基于凈吸附試驗的瀝青-集料黏附性量化研究

李仁君,王麗靜,黃婷婷,胡芙蓉,羅 蓉

(1.武漢理工大學 交通學院 湖北 武漢 430063；2.湖北省公路工程技術研究中心 湖北 武漢 430063；3.湖北長江路橋股份有限公司 湖北 武漢 430212)

0 引言

我國道路建設發展迅速，瀝青路面已成為主要的鋪裝形式。然而大部分瀝青路面在修建初期就出現坑槽、松散、唧漿等水損害問題，嚴重影響道路服役質量。水損害產生的根本原因是有水存在的條件下，瀝青內部發生內聚破壞或者瀝青與集料界面發生黏附破壞，進而產生工程可見的水損害[1-3]。因此，準確評價瀝青與集料之間的黏附性能，從而優選出具有良好黏附性的瀝青-集料組合，對提高瀝青混合料抵抗水損害性能具有重要意義。

目前評價瀝青與集料之間黏附性的方法可以分為定性評價和定量評價兩類。定性評價類包括水煮法、水浸法，定量評價類包括凈吸附試驗、光電比色法等。水煮法、水浸法這類定性評價的方法，雖然操作簡單，但受人為主觀判斷影響較大，無法精確評價瀝青與集料之間的黏附性能[4-8]。尤其當不同瀝青與集料組合黏附等級相同時，無法進一步區別出黏附性能更優的瀝青-集料組合。而凈吸附試驗是一種能夠定量評價瀝青與集料黏附性的試驗方法，該方法相比于其他定性試驗方法，受人為主觀因素影響較小，試驗過程簡單，被國內外學者所廣泛采用[9-10]。同時，凈吸附試驗相比于現在國際上推薦使用的表面能理論，具有速度快、成本低等優勢[11-12]。但現階段在進行凈吸附試驗時并未明確指出應該在何種波長下進行凈吸附試驗，通常采用經驗值。實際上在某些波長區段下，當溶液濃度變化時，對應的吸光度變化不明顯，這樣就會導致試驗結果不準確。因此確定在何種波長下進行凈吸附試驗對試驗結果精確度的影響至關重要。

針對上述不足之處，本文首先采用多種波長測試不同濃度下瀝青-甲苯溶液的吸光度，通過對相鄰濃度溶液的吸光度差值進行研究，分析確定出凈吸附試驗中最佳試驗波長值。然后采用最佳試驗波長對中山玄武巖、角閃巖與50#基質瀝青、90#基質瀝青、SBS改性瀝青及高黏瀝青進行凈吸附試驗，判斷不同瀝青-集料組合的黏附性，并與水煮法試驗結果進行對比，驗證該方法的合理性和可行性。最后，總結全文主要結論。

1 確定凈吸附試驗最佳試驗波長

1.1 試驗原理

凈吸附試驗的原理是通過制備固定濃度的瀝青-甲苯溶液，將集料置于瀝青-甲苯溶液中，采用紫外分光光度計在一定波長下測量加入蒸餾水前后的瀝青-甲苯-集料體系中瀝青-甲苯溶液濃度的變化，并以此濃度變化為依據，計算集料對瀝青的吸附量以及遇水后集料表面瀝青的殘留量[13-14]，來準確量化瀝青-集料之間的黏附性能。其中，吸附量是指單位質量集料表面遇水前吸附的瀝青質量，殘留量是指單位質量集料表面遇水后集料表面殘留的瀝青質量。水分子置換集料表面瀝青分子過程如圖1所示。

圖1 水分子置換集料表面瀝青分子示意圖

在進行凈吸附試驗時，紫外分光光度計將某一特定波長的光連續照射到一定質量濃度的樣品溶液，得到與波長相對應的吸收強度，即吸光度，通過吸光度來確定溶液濃度，故可以通過某一波長下溶液吸光度的變化來反映該溶液濃度的變化情況。但是在某些波長區段下，當溶液濃度變化時，對應的吸光度變化不明顯，這樣就會直接影響試驗結果。因此為了保證試驗結果的準確性，減小試驗誤差，首先需確定出一個波長區域，使得在此波長區域下測量得到的吸光度能夠顯著反映溶液的濃度變化。下面以50#基質瀝青為例，利用紫外分光光度計確定合理試驗波長。

1.2 試驗儀器及過程

1.2.1試驗材料及儀器

試驗以50#基質瀝青作為研究對象，試驗中所需要的儀器設備包括：紫外分光光度計，比色皿，振蕩器，25 ml容量瓶、100 ml錐形瓶、50 ml錐形瓶、玻璃棒等玻璃器皿若干，移液槍1支。凈吸附試驗中所需要的儀器設備與波長確定試驗中的試驗儀器相同，具體如圖2所示。

圖2 凈吸附試驗儀器示意圖

1.2.2試驗過程

a.瀝青-甲苯溶液配置：使用高精度電子天平分別稱量7.2、9.6、12.8、15.2、17.6、19.2、21.6、24.0 mg的50#瀝青，分別溶于100 ml純甲苯溶液，使用振蕩器振蕩4 h，此時初始溶液濃度分別為0.072、0.096、0.128、0.152、0.176、0192、0.216、0.240 mg/ml，并分別裝至30 ml錐形瓶中(圖3)。

圖3 瀝青-甲苯溶液配置示意圖

b.吸光度測量：分別將步驟a.中配置好的不同濃度的瀝青-甲苯溶液采用移液槍將4 ml瀝青-甲苯溶液移入潔凈的25 ml空容量瓶中，使用純甲苯溶液稀釋至25 ml并均勻混合，使用移液槍將稀釋后的瀝青-甲苯溶液移至比色皿中，采用紫外分光光度計測量在不同波長下溶液的吸光度。已知該儀器可以測得190～1 100 nm波長下的吸光度，測量結果如圖4所示。

圖4 不同波長下的吸光度示意圖

1.3 試驗結果及分析

為確定合理的試驗波長，通過計算相鄰濃度溶液的吸光度差值進行分析。相鄰溶液濃度的吸光度差值圖如圖5所示。其中差值為零的區域需要舍棄，是因為不同濃度的溶液在相同波長下對應的吸光度應該不同，而差值為零代表不同的溶液濃度在相同波長下的吸光度相同。同時若不同濃度溶液吸光度差值過小，試驗結果容易受到試驗誤差的影響，導致偏離真實吸光度，對試驗結果影響較大。此外，不同濃度溶液吸光度差值越大，越難受到試驗誤差的影響，試驗結果能夠反映出真實吸光度。

圖5 相鄰濃度溶液的吸光度差值圖

通過以上分析可以將瀝青-甲苯溶液吸光度分為3個階段：

a.OA段(190～330 nm波段)：當設定波長小于330 nm時，測量的溶液濃度從0.072 mg/ml變化到0.24 mg/ml時，該區段存在差值為零的情況，且吸光度差值變化較小，容易導致各溶液濃度下測量的吸光度不準確；

b.AB段(330～550 nm波段)：當波長處于330 nm至550 nm的范圍內時，隨著溶液濃度的變化，各溶液濃度下對應的吸光度變化顯著，濃度的變化會引起較大的吸光度變化，該區段能反映出溶液真實吸光度；

c.BC段(550～1 100 nm波段)：由于試驗精度控制在0.05 mg/g，當波長大于500 nm時，相鄰濃度差均小于0.05 mg/g，此時容易受到試驗誤差的影響，導致測量值偏離真實吸光度，對試驗結果影響較大，所以不選用波長大于500 nm的區段進行凈吸附試驗。

因此，在進行凈吸附試驗時，試驗波長應在AB段(330～550 nm波段)中選擇。同時試驗結果表明當波長為340 nm時，不同濃度瀝青-甲苯溶液的吸光度變化最明顯，故建議采用的波長為340 nm進行試驗。

2 采用凈吸附試驗分析瀝青與集料黏附性

2.1 試驗材料及準備

a.試驗材料

試驗選用2種集料，分別為中山玄武巖和角閃巖，瀝青選用4種常見瀝青，分別為50#基質瀝青、90#基質瀝青、SBS改性瀝青及高黏瀝青，水煮法試驗采用的集料和瀝青與凈吸附試驗相同，以便更為直觀地與凈吸附試驗結果對比。試驗材料見圖6。

(a)中山玄武巖

b.試驗準備

由1.3節可知紫外分光光度計在340 nm波長下測量出的溶液的吸光度相對最準確，所以本次試驗在340 nm波長下進行試驗。同時紫外分光光度計對測試溶液的質量濃度比較嚴苛[15]：必須保證配置的瀝青-甲苯溶液為1 mg/ml。所以本次試驗的標準試驗按照最優配置進行試驗，

2.2 試驗步驟

凈吸附試驗的具體試驗步驟可以簡述如下：

a.集料準備：使用蒸餾水清洗集料并烘干，烘干時間約15 h，待降溫至室溫后進行試驗。

b.瀝青-甲苯溶液配置：使用高精度電子天平稱量100 mg瀝青，溶于100 ml純甲苯溶液，初始濃度為1 mg/ml，使用振蕩器振蕩4 h，使其溶解均勻，并分裝至3個錐形瓶中，每個錐形瓶中瀝青-甲苯溶液30 ml。

c.測量瀝青-甲苯-1溶液吸光度A1：將步驟b中配置的瀝青-甲苯溶液記為瀝青-甲苯-1，使用移液槍將4 ml瀝青-甲苯-1移入潔凈25 ml容量瓶(錐形瓶中剩余26 ml瀝青-甲苯-1)，使用純甲苯溶液稀釋至25 ml并混合均勻，此時的稀釋溶液記為瀝青-甲苯-1-d，使用移液槍將瀝青-甲苯-1-d移至比色皿，采用紫外分光光度計測量得到瀝青-甲苯-1-d吸光度A1，用以反映純瀝青-甲苯溶液濃度。

d.測量集料吸收瀝青后的瀝青-甲苯溶液吸光度A2：將15 g±0.001g的集料試樣放入配置好的瀝青-甲苯-1溶液中，得到瀝青-甲苯-集料體系，使用振蕩器充分振動17 h，使集料充分吸收瀝青分子，此時的瀝青-甲苯溶液記為瀝青-甲苯-2，同樣使用移液槍將4 ml瀝青-甲苯-2溶液移入25 ml容量瓶，加入純甲苯溶液稀釋至25 ml后得到瀝青-甲苯-2-d，測量得到瀝青-甲苯-2-d的吸光度為A2，用以反映混合液中瀝青分子被集料吸附后的瀝青-甲苯-2溶液濃度。

e.測量水分子置換集料表面瀝青分子后的瀝青-甲苯溶液吸光度A3：使用移液槍將6 ml蒸餾水注入瀝青-甲苯-集料體系，采用振蕩器充分振動6 h，此時的瀝青-甲苯溶液記為瀝青-甲苯-3，使用移液槍將4 ml瀝青-甲苯-3溶液移入25 ml容量瓶，加入純甲苯稀釋至25 ml后得到瀝青-甲苯-3-d，測量得到瀝青-甲苯-3-d的吸光度為A3，用以反映吸附在集料表面的瀝青分子被水分子替代后的瀝青-甲苯-3溶液濃度。

瀝青-甲苯溶液在不同步驟中的吸光度變化如圖8所示，每種集料-瀝青組合設置3組平行試驗，試驗中變異系數控制在3%以內。

圖7 瀝青-甲苯溶液在不同階段的濃度變化示意圖

2.3 試驗結果與分析

根據前述試驗中獲得的了瀝青-甲苯-集料體系在加水前后，瀝青-甲苯溶液濃度變化的吸光度數據，基于上述數據，進一步分析水分子對吸附在集料表面瀝青分子的置換情況，具體計算過程如下：

a.計算初始吸附量Mi，即為單位質量集料表面初始吸附的瀝青質量：

(1)

式中：M0為單位質量集料表面吸附的瀝青質量，mg/g；V為初始錐形瓶中瀝青-甲苯溶液的體積，在本研究中為30 ml，ml；C為瀝青-甲苯溶液的初始濃度，即瀝青-甲苯-1的濃度，本研究中初始濃度為1 mg/ml；M為集料重量，g；其余A1、A2含義同前文。

b.計算凈吸附量Mn，即為被水分子置換后殘留在集料表面的瀝青質量：

(2)

式中：Mn為單位質量集料表面殘留的瀝青質量，mg/g；Vr為2.2節步驟d中錐形瓶中的瀝青-甲苯-2體積，為26 ml；其余字母含義同前文。

c.瀝青殘留率R，即殘留在集料表面的瀝青占全部吸附瀝青的質量百分率：

(3)

根據集料表面瀝青殘留率R大小，可以將瀝青-集料黏附性分為3個等級，如表1所示，若黏附性在同一個等級范圍內，可以根據瀝青殘留率R的大小進行比較，瀝青殘留率R越大，說明瀝青與集料之間黏附性越好。

表1 瀝青與集料的黏附等級Table1 AdhesiongradeofasphaltandaggregateR/%瀝青與集料黏附性能判定﹥70好55～70一般﹤55差

根據上述計算步驟，分別計算Mi、Mn以及R，并將水煮法試驗得到的結果同時列于表中，結果詳見表2。

表2 凈吸附試驗指標與水煮法試驗指標結果Table2 Netadsorptiontestindicatorsandresultsofboilingtesttestindicators集料類型瀝青類型凈吸附試驗指標Mi/(mg·g-1)Mn/(mg·g-1)R/%瀝青與集料黏附性能判定水煮法黏附等級50#瀝青0.1030.04644.66差3角閃巖90#瀝青0.0410.01434.15差3SBS改性瀝青0.0590.03254.24差4高黏瀝青0.5620.43777.76好550#瀝青0.3230.17253.25差4中山玄武巖90#瀝青0.2330.13658.37一般4SBS改性瀝青0.2950.23077.97好5高黏瀝青0.7640.65886.13好5

表2可直觀的對兩種試驗方法中集料-瀝青黏附性進行比較。其中，水煮法試驗結果為：中山玄武巖與4種瀝青的黏附等級均比角閃巖好；角閃巖與4種瀝青黏附等級排序為：高黏瀝青>SBS改性瀝青>90#瀝青=50#瀝青；中山玄武巖與4種瀝青黏附等級排序為：高黏瀝青=SBS改性瀝青>90#瀝青=50#瀝青。凈吸附試驗結果為：中山玄武巖的4種瀝青黏附性均優于角閃巖，中山玄武巖較角閃巖與瀝青黏附性更佳；角閃巖的4種瀝青黏附性排序為：90#瀝青<50#瀝青

水煮法試驗結果無法進一步篩選出瀝青與集料的黏附性順序，但凈吸附試驗結果可以更加準確的確定出具體的瀝青—集料黏附性的排序組合。例如水煮法試驗中，中山玄武巖與50#瀝青、90#瀝青的黏附等級均為4級，此時無法通過水煮法確定的黏附等級進行瀝青選擇。而凈吸附試驗可以得到在相同水煮法黏附等級下瀝青與集料黏附性能的排序，對于中山玄武巖，90#瀝青的殘留率R為58.37%，50#瀝青的殘留率R為53.25%，表明90#瀝青較50#瀝青與中山玄武巖黏附性更好。通過凈吸附試驗，可以準確量化出瀝青與集料之間的黏附性能。

由凈吸附試驗可知，8種集料-瀝青組合黏附性排序為：角閃巖-90#基質瀝青<角閃巖-50#基質瀝青<中山玄武巖-50#基質瀝青<角閃巖-SBS改性瀝青<中山玄武巖-90#基質瀝青<角閃巖-高黏瀝青<中山玄武巖-SBS改性瀝青<中山玄武巖-高黏瀝青，如圖8所示。其中角閃巖+高黏瀝青、中山玄武巖+SBS改性瀝青、中山玄武巖+高黏瀝青組合均有很好的黏附性能，中山玄武巖+90#瀝青組合黏附性一般，剩余集料-瀝青組合黏附性較差。凈吸附試驗準確量化了瀝青-集料之間黏附性能，判斷出50#瀝青、90#瀝青、SBS改性瀝青以及高黏瀝青與角閃巖、中山玄武巖之間黏附性優劣，相比與傳統水煮法試驗，更具有可行性。

圖8 8種集料-瀝青組合瀝青殘留率R變化示意圖

3 結論

本文通過進行不同波長下不同濃度溶液的吸光度測量試驗，確定出試驗最佳試驗波長。通過最佳試驗波長下的凈吸附試驗準確量化了瀝青-集料之間的黏附性能，判斷出50#瀝青、90#瀝青、SBS改性瀝青以及高黏瀝青與角閃巖、中山玄武巖之間的黏附性優劣，結論如下：

a.試驗確定出適用于凈吸附試驗的最佳試驗波長：當波長處于330～550 nm的范圍內時，隨著溶液濃度的變化，各溶液濃度下對應的吸光度變化顯著，該區段能反映出溶液真實吸光度。同時，當波長為340 nm時，不同濃度瀝青-甲苯溶液的吸光度變化最明顯，為減小試驗誤差，提高凈吸附試驗的精準度，推薦使用340 nm波長開展凈吸附試驗。

b.相比于水煮法試驗，凈吸附試驗結果與水煮法試驗結果一致，證明凈吸附試驗具有合理性。凈吸附試驗可以得到在相同水煮法黏附等級下瀝青與集料黏附性能的排序，能夠準確評價瀝青與集料之間的黏附性能，優選出具有良好黏附性的瀝青-集料組合。

c.凈吸附試驗結果顯示角閃巖與4種瀝青之間的黏附性排序為：90#瀝青<50#瀝青#

d.凈吸附評價方法在宏觀上是通過物質變化對黏附性能進行的評價，微觀上反映出加水前后瀝青-集料界面之間能量的轉移與守恒，能夠量化集料-瀝青黏附性能從不同角度揭示了集料-瀝青界面黏附機理，因此凈吸附試驗可為開展界面的黏附失效研究做貢獻。