不同集料表觀特性對瀝青-集料黏附性能的影響*

胡芙蓉 涂崇志 李仁君 羅 蓉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063)

0 引 言

傳統(tǒng)的瀝青路面設(shè)計體系更傾向于使用堿性和中性材料，限制了對于部分非經(jīng)驗性高性能材料的使用，增加了工程成本[1].由工程經(jīng)驗可知，瀝青-集料的黏附性能是選取工程材料的關(guān)鍵指標(biāo).黏附性能的優(yōu)劣直接影響瀝青路面的疲勞壽命、自愈合能力及水穩(wěn)定性等使用性能[2].

有研究表明集料的形狀、棱角性和表面紋理是影響瀝青與集料黏附性能的主要因素.通過改善加工方式進(jìn)而改變集料的表觀特性來提升瀝青-集料的黏附性能對集料的就地取材具有很大意義.但現(xiàn)階段集料表觀特性對瀝青-集料黏附性能的影響研究還不夠深入[3]，無法完全建立微觀能量與宏觀表觀特性之間的聯(lián)系.所以，需要探究集料表觀特性對瀝青-集料黏附性能的影響.

為了探究集料表觀特性對瀝青-集料黏附性能的影響，文中選取采用完全除塵和精細(xì)化加工工藝加工的玄武巖和輝綠巖(簡稱精細(xì)化玄武巖和精細(xì)化精輝綠巖)以及未采用完全除塵和精細(xì)化加工的常規(guī)加工工藝加工的玄武巖和常規(guī)輝綠巖(簡稱常規(guī)玄武巖和常規(guī)輝綠巖)四種集料作為研究對象，使用集料圖像測試系統(tǒng)(aggregate image measurement system，AIMS)測試集料表觀特性，使用磁懸浮重量平衡系統(tǒng)測試集料表面能參數(shù).選取國創(chuàng)70#基質(zhì)瀝青、克拉瑪依瀝青兩種瀝青使用全自動表面張力儀(簡稱K100)測試瀝青表面能參數(shù).最后根據(jù)表面能理論計算分析瀝青-集料黏附能(簡稱黏附能)，探究集料表觀特性對瀝青-集料黏附能的影響，也就是探究集料表觀特性對瀝青-集料黏附性能的影響.

1 表面能理論與集料表觀特性

1.1 表面能理論

國內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范中最常見的評價瀝青-集料黏附性能的試驗是水煮法試驗[4]，但該試驗僅能人為的評價瀝青-集料的黏附性等級，不能進(jìn)行定量評價，人為誤差大.因此，當(dāng)前采用更為先進(jìn)的GvOC表面能理論體系計算瀝青-集料黏附能，進(jìn)而定量評價瀝青-集料之間的黏附性.此體系理論的分量組合形式見式(1).采用Young-Dupre方程將材料的表面能與熱力學(xué)的功結(jié)合成式(2)的形式來計算瀝青-集料黏附能[5-6].

(1)

(2)

1.2 集料表觀特性測試方法

現(xiàn)階段針對集料表觀特性的測試方法大部分是間接的測試方法：比如,AASHTO T304、ASTM D3398等，僅能做定性評價，不能進(jìn)行定量分析.而AIMS能客觀、快速、高效地分析集料的特性如形狀，棱角性和紋理，進(jìn)而提供集料的表觀特征值用于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計[7].為了更好地分析集料表觀特性對瀝青-集料黏附性能的影響，本次研究用AIMS進(jìn)行集料表觀特性測試.AIMS設(shè)備的外觀圖見圖1.

圖1 AIMS設(shè)備全景圖

2 AIMS測試集料表觀特性

2.1 測試原理

先利用燈光將集料投影到集料盤上，通過顯微鏡、照相機(jī)和燈光收集投影信息，再通過分析軟件將集料的表觀特性以圖表的形式表現(xiàn)出來.由于集料表面能測試時2.36～4.75 mm檔的集料測試最準(zhǔn)確，集料表面能測試所選取的集料檔位為2.36～4.75 mm[8].為了保證試驗變量的單一，AIMS測試的集料與表面能測試的集料為同一批.

2.2 測試過程

清洗集料并按照要求養(yǎng)生后，啟動集料測試系統(tǒng)并打開測試軟件.在操作軟件系統(tǒng)設(shè)定好要測的內(nèi)容及要存儲的子文件夾，依據(jù)試驗集料的粒徑選擇相應(yīng)的料盤進(jìn)行試驗.在料盤上按照要求均勻灑布集料控制集料間的密度，操作軟件進(jìn)行試驗并等待數(shù)據(jù)生成.2.36～4.75 mm檔的集料在AIMS上能測得的集料表觀特性分別為量化集料顆粒相對性狀的集料二維指標(biāo)、描述集料整體形狀邊界變化的集料棱角性指標(biāo)、描述集料顆粒表面的相對光滑或者粗糙度的集料表面紋理指標(biāo).

2.3 測試結(jié)果

2.3.1二維形狀指標(biāo)測試結(jié)果

利用AIMS得到四種集料的二維形狀指標(biāo)結(jié)果，見表1和圖2.二維指標(biāo)范圍值為0～20，單位為1，顆粒二維指標(biāo)為0時代表集料投影為圓形.二維形狀指標(biāo)越小，集料的平面投影越接近于圓形；反之，集料更傾向于扁平狀.

表1 四種集料二維形狀指標(biāo)匯總表

圖2 四種集料二維形狀指標(biāo)累計分布率

2.3.2棱角性指標(biāo)測試結(jié)果

利用AIMS得到四種集料的棱角性指標(biāo)結(jié)果，見表2和圖3.棱角性指標(biāo)范圍值為0～10 000，單位為1.顆粒棱角性指標(biāo)為0時代表集料顆粒為無棱角圓形集料.棱角性指標(biāo)越低，集料顆粒表面越圓滑、棱角較少；反之，集料表面棱角更為豐富.

表2 四種集料棱角性匯總表

圖3 四種集料棱角性指標(biāo)累計分布率

2.3.3表面紋理指標(biāo)測試結(jié)果

利用AIMS得到四種集料的表面紋理指標(biāo)結(jié)果，見表3和圖4.表面紋理指標(biāo)范圍值為0～1 000，單位為1.顆粒表面紋理指標(biāo)為0時代表集料顆粒表面光滑.表面紋理指標(biāo)越低，集料顆粒表面越光滑，粗糙感越??；反之，集料表面越不光滑，越粗糙.

表3 四種集料表面紋理匯總表

圖4 四種集料表面紋理指標(biāo)累計分布率

3 瀝青-集料黏附能測試

3.1 測試過程

3.1.1瀝青表面能測試

瀝青表面能參數(shù)的測定采用插板法.試驗全程記錄涂膜玻片浸入試劑過程中的受力變化，并依據(jù)玻片接觸試劑前后的受力差值計算接觸角的大小，最后利用Young方程計算瀝青的表面能參數(shù)[9-12].試驗將兩種瀝青按要求處理好后制備成瀝青涂膜玻片，養(yǎng)生24 h后進(jìn)行測試.采用游標(biāo)卡尺測量養(yǎng)生后的玻片的寬厚性狀.將選好的具有已知表面參數(shù)的測試試劑依次置于表面張力儀基座上，同時將玻片固定在稱量系統(tǒng)夾具上進(jìn)行試驗.操作儀器進(jìn)行接觸角數(shù)據(jù)的收集，得到瀝青與該試劑接觸時的前進(jìn)接觸角.

3.1.2集料表面能測試

集料表面能的測試方法為蒸氣吸附法.試驗通過測量裝有測試集料的天平小桶在不同階蒸氣壓力作用下質(zhì)量的變化量，采用M-BET蒸氣吸附理論以及DA等溫吸附擬合求得計算集料表面能參數(shù)的重要分量擴(kuò)散壓力，最后利用Young方程計算集料的表面能參數(shù).以精細(xì)化輝綠巖為例，清洗100 g集料并按要求養(yǎng)生集料至恒重.依據(jù)BET模型擬合范圍的精度及試驗儀器運(yùn)行的最大限度為試驗設(shè)定10階蒸汽壓進(jìn)行吸附試驗.試驗控制溫度為20 ℃.操作儀器在真空條件下依次得到樣品桶的質(zhì)量、不同試劑在各階壓力下的樣品吸附質(zhì)量.

3.2 測試結(jié)果

試驗根據(jù)不同試劑對瀝青的接觸角，以及相應(yīng)公式計算得到兩種瀝青的表面能參數(shù)，依據(jù)不同試劑蒸氣對集料的擴(kuò)散壓力，以及相應(yīng)公式計算得到四種集料的表面能參數(shù)，采用式(2)計算瀝青-集料黏附能，黏附能的計算結(jié)果匯總見表4.

表4 兩種瀝青與各集料的黏附能

4 研究結(jié)果分析

4.1 集料表觀特性分析

由于測試集料樣本眾多，樣本平均值是反映數(shù)據(jù)集中趨勢的一項指標(biāo)，指標(biāo)分析時采用樣本平均值來反映集料的表觀特性.由2.3測出的均值數(shù)據(jù)可得圖5的四種集料的表觀特性指標(biāo)匯總圖.

圖5 四種集料表觀特性匯總圖

由圖5可知，針對同種巖性的集料，常規(guī)輝綠巖比精細(xì)化輝綠巖的二維指標(biāo)大0.48，變化率為6%，常規(guī)玄武巖比精細(xì)化玄武巖的二維指標(biāo)大0.03，變化率為0.4%.采用不同加工工藝的同種巖性的集料，常規(guī)加工工藝加工的集料更傾向于扁平狀，集料的平面投影更加圓潤.采用同種加工工藝加工的不同巖性的集料，輝綠巖集料的二維指標(biāo)數(shù)值更大，輝綠巖加工后傾向于扁平狀，輝綠巖集料的平面投影較玄武巖更加圓潤.

針對同種巖性的集料，常規(guī)輝綠巖比精細(xì)化輝綠巖的棱角性指標(biāo)大432.8，變化率為12.29%，常規(guī)玄武比精細(xì)化玄武的棱角性指標(biāo)小203.3，變化率為7.10%.采用不同加工工藝加工的同種巖性的集料，常規(guī)輝綠巖的棱角性較精細(xì)化輝綠巖的棱角性豐富，精細(xì)化玄武巖的棱角性較常規(guī)玄武巖的棱角性豐富.采用同種加工工藝加工的不同巖性的集料，輝綠巖集料的棱角性指標(biāo)數(shù)值更大，輝綠巖的棱角性更加豐富.

針對同種巖性的集料，常規(guī)輝綠巖比精細(xì)化輝綠巖的表面紋理指標(biāo)大10.7，變化率為3.3%，常規(guī)玄武巖比精細(xì)化玄武巖的表面紋理指標(biāo)小18.2，變化率為5.2%.采用不同加工工藝加工的同種巖性的集料，精細(xì)化玄武巖的表面較常規(guī)玄武巖的表面更粗糙，常規(guī)輝綠巖的表面較精細(xì)化輝綠巖的表面更粗糙.采用同種加工工藝加工的不同巖性的集料，玄武巖的表面紋理指標(biāo)更大，玄武巖的表面比輝綠巖更粗糙.

4.2 瀝青集料黏附性分析

由3.2的數(shù)據(jù)可得圖6的兩種瀝青與四種集料的黏附能排序圖.

圖6 兩種瀝青與四種集料黏附能匯總圖

由于黏附能越大，瀝青-集料的黏附性能越好.克拉瑪依-精細(xì)化玄武的黏附能最大，為117.08 ergs/cm2，說明精細(xì)化玄武巖與克拉瑪依瀝青的黏附能最好.同時單獨(dú)分析不同瀝青-集料黏附能發(fā)現(xiàn)：針對不同加工工藝的同種集料與克拉瑪依瀝青的黏附能來說，精細(xì)化玄武巖優(yōu)于常規(guī)玄武，常規(guī)輝綠巖優(yōu)于精細(xì)化輝綠巖.針對不同加工工藝的同種集料與國創(chuàng)70#基質(zhì)瀝青的黏附能來說，精細(xì)化玄武巖優(yōu)于常規(guī)玄武巖，常規(guī)輝綠巖優(yōu)于精細(xì)化輝綠巖.

4.3 表觀特性對瀝青與集料黏附性的影響

由以上分析可以得到圖7的表觀特性指標(biāo)和玄武巖與不同瀝青的黏附能關(guān)系圖.

圖7 表觀特性指標(biāo)和玄武巖與不同瀝青的黏附能關(guān)系圖

由圖7可知，不同集料加工工藝加工的玄武巖二維指標(biāo)變化不大，推測其不影響瀝青-集料黏附能.同時對棱角性指標(biāo)和表面紋理指標(biāo)以及玄武巖與瀝青的黏附能進(jìn)行分析，判斷棱角性指標(biāo)和表面紋理指標(biāo)對黏附能的影響.發(fā)現(xiàn)集料的棱角性指標(biāo)和表面紋理指標(biāo)的變化趨勢與瀝青-玄武巖黏附能變化趨勢一致.存在如下關(guān)系：玄武巖棱角性增加203.3，表面紋理增加18.20，玄武巖與克拉瑪依瀝青的黏附能增加34.16 erg/cm2；玄武巖與國創(chuàng)70#基質(zhì)瀝青的黏附能增加20.8 erg/cm2.

同時可以得到圖8的表觀特性指標(biāo)和輝綠巖與不同瀝青的黏附能關(guān)系.

圖8 表觀特性指標(biāo)和輝綠巖與不同瀝青的黏附能關(guān)系圖

由圖8可知，不同集料加工工藝加工的輝綠巖二維指標(biāo)變化不大，推測其不影響瀝青-集料黏附能.同時對棱角性指標(biāo)和表面紋理指標(biāo)以及輝綠巖與瀝青的黏附能進(jìn)行分析，判斷棱角性指標(biāo)和表面紋理指標(biāo)對黏附能的影響.發(fā)現(xiàn)集料的棱角性指標(biāo)和表面紋理指標(biāo)的變化趨勢與瀝青-輝綠巖黏附能變化趨勢一致.存在如下關(guān)系：輝綠巖棱角性增加432.8，表面紋理增加10.7，輝綠巖與克拉瑪依瀝青的黏附能增加12.69 erg/cm2；輝綠巖與國創(chuàng)70#基質(zhì)瀝青的黏附能增加3.59 erg/cm2.以巖性和集料加工工藝作為控制變量，分析棱角性指標(biāo)和表面紋理指標(biāo)與瀝青-集料黏附能的關(guān)系.假設(shè)表面紋理指標(biāo)與棱角性指標(biāo)對瀝青-集料黏附能的影響因子分別為a和b，以某種巖石在不同加工工藝下導(dǎo)致的棱角性指標(biāo)以及表觀特性指標(biāo)的變化量為自變量，瀝青-集料黏附能的變化量為因變量建立等式(3)進(jìn)行分析.

ax+by=z

(3)

式中:a為表面紋理指標(biāo)對瀝青-集料黏附能的影響因子；b為棱角性指標(biāo)對瀝青-集料黏附能的影響因子；x為不同加工工藝下同種巖性集料的表面紋理指標(biāo)變化量；y為不同加工方式下同種巖性集料的棱角性指標(biāo)變化量；z為瀝青-集料黏附能的變化量.

可以得出表5的分析表格.

表5 表面紋理指標(biāo)與棱角性指標(biāo)對瀝青-集料黏附能的影響分析表

由表5可知，不同加工工藝加工的同種巖石，集料的表面紋理指標(biāo)對瀝青-集料黏附能的影響因子恒為正，說明集料表面紋理增加，瀝青-集料黏附能也會增加；集料的棱角性指標(biāo)對瀝青-集料黏附能的影響因子恒為負(fù)，說明集料棱角性增加，瀝青-集料黏附能會減少.以集料的表觀特性對克拉瑪依瀝青-集料黏附能關(guān)系為例進(jìn)行說明：集料的表面紋理指標(biāo)增加10，棱角性指標(biāo)增加100，克拉瑪依瀝青-集料黏附能增加2.14×10-0.02×100=21.2 erg/cm2.且表面紋理對黏附能的的影響遠(yuǎn)比棱角性的大，說明針對某種集料選用加工工藝時，應(yīng)選擇使用增加表面紋理的加工工藝，盡量避免使用增加棱角性的加工工藝.

5 結(jié) 論

1) 采用不同加工工藝加工的同種巖性集料，常規(guī)輝綠巖比精細(xì)化輝綠巖的的二維指標(biāo)大0.48，常規(guī)玄武巖比精細(xì)化玄武巖的二維指標(biāo)大0.03，常規(guī)集料更傾向于扁平狀，集料的平面投影更加圓潤.常規(guī)輝綠巖比精細(xì)化輝綠巖的棱角性指標(biāo)大432.8，說明常規(guī)輝綠巖的棱角性較精細(xì)化輝綠巖的棱角性豐富.常規(guī)玄武巖比精細(xì)化玄武巖的棱角性指標(biāo)小203.3，說明精細(xì)化玄武巖的棱角性較常規(guī)玄武巖的棱角性豐富.常規(guī)輝綠巖比精細(xì)化輝綠巖的表面紋理指標(biāo)大10.7，說明常規(guī)輝綠巖的表面較精細(xì)化輝綠巖的表面更粗糙.精細(xì)化玄武巖比常規(guī)玄武巖的表面紋理指標(biāo)大18.2，說明精細(xì)化玄武巖比常規(guī)玄武巖表面更粗糙.可以看出精細(xì)化玄武巖比常規(guī)玄武巖表面更加粗糙，棱角性更豐富，常規(guī)輝綠巖比精細(xì)化輝綠巖表面更粗糙，棱角性更豐富.

2) 同種巖性的集料經(jīng)不同加工工藝加工后，二維指標(biāo)幾乎不變，對集料與瀝青的黏附能幾乎沒有影響.

3) 同種巖性的集料經(jīng)不同加工工藝加工后，棱角性指標(biāo)和表面紋理指標(biāo)有很大變化.精細(xì)化加工比常規(guī)加工的玄武巖棱角性增加203.3，表面紋理增加18.20，玄武巖與克拉瑪依瀝青的黏附能增加34.16 erg/cm2；玄武巖與國創(chuàng)70#基質(zhì)瀝青的黏附能增加20.8 erg/cm2.常規(guī)加工比精細(xì)化加工的輝綠巖棱角性增加432.8，表面紋理增加10.7，輝綠巖與克拉瑪依瀝青的黏附能增加12.69 erg/cm2；輝綠巖與國創(chuàng)70#基質(zhì)瀝青的黏附能增加3.59 erg/cm2.集料的表面紋理指標(biāo)對瀝青-集料黏附能的影響因子為正，集料表面紋理增加，瀝青-集料黏附能也會增加；集料的棱角性指標(biāo)對瀝青-集料黏附能的影響因子為負(fù)，集料棱角性增加，瀝青-集料黏附能會減少.