基于紫外分光光度法的高黏瀝青與集料黏附性研究

唐輝1，張海燕，萇偉濤3，許斌，楊偉濤3，曹東偉

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074；2.中路高科（北京）公路技術(shù)有限公司 北京 100088；3.石家莊市交建高速公路建設(shè)管理有限公司 石家莊 050000）

近年來，政府部門大力推廣海綿城市建設(shè)，透水、排水路面再次成為公路行業(yè)建設(shè)熱點[1-2]。排水瀝青路面是一種空隙率較大的路面結(jié)構(gòu)，上面層使用骨架空隙結(jié)構(gòu)，因此雨水可以通過面層下滲或者橫向排出[3]。排水瀝青路面具有行車噪音低、排水儲水等功能，而且可以極大地提高行駛安全性以及有效的改善駕乘人員的行車舒適性[4-5]。但正是由于排水瀝青路面采用骨架空隙結(jié)構(gòu)設(shè)計，較大的空隙率很容易使雨水進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，使瀝青與集料之間的黏結(jié)強(qiáng)度降低，加之車輛往復(fù)荷載以及復(fù)雜多變的氣候條件，很容易使瀝青與集料發(fā)生飛散脫落[6]。因此，排水瀝青路面需要一種高黏度、耐老化能力強(qiáng)的瀝青來提高混合料的路用性能，瀝青黏附性的好壞會影響到瀝青混合料的強(qiáng)度以及水穩(wěn)定性。基于此，本課題組制備了一種性能優(yōu)良的高黏改性瀝青（代號T-HVA），本文將重點研究該種瀝青與集料的黏附性。

目前公路行業(yè)評價瀝青黏附性的常用方法主要有水浸法和水煮法等，因為這兩種方法試驗操作簡單而且試驗結(jié)果較為直觀，但是這兩種方法均受到人為因素的影響較大，只能粗略的估計出黏附性等級[7]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及儀器科學(xué)的進(jìn)步，研究者們提出了許多新的方法來評價瀝青與集料的黏附性。程銳[8]通過光電比色法研究了瀝青與集料之間的黏附性；Nguyen 等[9]使用了一種附著力拉伸儀來測試瀝青與集料之間的黏附性，這種方法可以評價有水條件下的黏附性；陳峙峰等[10]使用剪切黏附法，研究了在不同溫度不同剪切速率下不同石料與瀝青之間的黏附性。結(jié)果表明此種方法評價黏附性可行，但是不能模擬混合料中集料的真實受力。綜上可知，不同評價瀝青與集料黏附性的方法各有所長，試驗操作也各不相同。本文將基于紫外分光光度法研究自制T-HVA高黏瀝青與不同集料的黏附性，同時通過混合料水穩(wěn)定性試驗進(jìn)一步檢驗結(jié)果的可靠性。

1 試驗原材料與方法

1.1 試驗原材料

（1）本試驗所選基質(zhì)瀝青為埃索70 號A 級瀝青；SBS 改性瀝青為實驗室購買的成品瀝青，其中SBS 改性劑摻量為6%；傳統(tǒng)高黏瀝青也為實驗室購買的成品瀝青，指已用于實體工程中的高黏瀝青。

（2）T-HVA 高黏瀝青為實驗室自制產(chǎn)品，制備工藝如圖1所示。該種瀝青是將70 號基質(zhì)瀝青加熱到160 ～165 ℃，然后向基質(zhì)瀝青中加入增韌劑，低速攪拌加入溶脹油并逐漸升溫至180 ℃，接著向混合物中依次加入熱塑性彈性體材料TPE 和增黏劑，采用高速剪切機(jī)（3 500 r/min）剪切至無明顯顆粒狀態(tài)，時間為30 min 左右，最后在175 ～180 ℃下緩慢加入穩(wěn)定劑，攪拌發(fā)育2 h 形成穩(wěn)定體系制備而成。以上瀝青各項基本性能指標(biāo)見表1所示。

圖1 T-HVA 高黏瀝青制備工藝

（3）集料，本試驗所選集料為洗凈干燥的花崗巖、玄武巖和石灰?guī)r。其中所選集料粒徑均為2.36 ～4.75 mm，酸堿性pH 值分別為：花崗巖0.57、玄武巖0.69、石灰?guī)r0.96，即石灰?guī)r＞玄武巖＞花崗巖。從理論上來說，集料堿性值越大與瀝青黏附性越好[11]。

表1 各種瀝青基本性能指標(biāo)

1.2 試驗方法

1.2.1 紫外分光光度法

本試驗選用島津UV-2550 型可見紫外分光光度計，溶劑選用甲苯溶液，如圖2所示。試驗時將少量粒徑2.36 ～4.75 mm 的花崗巖、玄武巖和石灰?guī)r集料分別放入瀝青-甲苯溶液中，經(jīng)過震蕩或者攪拌后，使各瀝青充分的黏附在各集料表面。然后加入水，再震蕩或者攪拌，便會有瀝青被水所置換。在整個過程中，瀝青甲苯溶液的濃度將會發(fā)生改變，通過對溶液濃度發(fā)生的改變進(jìn)行測量，便可計算得到不同的剝落量，以剝落率來評價其黏附性能。

其中剝落率Rs的計算公式為：

1.2.2 水煮法

為了與紫外分光光度法進(jìn)行比較研究，同時采用我國瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)范[12]中的水煮法進(jìn)行試驗，將兩者的試驗結(jié)果進(jìn)行比較。

1.2.3 瀝青混合料水穩(wěn)定試驗

為了更好地對自制T-HVA 高黏瀝青與集料的黏附性進(jìn)行研究分析，僅僅依靠瀝青與集料之間的抗剝落性來評價是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要對瀝青混合料的水穩(wěn)定性能進(jìn)行分析。該部分通過浸水馬歇爾和飛散試驗，以及凍融劈裂試驗來分析自制T-HVA 高黏瀝青的水穩(wěn)定性，并與傳統(tǒng)高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行對比，進(jìn)一步驗證自制高黏瀝青的黏附性。水穩(wěn)定性試驗方案為T-HVA 高黏＋玄武巖、T-HVA 高黏＋花崗巖、傳統(tǒng)高黏＋玄武巖和傳統(tǒng)高黏＋花崗巖，各混合料均采用PAC-13 級配，合成級配如表2所示。

圖2 紫外分光光度法測瀝青黏附性

表2 4 種混合料級配設(shè)計

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 紫外分光光度法試驗結(jié)果分析

根據(jù)紫外分光光度法試驗結(jié)果（圖3所示）可知，同一種瀝青與不同集料之間的剝落率不同，剝落率越小說明瀝青與集料之間的黏附性就越好。從試驗結(jié)果可知石灰?guī)r與同種瀝青的黏附性最好，這與集料的酸堿性對瀝青的黏附性理論結(jié)果相一致。主要是因為石灰?guī)r內(nèi)部空隙率較大，表面有大量的微型孔洞，對瀝青組分中的油分有極強(qiáng)的吸附作用，能夠沿石料毛細(xì)孔滲入材料深處。

從幾種瀝青與集料的剝落率試驗結(jié)果來看，自制的T-HVA 高黏瀝青與集料的黏附性最好。主要是因為自制的T-HVA 高黏瀝青中加入了熱塑性彈性體TPE，其含有大量活性且可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的雙鍵結(jié)構(gòu)，這點從T-HVA 高黏瀝青的紅外光譜圖中可以觀察到（如圖4），在波長2 900 cm-1附近處T-HVA 高黏瀝青出現(xiàn)振動，表征存在累積雙鍵的不對稱振動。在瀝青的制備生產(chǎn)過程中，改性劑中的雙鍵結(jié)構(gòu)和瀝青相互反應(yīng)生成了新的極性基團(tuán)，因此T-HVA 高黏瀝青與集料的黏附性較好。這也從側(cè)面上反應(yīng)了自制的T-HVA 高黏瀝青具有足夠的黏聚力來抵抗路面水損害。

2.2 水煮法試驗結(jié)果分析

從表3數(shù)據(jù)分析可知，SBS 改性瀝青、傳統(tǒng)高黏瀝青、T-HVA 高黏瀝青與各集料的水煮法試驗結(jié)果都是黏附等級5 級，無法判斷更加細(xì)微的差別。但紫外分光光度法可以實現(xiàn)定量分析瀝青與集料的黏附性，通過剝落率指標(biāo)直觀的判斷黏附性的大小。這主要是因為水煮法試驗結(jié)果是由個人觀察后通過估計剝落面積來進(jìn)行主觀評價，不同的人對同一個集料顆粒可能得到不同的黏附性等級，而且試驗過程中對外部條件的控制也是比較粗略的。

圖3 不同石料與瀝青的剝落率

圖4 T-HVA 高黏瀝青紅外光譜圖

綜上分析可知，水煮法雖然試驗過程簡單，但個人主觀性強(qiáng)，試驗結(jié)果不直觀。紫外分光光度計法雖然操作比較復(fù)雜，但試驗結(jié)果可以直觀的表達(dá)瀝青與集料的黏附性大小，需要注意的是紫外分光光度計法中的溶液與集料的接觸時間過短，會影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗分析

分別對T-HVA ＋玄武巖PAC-13 瀝青混合料、T-HVA ＋花崗巖PAC-13 瀝青混合料、傳統(tǒng)高黏＋玄武巖PAC-13 瀝青混合料和傳統(tǒng)高黏＋花崗巖PAC-13 瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 混合料水穩(wěn)定性試驗

從圖5中的試驗結(jié)果來看，自制T-HVA 高黏瀝青混合料的抗水破壞能力優(yōu)于傳統(tǒng)高黏瀝青混合料。相比之下，花崗巖T-HVA 高黏瀝青混合料的抗水破壞能力良好，與玄武巖傳統(tǒng)高黏瀝青混合料相差不大，因此用T-HVA 高黏瀝青鋪筑路面時花崗巖也可以作為優(yōu)良的鋪面材料。結(jié)合前面提到的水煮法和紫外分光光度法試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)三種試驗評價方法的結(jié)果是一致的，因此也說明了自制T-HVA 高黏瀝青與集料有較好的黏附性，同時也間接表明了紫外分光光度法評價瀝青與集料黏附性結(jié)果的可靠性。

表3 水煮法與紫外分光光度法試驗結(jié)果對比

3 結(jié)論

a）基于紫外分光光度計法測定瀝青與集料之間的黏附性，可以通過剝落率的大小來定量評價黏附性的好壞。該試驗過程雖然比規(guī)范中的水煮法操作繁瑣，但受個人主觀影響相對較小。通過兩種不同黏附性試驗結(jié)果對比，說明自制的T-HVA 高黏瀝青相比于傳統(tǒng)高黏瀝青具有更好的黏附性優(yōu)勢。

b）通過混合料的浸水馬歇爾、凍融劈裂和飛散等試驗結(jié)果可知，自制的T-HVA 高黏瀝青比傳統(tǒng)高黏瀝青的水穩(wěn)定性能更好，這與紫外分光光度法得到的T-HVA 高黏瀝青與集料的黏附性更好的結(jié)論相一致，間接驗證了紫外分光光度法試驗結(jié)果的可靠性，同時基于紫外分光光度法評價自制高黏瀝青與不同集料的黏附性的可行性。