使剝落率評價客觀些，日本的試驗方法還給出一系列不同剝落率的標準照片供比照用。長安大學在“八五國家科技攻關”課題研究時，也制作了一套不同剝落率的樣本照片，使用時可以比照照片進行粘附性等級評定。與水煮法相比，該方法是靜態的，缺乏水力沖刷，較客觀一些，另外，水浸法可以測量較細的集料和細粒式的瀝青混凝土。

1.3 Texas凍融臺架試驗

該試驗適用于集料粒度比較均勻的熱拌瀝青混合料粘附性測試，如果集料的粒度均勻，就可以使集料力學性質對粘附性的影響減到最小，而粘結劑對粘附性的影響將達到最大。進行該試驗時，瀝青混合料的設計依照德克薩斯州混合料設計程序。初次拌和之后，混合料進行再次加熱，另外再進行兩次拌和。制成高19.05 mm、直徑為41.3 mm的試件后，經受凍融循環，產生開裂的凍融循環次數指示瀝青混合料的水敏感性。但研究表明經歷過20次凍融循環后，混合料的粘附性就不再易受水損害的影響[2］。該試驗的優點是可以測定出添加劑的效果，與現場性能關系良好;缺點是僅用于細集料，僅測定粘結力而且較費時，需用專門的試驗設備。

1.4 旋轉瓶測試法

旋轉瓶測試法是瑞典使用的一種預測粘附百分率的測試方法，把裹覆瀝青的集料顆粒放入盛有半瓶蒸餾水的玻璃瓶中。為了抑制裹覆瀝青的集料的凝聚潛能，將蒸餾水維持在5℃。把瓶子放在旋轉機上旋轉，若瀝青混合料沒加添加劑就以40 r/min的速度旋轉，若加了添加劑就以60 r/min的速度旋轉，試驗一共進行3 d。用兩組獨立平行試驗分別評估旋轉5 h，24 h，48 h，72 h的裹覆情況。

1.5 毛細管柱法[4］

毛細管柱法是一種評價瀝青與集料粘附性的一種間接方法。從物理化學角度來看，瀝青與集料要發生粘附，形成牢固的粘附層，取決于瀝青能否很好的潤濕集料的表面。潤濕通常用接觸角的大小來衡量，接觸角越好，則潤濕越好，粘附力越大，粘附性就好。用毛細管柱法測定瀝青—甲苯溶液對集料的潤濕角。試驗中如果僅僅是為了比較粘附性則不必計算出實際接觸角值;僅用毛細管柱液面上升高度來比較，越大粘附性越好，比較水穩定性時也可以用瀝青溶液在毛細管柱中液面上升的高度之差大小來進行比較，說明水穩定性的優劣。這個高度可以目測，故此列為定性測試方法。若測出接觸角，也屬于定量測試法。優點是與水煮法和水浸法相比，可以減小人為因素的影響，但這只是一種只局限于物理性粘附的測試方法，實際情況下，集料與瀝青不僅發生物理性粘附，還有化學反應產生的結合力，而且這是不可忽略的。所以該方法與現場性能的相關性可能不太好。

2 定量評價方法

定量測試方法包括很多，基于不同的原理有不同的評價方法，包括基于力學原理的定量分析法，基于吸光度原理的定量分析法，基于表面自由能理論的分析法和化學分析方法。

2.1 基于力學原理的定量分析法

1)凍融劈裂試驗。Lottman試驗是一種評價瀝青混合料水穩定性的試驗方法。其方法是將馬歇爾試件在常溫水中浸泡20 min后，在-18℃的冰箱中冷卻16 h，再放進60℃的水浴中放置24 h，完成一次凍融循環。最后又在25℃的水中浸泡2 h后測試其劈裂強度，將此強度與未經凍融循環試件的劈裂強度比值為劈裂強度比(TSR)，以此指標作為評價瀝青混合料水穩定性的指標。我國的凍融劈裂試驗是參照美國AASHTO T283提出來的，是一種簡化了的Lottman試驗，變固定孔隙率的固定擊實次數為50次，固定真空飽水的真空度和飽水時間。凍融劈裂試驗的結果性規律很強，而且不同石料之間的差別拉得比較開。有文獻報道這還是測瀝青混合料水敏感性的一種較好的方法。

2)馬歇爾殘留穩定度試驗。將馬歇爾試件在60℃水中浸泡48 h，其所測得穩定度與試件浸泡30 min的穩定度比值百分率即馬歇爾殘留穩定度。該試驗簡單實用。但有些研究表明對于石灰巖每種瀝青混合料的殘留馬歇爾穩定度都滿足我國瀝青路面施工規范不小于75%的要求，但對于酸性集料，每種瀝青混合料的殘留穩定度很少滿足規范要求，甚至大于100%。第17屆世界道路會議推薦把試件浸入到25℃水中7 d后進行馬歇爾試驗，但是此法較耗時。有些研究[5］對馬歇爾殘留穩定度試驗進行了改進，將試件浸泡在0.2 mol/L的Na2CO3中，結果好一些。

3)浸水車轍試驗。由于試驗裝置的不同，而有好幾種測試方法，在此不進行一一贅述。通常是按規定尺寸制樣，在規定條件下養護后進行浸水車轍試驗，需要專門的車轍試驗儀，所不同的是有的是測一定碾壓次數后的剝落率為破壞標準;有的則是以破壞所需的時間為度量標準。但浸水車轍試驗的結果離散性比較大。

4)剪切粘附法。剪切粘附法在兩片集料間加瀝青膜的剪切試驗，剪切試驗中剪切破壞不是發生在瀝青的內部，而是發生在瀝青和集料間的界面層上，因此，剪切粘附性試驗中剪切強度的大小，即可反映瀝青與集料間粘附性的大小。剪切試驗結果與水煮法試驗結果之間具有良好的相符性，是定量評價瀝青與集料的粘附性方法中行之有效的方法。

2.2 基于吸光度原理的評價方法

基本原理是基于物質在光的激發下，對光波長的選擇性吸收，在通過溶液的光譜中出現相應的黑暗的譜帶。根據波爾定律，在一定的波長下，溶液中某一物質的濃度與光的吸收效應存在一定的關系，即有色溶液的吸光度與溶液的濃度、液層厚度成正比。

2.2.1 光電比色法

把規定數量的瀝青混合料放入已知濃度的酚藏花紅生物染料中，于60℃浸漬2 h后，因其水浸而裸露的集料表面將吸附染料，使染料濃度下降。取出后裝入試管中，用分光光度計測試吸光度，以蒸餾水為空白溶液，測試其吸光度，通過吸光度與濃度的關系曲線，可以得到原集料與裹覆瀝青膜的集料在吸附試驗后染料殘留的濃度，計算出原集料的吸附量q和混合料剝落后的吸附量 q′，以及瀝青膜的剝落率(q/q′)。

2.2.2 紫外分光光度法

表面置換—分光光度法測定瀝青與集料的粘附性，該方法根據集料對瀝青的吸附作用和遇到水后水對瀝青的置換作用，將一定粒級的集料浸于瀝青—甲苯溶液中一定時間則瀝青吸附到集料表面上，然后向該溶液加入一定量的水，水就會對吸附在集料表面的瀝青進行置換作用，這一系列的過程都會使溶液中瀝青的濃度改變，用紫外分光光度法測出其濃度，就可算出集料對瀝青的吸附量和加入水后瀝青的剝落量，從而可以計算出集料表面上瀝青的剝落率或吸附率，以表征集料與瀝青的粘附性。

2.2.3 擾動水吸附法

將一定粒級的集料放在瀝青—甲苯溶液中一段時間進行循環回流，則會有一部分瀝青吸到集料表面，之后，向瀝青—甲苯溶液中加入一定量的水，讓水對吸附在集料表面的瀝青進行置換，該過程會使瀝青—甲苯溶液的濃度發生改變，用光電分光光度計測定溶液的吸光度，即可計算出礦料對瀝青的吸附量及加水后瀝青的剝落量，以及計算出自礦料表面剝落的瀝青剝落率或吸附率。這是美國SHRP內容中曾經報道過的一種研究方法。該方法與紫外分光光度法極其類似。這三種方法都是很相似的，都要用到分光光度計。

2.2.4 示蹤鹽法

示蹤鹽法是先將粗石料用示蹤鹽溶液浸漬處理，再經瀝青包裹，然后浸于蒸餾水中限定時間。最后用火焰光度計測定示蹤鹽在水中的濃度，與未經瀝青包裹的空白石料試樣的浸水后示蹤鹽的濃度比較，以二者的濃度比值作為剝落度的評價指標。該方法也存在一定的主觀性。

2.3 基于表面自由能原理的分析法

瀝青表面自由能通過Wilhelmy吊片法來測定。通常一種表面溶劑的化學能是已知的，可以在化學手冊中查到。而固體表面的自由能不能直接測得，需要根據幾種溶劑的表面自由能，利用式(1)推得。一般采用三種溶劑，列出三個方程組，就可以解得瀝青表面自由能的三個未知參數，代入式(2)，式(3)，進而解得瀝青表面自由能。

其中，Γi為瀝青的表面自由能;Γj為集料的表面自由能;Γij為集料與瀝青的界面能;Wij為粘附功，得到集料與瀝青各自的表面自由能以后，再計算出瀝青與集料的粘附功，粘附功越大，瀝青與集料的粘附性就越好。預測瀝青與集料粘附性的該種方法近年來有所發展。測定瀝青表面自由能的探測溶液必須滿足三個條件:

1)三種探測溶液的表面能已知。

2)探測溶液為均勻的純溶液。

3)探測溶液不能與瀝青表面發生化學反應。

一般情況下，三種溶液就可以測出瀝青的表面自由能，但有文獻指出用五種探測溶液可以減小誤差，原因是如果三種測試溶液中，其中兩種溶液具有相似的表面能參數，對接觸角的測定就會產生過度的敏感;用五種探測溶液也許比較繁瑣，列五個線性方程，每個方程就用一種探測溶液，方程中的接觸角也是用這種溶液測得，這樣就可以提高測試結果的可信度。

3 結語

瀝青混合料水損害的預測方法雖然多種多樣，但都存在一定的問題，需要進一步的改進。不同的評價方法對瀝青混合料水穩定性得到的結論有一定的差別。在工程實踐中，應該根據實際情況綜合考慮后，選擇適當的評價試驗和評價方法。

[1]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M］.北京:人民交通出版社，2001.

[2]Hunter E R，Ksaibati K.Evaluating Moisture Susceptibility of Asphalt Mixes[J］.Epartment of Civil and Architectural Engineering，University of Wyoming，2002(8):33-34.

[3]Bradley J P，Serji N A..ALaboratory Evaluation of Anti-Strip Additives in Hot Mix Asphalt[R］.2006.

[4]宋艷茹，張玉貞.瀝青粘附性評價方法綜述[J］.石油瀝青，2005，19(3):26-32.

[5]鄭小光，呂偉民.瀝青路面水損害方法探究[J］.石油瀝青，2004，18(5):42-45.