水熱耦合作用下瀝青?集料界面黏附性研究

崔宇超，馬翔，孫孝語

(南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

排水路面作為一種大空隙路面結構，其與水、熱、凍融等外部環境接觸更加充分，排水路面的黏結失效與瀝青?集料界面黏附性有直接關聯，為了研究排水路面的松散病害形成機理，必須研究外部環境因素對瀝青?集料黏附性的影響。在水的作用下，集料表面瀝青膜易被水分子置換，致使瀝青與集料脫黏，形成水損害，而熱的作用將加劇水分子的運動，苗英豪等[1]認為，高溫與降水的組合過程是除凍融循環過程之外的另一個影響瀝青路面水損害的氣候過程。瀝青路面的水損害是其典型病害之一，與水損害相關的瀝青?集料界面黏附特性一直是道路工程行業研究的熱點。2012年，李健等[2]從瀝青種類、集料尺寸以及海拔高度等多方面入手，測試了瀝青與集料之間的黏附性，結果表明在高海拔地區水煮法不適合作為瀝青與集料黏附性等級的評價方法；2013年，袁峻等[3]認為超聲波可以較好地模擬動水壓力下瀝青在集料表面的抗剝落性能，并認為兩者之間的黏附性與集料的表面形態有關；2014年，Cong等[4]研究表明，瀝青?集料黏結體系對環境溫度敏感，當溫度超過瀝青軟化點時，黏結體系會被破壞；2015~2016年，陳斌華和陳銳等[5?6]先后對比研究了光電比色法和水煮法，定量解釋了瀝青與礦料的黏附效應；XU等[7]通過分子動力學計算了瀝青?集料界面處的相互作用能與黏附功，認為瀝青與集料之間的黏附力很大程度上取決于干、濕表面條件下的集料類型；XU等[8]結合AFM和MD 2種手段分析了熱混合期間和荷載作用下瀝青與集料的結合和脫黏過程，并解釋了老化對瀝青?集料黏附性的影響。已有的研究表明[8?12]，現有規范采用的水煮法難以定量評價瀝青與集料之間的黏附性水平，而光電比色法可以作為一種有效的定量評價方法，且結果較為可靠。但是，以上研究均未以定量、可靠的結果來表明水與溫度的耦合作用對瀝青?集料黏附特性的影響，且沒有對高黏瀝青這種排水路面常用材料進行對比研究，無論是廣度還是深度方面都需要進一步的研究。本文基于光電比色法，定量分析水熱耦合作用下瀝青?集料界面的黏附特性。

1　試驗方案

原材料選擇：為了較充分考慮原材料類型的影響，結合實體工程應用情況，本研究選取了 70號基質瀝青、SBS改性瀝青及高黏瀝青3種瀝青；玄武巖、石灰巖2種集料進行組合研究。

水熱耦合條件：水、溫度、荷載是影響瀝青?集料黏附性的主要外因[13?17]，其中溫度包括高溫(熱)、低溫(凍融)2個方面，本文僅對水熱耦合作用下瀝青?集料的界面黏附特性進行研究，其他因素的耦合作用將在后續研究中開展。本研究采用60 ℃的水浴作為試件水熱耦合的條件，為了模擬水熱耦合時間的影響，本文分別對60 ℃水浴中浸泡0，1，3和5 d后的試件進行對比研究。

試驗過程：原材料的性質是影響瀝青?集料界面黏附特性的內因，本研究首先對選用的原材料進行性能試驗，接著按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)T0616—1993中規定的水煮法對水熱耦合作用下各瀝青與粗集料黏附性等級進行初步定性的評價，然后利用光電比色法對細集料與各瀝青的黏附性做出定量的評價，最后選取有代表性的集料樣品進行掃描電鏡檢測，觀察瀝青在集料表面脫黏行為的規律性，并結合水煮法結果與光電比色法數據進行分析，解釋水熱耦合作用下對瀝青?集料界面黏附性的影響。

2　原材料試驗

本研究所采用的原材料主要是3種不同種類的瀝青和2種不同種類的集料，兩類原材料的關鍵技術指標如表1和表2所示：

從表中的試驗結果可知，本研究采用的瀝青和集料所檢測各項指標均能較好的滿足技術規范的要求。

表1　瀝青試驗結果Table 1　Asphalt test results

表2　集料試驗結果Table 2　Aggregate test results

3　黏附性評價試驗

3.1　水煮法試驗

研究過程中將在 60 ℃水浴中浸泡不同時間的樣品采用水煮法評定各瀝青與集料黏附性等級，結果如表3所示。

表3　各瀝青?集料水煮法黏附性等級Table 3　Adhesion level by boiling method ofasphalt-aggregate

從上表中的試驗結果可知，不同樣本的黏附性在水熱耦合作用下有一些總體的差異：從瀝青角度來分析，黏附性等級依次為高黏瀝青＞SBS改性瀝青＞基質瀝青；從集料的角度來分析，石灰巖的黏附性等級優于玄武巖；各種樣本隨著在 60 ℃水浴中浸泡時間的增長，其黏附性總體而言變差。但水煮法試驗并不能明顯區分水熱條件下對黏附性優的樣本的影響，尤其對高黏瀝青組成的樣本，水熱對黏附性的影響并不明顯。

3.2　光電比色法試驗

本研究的光電比色法試驗利用酚藏紅花染色溶液，通過721型可見分光光度計檢測各種瀝青和集料在不同老化條件下的黏附狀態，具體以瀝青在集料表面的剝落率來體現(圖1，圖2及表4)。

1) 稱取粒徑為2.36~4.75 mm的2種集料，洗凈、烘干備用，同時將各瀝青于規范規定的拌和溫度下軟化備用。

2) 取2種集料各400 g，按減量法分別加入8 g基質瀝青，充分、均勻攪拌2~3 min。將拌好的瀝青均勻攤鋪，在室溫下冷卻至少24 h。然后將其分為4份，每份100 g。

3) 改用其他2種瀝青，重復步驟(2)。

4) 配置濃度為0.01 mg/mL的酚藏紅花染料溶液，并水浴加熱至60 ℃，在未經拌和的2份100 g集料中各加入200 mL溶液，60 ℃水浴保溫2 h。

5) 分別配置濃度為0.002，0.004，0.006和0.008 mg/mL以及0.01 mg/mL的酚藏紅花染料溶液，在510 nm波長處測定溶液的吸光度，擬合出酚藏紅花溶液標準曲線，如圖1所示。

圖1　酚藏紅花溶液標準曲線Fig. 1　Standard curve of phenol safflower solution

6) 將溶液取出，輕輕搖晃使其均勻，冷卻至室溫后分別取少量(約 5 mL)用分光光度計在波長為510 m處測定其吸光度，并根據標準曲線換算為溶液濃度。

7) 將拌和后的各瀝青混合料分別在60 ℃水浴下老化1，3和5 d，取出后重復上一個步驟(6)。

8) 根據以下公式計算黏附性At：

其中：C為酚藏花紅染料起始溶液濃度，mg/mL；C0為集料吸附后殘余溶液濃度，mg/mL；C1為瀝青混合料吸附后殘余溶液濃度，mg/mL。

表4　各條件下瀝青?集料黏附性(%)Table 4　Adhesion of asphalt-aggregate under all conditions

圖2　黏附性隨水浴作用時間變化曲線圖Fig. 2　Curves of adhesion along water bath time

由表4和圖2的試驗結果可知，各瀝青與石灰巖的黏附性均大于玄武巖，這種差距在基質瀝青中體現最為明顯。對于3種瀝青，高黏瀝青與2種集料均表現出較高的黏附性，其次是SBS改性瀝青，基質瀝青黏附性最差。

60 ℃水浴作用下，瀝青-集料界面黏附性明顯降低，而且隨水浴浸泡時間的延長逐漸變差。集料為玄武巖時，作用1 d后，SBS改性瀝青黏附性下降最快，基質瀝青與是高黏瀝青變化幅度大體一致，均較為平緩，1~5 d過程中，基質瀝青和SBS改性瀝青黏附性下降趨勢接近，高黏瀝青較為平緩；未進行水熱作用時，SBS改性瀝青和高黏瀝青與玄武巖的黏附性十分接近，而在水熱作用過程中，卻與高黏瀝青的差距越來越大。因此可以推斷對于未經水熱作用或短期水熱作用時，SBS改性瀝青仍然具有相對較高的黏附性，但高黏瀝青始終具有著高強的黏附性，尤其對于中長期的水熱作用來說更具優勢。集料為石灰巖時，作用1 d后，SBS改性瀝青與集料的黏附性衰退在3種瀝青中相對較為顯著，1~5 d過程中，基質瀝青、SBS改性瀝青與集料黏附性下降顯著，而高黏瀝青較為平緩。隨著水浴時間的增加，水熱作用會逐漸取代材料特性對瀝青?集料界面黏附性的影響，成為決定黏附性大小的主導因素，但并沒有改變各瀝青與石灰巖之間黏附性大小的順序，高黏瀝青在整個過程中始終與集料保持著較高的黏附性。

從60 ℃水浴5 d各材料組合的黏附性下降程度看，基質瀝青、SBS改性瀝青以及高黏瀝青與玄武巖的黏附性下降百分比依次為 26.6%，26%和15.8%，與石灰巖分別為28.8%，27.9%和9.7%，從中可以明顯看出高黏瀝青相比其他2種瀝青所具有的優勢。

瀝青膜在集料表面的剝落并非直接將集料裸露出來，而是一般首先表現為瀝青膜的變薄，這種瀝青膜的厚度變化通過水煮法很難定量地評估，從而造成判斷誤區。比如60 ℃水浴3 d時，SBS改性瀝青?石灰巖的黏附性與高黏瀝青?玄武巖的黏附性的比較，通過水煮法評定的黏附性等級都為4級，受主觀影響較大，而光電比色法的測試結果分別為45.9%和48.0%，黏附性好壞一目了然，試驗結果更加真實可靠。另外，有學者發現水煮法試驗中存在瀝青剝落假象，即原本已經剝落的瀝青在冷卻后又重新黏附到集料表面，這也會對黏附性等級的判斷造成極大的影響。

對比光電比色法和水煮法，雖然兩種試驗結果存在一定的關聯性，但是光電比色法可以將瀝青膜的這種收縮變薄考慮進去，通過集料對染色劑的吸附量化剝落率，更加準確地評價瀝青與集料的黏附性變化。

3.3　掃描電子顯微鏡檢測

雖然光電比色法計算了明顯的剝落率，但如果能夠更加清楚地觀察到瀝青-集料的界面，可以更加直觀地表現不同條件下瀝青-集料界面黏附性的差異。掃描電子顯微鏡(SEM)不僅可以清楚地觀察到樣品的表面形貌，還可以測定樣品的表面成分。本文以 SEM 作為輔助手段，觀測各瀝青與集料在不同老化狀態下的剝落狀態。下面以基質瀝青為例進行分析，圖3為水熱耦合作用后基質瀝青樣品的單一顆粒SEM圖像。

圖 3中(a)~(d)分別為 60 ℃水浴作用 0，1，3和5 d時基質瀝青與玄武巖的黏附情況，(e)~(h)為相應的基質瀝青與石灰巖的黏附情況。圖像中綠色線條內顏色較深的部分為瀝青，顏色較淺的部分為裸露的集料。比較 SEM 圖像與光電比色法可見，當 SEM 圖像中集料表面瀝青剝落面積約為集料面積一半時，對應的黏附性也約為50%，兩者表現出高度的一致性。

圖3　集料裹附瀝青后的SEM圖像(X80)Fig. 3　SEM images of the aggregate adhered with asphalt (X80)

對比3(a)~ 3(d)或3(e)~3(h)可以看出，對于同種集料，隨著水熱老化時間的延長，瀝青從集料表面剝落的面積也逐漸增大，而且水熱作用1，3和5 d的差距十分明顯，1 d時還只是瀝青膜收縮變薄，而3 d時則可以看到集料的花白色逐漸顯露出來，5 d時瀝青剝落面積逐漸擴大，從圖2中對應的折線段的斜率也可以看出不同的時間段脫落速率也各有差異。通過圖3(a)和3(e)，可以看出瀝青與集料的脫附過程中，瀝青主要是從集料周邊開始逐漸向中間脫落，這可能是由于周邊的棱角性較為明顯，瀝青在受熱過程中，由于自身重力作用會逐漸向表面地勢較低的地方流淌，然后使集料裸露出來，增加水分子進入瀝青?集料界面的幾率，導致瀝青與集料界面強度逐漸失效。

對比 3(a)和 3(e)可以看出，未受水熱作用時 2種集料與基質瀝青的黏附性均較好，基本均勻包裹在集料表面，且玄武巖表面節理較多，有許多凸點，而石灰巖相對平滑。比較 3(b)和 3(f)，3(c)和 3(g)或3(d)和3(h)，可以明顯看出相同水熱作用條件下，基質瀝青在玄武巖表面的剝落面積要遠遠大于石灰巖，表明石灰巖與基質瀝青的黏附性比玄武巖好。除此之外，對比2種集料，尤其是60 ℃水浴3 d后的圖像，可以發現瀝青在集料表面的脫落并非全部是層狀脫落，而是從集料某些表面特性較差的區域開始逐漸收縮變薄，直到完全將集料表面裸露出來。

對于其他幾種瀝青與集料界面黏附的 SEM 圖像，觀測結果表明：經過60 ℃水浴后，SBS改性瀝青和高黏瀝青在集料表面的剝落面積較少，尤其是高黏瀝青，在5 d老化后，剝落面積仍少于50%。對于2種集料，石灰巖與各瀝青的黏附性大都高于玄武巖。

4　結論

1) 各瀝青與石灰巖的黏附性均大于玄武巖；高黏瀝青相比其他2種瀝青黏附性更高。

2) 水熱耦合作用下，各瀝青?集料界面黏附性均有不同程度下降，高黏瀝青在3種瀝青中抵抗水熱作用的性能最優，尤其是對于中長期的水熱作用更具優勢；SBS改性瀝青只適用于短期水熱作用；隨著水浴時間的增加，水熱作用會逐漸取代材料特性對瀝青?集料界面黏附性的影響，成為決定黏附性大小的主導因素。

3) 水熱作用下，瀝青在集料表面的脫落并非全部是層狀脫落，而是從集料某些表面特性較差的區域開始逐漸收縮變薄，直到完全將集料表面裸露出來。

4) 相比水煮法, 光電比色法可以排除瀝青膜厚度變化對黏附性評定結果的影響，更加定量、可靠地評價瀝青與集料之間的黏附性能。

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