基于真實瀝青膜厚的瀝青與集料黏結性能評價與驗證

王端宜， 郭秀林， 唐 成

(華南理工大學 土木與交通學院, 廣東 廣州 510641)

為準確評價瀝青與集料的黏結性能，國內外開發了大量定量評價方法，如基于表面能理論的試驗[1]、瀝青黏結強度試驗(BBS)試驗[2]、剝離試驗[3]、壓縮拉拔測試(CPOT)[4]等，這些測試方法克服了傳統水煮法不能進行定量評價的缺陷.其中，揭示了瀝青與集料黏附機理的表面能理論與BBS試驗得到了較為廣泛的關注[5-6].采用表面能理論評價瀝青與集料黏附性的關鍵是，在測試瀝青與集料表面能分量的基礎上，計算相應的配伍性參數.瀝青表面能分量的測試方法相對簡單，可采用接觸角法、插板法等，而集料由于表面能較大，在平衡擴展壓的作用下，采用接觸角法或燈芯柱法并不能準確測試集料的表面能分量，特別是集料的堿性分量[7].為準確測試集料的表面能分量，需要采用測試過程較為復雜的蒸汽吸附法[8]，而其存在不便工程應用的缺陷.BBS試驗具有測試流程相對簡單及方便工程應用的特點，目前已被正式納入AASHTO標準[2].BBS試驗通過在拉拔頭底部設置環形凸起及缺口可使瀝青膜厚固定在800μm，但其與瀝青混合料中真實瀝青膜厚尚存在較大差異.已有研究表明瀝青膜厚對瀝青的黏結性能有重要影響[9].基于上述不足，本研究提出了考慮真實瀝青膜厚的瀝青與集料黏結性能評價方法，以期為瀝青混合料原材料的選擇提供借鑒.

1 試驗

1.1 瀝青

瀝青采用普通基質瀝青、物理改性瀝青、化學改性瀝青及復合改性瀝青，分別為Esso70#基質瀝青(BA)、多聚磷酸改性瀝青(PMA)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青(SBSMA3、SBSMA4)以及SBS-多聚磷酸復合改性瀝青(SPMA).其中，PMA由摻量(1)文中涉及的摻量、含量等均為質量分數.為1%的多聚磷酸(P2O5含量≥85%)與BA在165℃、1000r/min攪拌速度下攪拌60min制得；SBSA3、SBSA4分別由摻量為3%、4%的SBS與BA在180℃、5000r/min下高速剪切60min制得；SPMA由摻量分別為3%、1%的SBS、多聚磷酸與BA在180℃、5000r/min下高速剪切60min制得.瀝青的基本性能指標如表1所示.

表1 瀝青的基本性能指標

1.2 集料

選用石灰巖與花崗巖2種集料進行黏結性能試驗.2種集料的技術指標滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的相關要求.用于黏結性能試驗的集料需加工成圓片狀，其幾何尺寸為φ20mm×10mm.圓片狀集料試件通過使用雙面鋸切割塊石及鉆芯機鉆芯得到，為使集料測試面具有相同的粗糙度和平整度，統一使用250、75μm砂紙進行打磨處理，打磨完成后用蒸餾水清洗，并在100℃烘箱中放置1h，然后將其放置于干燥器中冷卻至室溫備用.

1.3 黏結性能試驗

1995年，Nottingham大學Scholz博士提出了基于動態剪切流變儀(DSR)的瀝青與集料相互作用“單側”測試方法[10]，其后類似“三明治”的雙側測試方法被國內外科研院所廣泛用于瀝青與集料的黏附性能及界面特性研究.但“三明治”式雙側測試方法由于無法提供基準水平面，存在瀝青膜厚不易控制的缺陷.本文在已有研究成果的基礎上采用類似BBS試驗的“單側”試驗，可實現精確控制瀝青膜厚.

采用TA公司生產的AR—2000型DSR及8mm 不銹鋼平行板夾具，并自行設計了配套夾具，包括試樣夾持頭與水浴槽2個部分(見圖1).試件夾持頭通過螺絲與DSR固定，水浴槽與夾持頭通過螺紋連接，因此該裝置可以進行無水及有水條件下的黏結性能測試.Schram等[11]通過對458段瀝青路面進行長達9a的研究，發現瀝青膜厚對路面的長期性能存在重要影響，建議采用9～12μm的瀝青膜厚，以確保瀝青路面的耐久性能及抗剝落性能.為使真實瀝青混合料綜合性能最優及便于無水、有水條件下的黏結性能測試，本文采用的瀝青膜厚為10μm.無水條件下的測試步驟為：間隙歸零；設置上、下平板的初始溫度為60℃，待溫度平衡后，將瀝青試樣置于集料試件上，設置目標間隙為10μm；待達到目標間隙后，使用熱刮刀刮掉擠壓出平板邊緣的瀝青，設置目標測試溫度；達到目標測試溫度后，按照目標加載模式進行加載.有水條件下的測試流程與無水條件下的類似，區別在于有水條件下需將試件在60℃水浴中浸泡4h，然后在目標測試溫度下進行測試.采用拉拔加載模式，拉拔過程為：上平行板以10μm/s的速率進行拉拔，設定間隙達5000μm 時停止拉拔，采集加載過程中的拉拔力.

圖1 動態剪切流變儀與夾具

1.4 表面能分量的獲取

采用德國Dataphysics OCA40 Micro接觸角測量儀，對5種瀝青與蒸餾水、甘油及甲酰胺3種測試液體進行接觸角測試，并進行相應表面能分量的計算.試樣的制備及測試過程為：將瀝青加熱至流體狀態，使用刮刀將瀝青均勻涂抹在載玻片上，將制好的瀝青試樣置于干燥箱中12h后進行接觸角測試，每組試樣重復測試8次，結果取平均值.不銹鋼夾具、石灰巖、玄武巖、砂巖及花崗巖的表面能分量參考文獻[1,12]的測試結果.

2 可行性分析

2.1 表面能參數的計算

表面能為真空環境中增加單位表面積所需做的功，可使用二元理論或酸堿理論進行描述.本文使用酸堿理論進行表面能的相關計算，通過測試3種已知表面能參數的液體與瀝青的接觸角后，使用Young-Dupré方程求解其表面能分量，并計算無水條件下瀝青的內聚功WBB、瀝青與集料的黏附功WAB以及有水條件下瀝青與集料的剝落功WABW，見式(1)～(3).

(1)

(2)

(3)

有水條件下瀝青的內聚功WBBW為：

(4)

式中：γW為水的表面能.

瀝青與夾具的黏附功WFB、有水條件下瀝青與夾具的剝落功WFBW和瀝青與集料的黏附功形式類似，將式(1)～(3)中集料的表面能參數替換成夾具的表面能參數即可.

2.2 潛在破壞模式分析

2.2.1無水條件下潛在破壞模式分析

無水條件下5種瀝青的內聚功WBB、瀝青與夾具及不同集料的黏附功WD的計算結果見表2.由表2可見：瀝青的內聚功遠小于瀝青與夾具及瀝青與不同集料的黏附功.由此可見，夾具、瀝青及集料組成的三相體系在無水條件下，瀝青更趨向于發生內聚性失效，即破裂面出現在瀝青內部.

表2 無水條件下瀝青的內聚功、瀝青與夾具及不同集料的黏附功

2.2.2有水條件下潛在破壞模式分析

有水條件下5種瀝青的內聚功WBBW、瀝青與夾具及不同集料剝落功WW的計算結果如表3所示.由表3可見：有水條件下不同瀝青的內聚功、瀝青與不銹鋼夾具的剝落功均為正值，表明水分在瀝青中的擴散、有水條件下瀝青從不銹鋼夾具上的脫離并非熱力學自發過程；結合瀝青與集料的剝落功為負數的特點，可知有水條件下瀝青在不銹鋼夾具、瀝青及集料組成的三相體系中更趨向于發生瀝青與集料界面的黏附性失效.

表3 有水條件下瀝青的內聚功、瀝青與夾具及不同集料的剝落功

綜上，無水及有水條件下瀝青的失效趨向于出現在瀝青內部或瀝青與集料界面處，因此本文提出的測試方法是可行的，不需要采取額外技術手段增加不銹鋼夾具表面的粗糙度來防止瀝青從夾具表面脫離，有利于精確控制瀝青膜厚.

3 瀝青與集料黏結性能測試與驗證

3.1 瀝青與集料黏結性能評價指標

選擇拉拔試驗對瀝青與集料界面的黏附性能進行評價，同時考慮水對瀝青失效模式的影響，選用拉拔強度(P)、拉拔功(W)、殘留拉拔強度比(RSR)、殘留拉拔功比(RWR)考察瀝青與集料界面黏結特性，其計算式見式(5)～(8).

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Fpeak為拉拔力峰值；S為瀝青截面面積；Sint為加載曲線積分面積；V為加載速率；D為瀝青膜初始厚度；Pwet、Wwet、Pdry、Wdry分別為浸水處理后有水、無水條件下瀝青與集料之間的拉拔強度與拉拔功.

3.2 拉拔試驗結果及討論

在無水、有水及不同溫度(10、15、20、25、30℃)下對5種瀝青和2種集料進行了拉拔試驗.無水條件下瀝青的失效模式見圖2.由圖2可見，無水條件下，失效界面出現在瀝青內部，說明瀝青出現內聚性失效，與上述理論分析得出的潛在破壞模式相一致，即無水狀態下瀝青的黏結強度由瀝青的內聚力決定，而與瀝青集料兩者界面的黏附特性無關，即與集料類型無關.Lachance-Tremblay等[13]的研究也表明在干燥情況下，不同的基底對拉拔強度沒有顯著性影響.此外，已有的研究表明，瀝青的勁度對拉拔試驗結果有重要影響，勁度越大，拉拔強度越大[14-15].因此，無水條件下的拉拔試驗僅能區分不同瀝青與同種集料黏結性能的差異，不能區分同種瀝青與不同集料的黏結性能.與拉拔強度、拉拔功相比，殘留強度比(RSR)與殘留拉拔功比(RWR)由于進行了無量綱處理，消除了內聚功、瀝青勁度或模量的差異對黏結性能評價的影響，可用于比較不同瀝青與不同集料組合下瀝青的黏結性能.

圖2 無水條件下瀝青的失效模式

在無水拉拔試驗的基礎上，將瀝青、集料組合進行浸水處理后進行同樣的拉拔試驗，結果見圖3.由圖3可見：RSR和RWR均小于100%，表明浸水處理降低了瀝青與集料的黏結性能；不同溫度下集料與不同瀝青組合時的RSR、RWR排序為SBSMA4>SPMA>SBSMA3>PMA>BA，表明瀝青改性后水穩定性提高；多聚磷酸雖然提高了瀝青與集料之間的水穩定性，但是其對瀝青水穩定性的改善效果弱于SBS改性劑；在基質瀝青中添加1%摻量的PPA能顯著提高其與花崗巖的黏結性能，但是并未顯著改善其與石灰巖的黏結性能，已有的研究也表明PPA能改善瀝青與酸性集料的黏附性能[16]，這表明多聚磷酸對黏附性能的影響與具體的集料類型有關；隨著溫度的升高，RSR、RWR逐漸降低，這是因為提高溫度能加速瀝青與集料黏附性失效的熱力學過程；同時，隨著溫度的升高，不同瀝青與集料之間RSR、RWR的差異越明顯，即區分度越大，因此建議采用30℃作為拉拔試驗的溫度.

圖3 不同測試溫度下瀝青與集料的殘留強度比與殘留拉拔功比

3.3 黏結性能評價指標驗證

為驗證RSR與RWR指標的合理性，采用Bhasin基于表面能理論所提出的配伍性參數ER1進行比較，ER1指標為瀝青與集料的黏附功與有水條件下瀝青與集料的剝落功比值的絕對值[1].不同瀝青與集料組合下，ER1的計算結果見圖4.由圖4可見，除BA、PMA這2種瀝青外，其余瀝青與集料ER1的排序與其RSR、RWR的排序基本一致.這主要是因為Bhasin所提出的ER1指標僅僅考慮到了剝落功與黏附功，而并未考慮瀝青的內聚功.由2.2可知，瀝青與集料之間出現黏附性失效或瀝青本身出現內聚性失效時，應由兩者之間的薄弱環節確定.因此，用配伍性參數ER0指標(其計算式見式(9))來評價瀝青與集料的配伍性.

圖4 ER1計算結果

(9)

ER0數值越大，瀝青與集料的抗水損害能力越強.不同瀝青與集料組合下，ER0的計算結果見圖5.由圖5可見：ER0指標對不同瀝青與集料組合的配伍性評價結果與RSR、RWR指標排序完全一致，這說明綜合考慮瀝青內聚功、黏附功及剝落功的配伍性參數ER0評價指標能更好地區分不同瀝青與集料之間的黏附性能差異.

圖5 ER0計算結果

為直觀地分析RSR、RWR與ER0的關系，繪制了其在30℃下的相關關系曲線，結果見圖6.由圖6可見：RSR、RWR與ER0的正相關系數R2均達到了0.8以上，這說明本文提出的測試方法及評價指標符合表面能原理，能有效地評價瀝青與集料的黏結性能；相較于RSR，RWR與ER0的相關系數更高，推薦優先采用RWR指標評價瀝青與集料的黏結性能.

圖6 30℃下RSR及RWR與ER0的相關關系

4 結論

(1)提出了基于真實瀝青膜厚的瀝青與集料黏結性能測試方法，表面能理論表明無水條件下瀝青趨向于發生內聚性失效，而有水條件下趨向于發生瀝青與集料的黏附性失效，驗證了該方法的可行性.

(2)瀝青改性對瀝青與集料的黏結性能有顯著影響，5種瀝青與集料黏結性能的排序為SBSMA4>SPMA>SBSMA3>PMA>BA，SBS改性劑對瀝青水穩定性的改善效果優于多聚磷酸，相較于堿性集料，多聚磷酸能在一定程度上提高瀝青與酸性集料的水穩定性.

(3)殘留拉拔強度比(RSR)與殘留拉拔功比(RWR)指標能較好地區分不同瀝青與集料的黏結性能，推薦采用30℃下的RWR評價瀝青與集料的黏結性能.

(4)兼顧瀝青內聚力、黏附功與剝落功的瀝青與集料配伍性參數ER0相較于傳統指標能更好地區分不同瀝青與集料的黏結性能，且與RSR、RWR指標具有較強的線性相關關系.