基于界面黏附理論的瀝青與集料黏附特性研究進展

馬祥輝，楊振宇，樊 亮，胡家波，李永振

（1山東高速股份有限公司，山東 濟南 250101；2山東省交通科學研究院，山東 濟南 250102）

瀝青混合料是由不同規格的石料、瀝青和外加劑，按照一定的比例經拌和而成的產品[1]。瀝青在這種產品中起著粘結劑的作用，正是由于瀝青的存在，松散的石料才能組合成一個整體，能夠承重擔負起路面的作用[2]。瀝青與集料之間的粘結力是瀝青混合料形成強度的重要組成之一，兩者之間黏附性能的優劣關系著瀝青混合料的性能好壞。瀝青-集料界面黏附性好的瀝青路面不僅能夠承受車輛重載的反復作用不產生大的變形，還能承受水和重載的綜合作用不損壞，使用壽命大大增加[3-4]。界面黏附差的瀝青路面在車輛荷載的反復作用下容易產生車轍、擁包等病害，在有水存在的情況下易產生集料脫落、坑槽等水損害，增加交通事故的發生概率。因此開展瀝青-集料界面間的黏附特性研究，提高兩者之間的粘結力具有非常重要的意義。

現階段國內外眾多學者已開展關于兩者之間黏附特性的研究，總結現有研究發現瀝青與集料之間的黏附機理較為復雜，國內外對黏附機理的認識主要有以下五種理論[2-5]：（1）力學理論；（2）化學反應理論；（3）表面能理論；（4）分子定向理論；（5）靜電理論。基于這幾種理論，國內外學者開發了多種評價瀝青-集料黏附特性的試驗方法，但大多數為工程使用效果評價方法，對工程實踐的指導性不足。其中我國主要采用文獻[6]中的水煮法和水浸法，該方法采用人眼觀測預估脫落面積來定量黏附性等級，結果受試驗人員影響大，定量不準確。隨著科學技術的進步，光、電、磁、熱等技術逐漸被用在了工程實際中，光電比色法、溶劑洗脫法、SHRP凈吸附法、圖像處理法、超聲波測剝落率法等伴隨而生[2]。隨著各種表征儀器的發展，一些新型表征儀器也被用在了黏附性評價上，如拉力試驗機、原子力顯微鏡、接觸角測定儀、動態力學分析儀、動態剪切流變儀、紫外分光光度計等。雖然眾多技術手段和試驗方法均能評價瀝青-集料之間的黏附特性，但由于瀝青-集料本身組成的復雜性和界面黏附機理的復雜性，至今仍無公認的標準試驗方法。

本文通過查閱文獻及結合實際試驗，詳細描述國內外測試瀝青與集料之間黏附特性的測試方法，并進行歸類總結為圖像處理計算類評價方法、力學類評價方法、光電比色類評價方法、表面能理論評價方法、流變學評價方法。對比分析各種方法的優缺點及適用性，提出不同評價方法存在的問題，以期為以后的瀝青-集料界面黏附特性試驗評價方法的發展提供指導及建議。

1 界面黏附試驗方法進展

1.1 圖像處理計算類評價方法

針對文獻[6]中的試驗方法人為影響大、定量不準確的缺點，樊亮等[7]采用圖像處理技術對水煮法或水浸法試驗結果的圖片進行處理，主要是提取集料的整體像素面積和集料表面的瀝青裹覆面積（圖1），計算得到剝落率。袁俊[8]和董文嬌[9]等采用超聲波法結合圖像處理技術，測定瀝青-集料的黏附性。該方法創新的采用超聲波振動引起水的波動，模擬路面使用過程中的動水壓力，研究動水壓力對集料表面的瀝青膜的沖刷剝落現象，并結合圖像處理技術計算出剝落率，對黏附性進行定量評價。

圖1 集料表面瀝青裹覆面積計算Fig.1 Calculation of asphalt coating area on aggregate surface

1.2 力學類評價方法

該類試驗方法主要采用力學原理進行瀝青-集料之間的黏結力測定，主要包括拉伸試驗或剪切試驗。試驗原理為：將不同類型的集料制備成表面平整的規格形狀，在其表面涂抹瀝青，采用正向粘結或者側向粘結，然后在拉力試驗機的作用下測定拉力或者剪切力，如圖2所示。

圖2 物理力學類評價方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of physical mechanics evaluation method

王璐等[10]學者采用與美國材料與試驗協會制定的標準ASTM D4541拉脫試驗測量瀝青在集料表面上的附著力。季野[11]采用拉拔試驗和剪切試驗來測量老化后的瀝青在集料表面的粘結力，研究老化對瀝青-集料界面粘結性能的影響。延西利[12]、陳峙峰[13]等采用剪切試驗研究溫度、石料類型、瀝青種類、剪切速率等對瀝青-集料界面粘結力的影響。肖月等[14]采用動態力學分析儀（DMA）進行瀝青-集料界面間的拉伸試驗，表征了周期循環力作用下界面間的黏附性能。

1.3 光電比色類評價方法

該類試驗評價方法是采用吸光度原理，集料表面吸附瀝青或染料，水會置換集料表面的瀝青分子或染料，利用分光光度計測量溶劑中瀝青的濃度或者染料的濃度變化，計算得到集料表面瀝青的剝落率。

陳斌華[15]、馬峰[16]和程銳等[17]均采用染色水溶液浸泡裹覆瀝青的集料，利用分光光度計法測試染色水溶液的濃度變化，研究不同種類瀝青與不同類型石料的黏附率，并與傳統水煮法進行對比研究，結果表明，光電比色類方法測試靈敏度高，受人為影響小。周衛峰[5]和耿九光等[18]采用瀝青-甲苯溶液浸泡集料，測定瀝青-甲苯溶液濃度的變化，從而得到瀝青在集料表面的剝落率。美國公路戰略研究計劃（SHRP）開發了凈吸附法測試瀝青-集料之間的水敏感性，郝培文[19]、朱大章[20]和彭余華等[21]采用了水煮法、水浸法和凈吸附法研究瀝青-集料間的黏附性，對比分析了各種試驗方法與瀝青混合料凍融劈裂試驗之間的相關性，結果表明，凈吸附法與瀝青混合料水穩定試驗有良好的線性相關性。

1.4 表面能理論評價方法

表面能理論是指在一定的溫度和壓力下，液體與固體接觸生成新界面所需的功。該理論是一種能量轉化理論，瀝青與集料界面粘結力大小，取決于瀝青在集料表面的濕潤能力。濕潤能力是指瀝青在集料表面鋪展的能力，其與瀝青及集料本身的物理化學性質有關。由于水的表面張力比較強，其擴散能力強于瀝青，能夠置換集料表面的瀝青，降低瀝青與集料的粘結性能[22]。

瀝青與集料的黏附過程是在高溫下瀝青呈液體狀態，與集料固體表面接觸后，形成液固界面的過程，液體與固體之間存在接觸角，處于氣、液、固三相平衡狀態[23]。通過測量瀝青的表面張力、表面自由能及瀝青與集料間的接觸角，即可計算瀝青與集料間的粘附功，具體的計算公式如下。

當瀝青在高溫條件下呈現流動液體狀態，瀝青在集料表面的鋪展過程遵循吉布斯函數：

粘附功定義為：

即：

結合Young方程：

可得：

式（1）～（5）中：?G—吉布斯自由能，mJ/m2；γ1—液體表面自由能，mJ/m2；γs—固體表面自由能，mJ/m2；γsl—固液界面自由能，mJ/m2；Wsl—固液粘附功，mJ/m2；Θ—固液接觸角(°)。

由以上公式可知，只要測定了瀝青和集料的表面自由能以及兩者之間的接觸角，即可計算得到兩者之間的黏附功。

劉亞敏等[24]采用插板法和柱狀燈芯技術研究了瀝青與集料間的吸附功。鄭曉光等[25]通過Wilhelmy吊片法和吸附法測瀝青與集料的表面自由能來計算瀝青的內聚力及瀝青與集料之間的界面粘結力。汪立龍[26]、魏建明[27]、陳燕娟等[28]根據表面能理論，采用接觸角測定儀，測定瀝青與集料的表面自由能，根據上述計算瀝青與集料界面的粘附功，從而得到瀝青與集料的粘結性能。

1.5 流變學評價方法

國內外研究者認為瀝青混合料中瀝青的存在方式有兩種，一種是吸附在集料表面參與結構強度的形成，稱之為“結構瀝青”；另一種是未與集料發生交互作用，承擔抵抗和恢復瀝青混合料變形的作用，稱之為“自由瀝青”[29]。有研究認為，瀝青混合料的強度來源于瀝青-集料間的黏附力和瀝青-瀝青間的黏聚力，但起主要作用的為“結構瀝青”。

針對這一認知，眾多學者采用瀝青膠漿流變性能試驗進行瀝青-集料間的界面黏附特性研究。樊見維[30]、李桐[31]和張世興等[32]人開展礦物物理性質、化學特性、表面紋理及試驗條件對瀝青膠漿的力學性能影響研究，結果表明，礦料的粒徑大小、比表面積、表面紋理、荷載作用時間及溫度對膠漿力學性能均有影響。鄒桂蓮等[33]采用動態剪切流變儀（如圖3所示）對不同粉膠比的瀝青膠漿進行流變試驗，結果表明，高粉膠比有利高溫性能，低粉膠比有利疲勞性能，適宜的粉油比有利高溫與疲勞性能之間的平衡。肖月[14]采用動態剪切流變儀循環加載進行瀝青-集料界面間流變試驗，表征了瀝青膠漿的流變性能和黏附疲勞特性。孔維川[23]采用化學成分模擬法研究集料化學性質對瀝青膠漿流變性能的影響，結果表明，堿性化學物質的加入能夠提高黏結作用。

圖3 動態剪切流變試驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of dynamic shear rheological test

2 存在的問題及新型測試方法

2.1 圖像處理計算類方法

該類試驗方法是在傳統水煮法、水浸法的基礎上，采用了更加科學的圖像處理技術，計算出瀝青在集料表面的剝落率，改善了人為觀察的弊端，使剝落率的試驗結果具有一定的標準，初步具備了一定的定量性。但該類試驗方法在采用圖像處理軟件時，圖像的清晰度對像素的拾取具有很大的影響，另外圖像采集時也只是采集集料的表面，由于集料表面粗糙不平，具備一定的棱角性，不能完全采集到集料整體的圖像，故計算得到的試驗結果具有一定的片面性。該類試驗方法均需采用圖像采集系統，各個研究者均有自己的采集系統，無法做到標準統一，試驗結果與瀝青混合料的水穩定試驗結果相關性受瀝青種類影響較大（如圖4所示），對于70號瀝青試驗結果相關性良好，對于SBS改性瀝青相關性不佳。

圖4 不同類型集料與瀝青的黏附性及凍融劈裂試驗結果相關性Fig.4 Correlation of adhesion between different types of aggregates and asphalt and freeze-thaw splitting test results

2.2 力學類評價方法

拉伸或剪切試驗方法均可以測定表征瀝青-集料界面間的粘結力，但其均采用的平面板體，均需要將石料表面磨平，這與集料在瀝青混合料中存在的形態差別較大。實際集料的表面紋理是粗糙不平的，瀝青混合料中瀝青膜存在的狀態是厚薄不均且形態不規整的，故該類試驗方法無法有效反映瀝青混合料中瀝青與集料之間的粘結效果。

2.3 光電比色類評價方法

該類試驗方法采用分光光度計，儀器測試精度高，更能體現瀝青-集料黏附體系對水的敏感性，受人為影響小，數據客觀，不同實驗室間重現性高。但是存在溶液濃度不易控制，波長選擇不一致，操作較復雜，試驗周期長等缺點。集料表面化學弱難以準確反應等，凈吸附性與凍融劈裂相關性研究不足。

2.4 表面能理論評價方法

該類試驗方法均是測定瀝青、集料在常溫狀態下的表面能參數。瀝青為黏彈性體，其表面能參數隨著溫度的變化而變化，其在集料表面的潤濕過程與溫度有很大的關系，以上研究均是采用理論公式計算得到的瀝青與集料的黏附功，很難準確反應實際瀝青混合料中兩者的黏附狀態。

2.5 流變學評價方法

該類試驗方法創新采用循環加載的方式，有效模擬了實際的車輛荷載，研究了瀝青-集料界面間的疲勞損壞特性，從微觀層面解釋了界面間的黏附機理。該類試驗僅僅考慮了瀝青膠漿對瀝青與集料界面間的黏附特性的影響，與實際混合料的受力狀態有較大的差別，流變試驗與瀝青混合料實際受力情況的相關性研究仍不足。并且動態剪切流變儀設備價格昂貴，僅限于科學研究，不利于在工程實際應用中推廣。

2.6 新型測試方法的發展

隨著儀器表征手段及制造技術的發展，先進儀器諸如掃描電鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等，逐漸被用在瀝青路面材料微觀結構研究中。利用原子力顯微鏡微懸臂探針測定與瀝青表面分子間的相互作用力，可以表征瀝青表面的粘結力，因此越來越多的國內外學者基于原子力顯微鏡的測試方法，開展了瀝青黏附力和黏聚力的研究。單麗巖等[34]人利用AFM測量了SBS改性瀝青在拉伸作用下的黏聚力分布，開展其水敏感性研究。龐驍奕[35]、易軍艷[36]以表面能理論為基礎，利用AFM技術并結合宏觀拉拔試驗，利用力學模型，測定了瀝青和集料的表面能，解釋了界面黏附機理。

隨著互聯網編程技術和模擬軟件的發展，分子模擬技術[37]逐漸被眾多學者用在了瀝青-集料之間的黏附特性研究上。分子模擬技術可以從微觀分子層面模擬瀝青和集料的接觸性質。集料主要是由CaO、MgO、SiO2等物質組成，瀝青由四組分組成，這些均可以利用分子模擬技術實現。劉汝敏[38]、任永祥[39]和徐霈等[40]通過模擬瀝青四組分和集料化學成分模型，構建瀝青-集料模型，研究了集料化學成分與瀝青四組分界面黏附功的關系。在瀝青-集料模型中加入水分子模型，將瀝青-集料微觀分子層面的黏附模擬與宏觀黏附強度相聯系，研究了水對瀝青-集料界面黏附的影響。

綜上所述，各類瀝青-集料間黏附特性試驗評價方法各有千秋，試驗操作復雜程度不一，但均與實際工程相關性較差，均與瀝青混合料實際受力情況相差太多，均未與瀝青混合料水穩定性試驗建立良好的相關性。因此，為更好地表征瀝青-集料的黏附特性，需結合瀝青混合料在不同階段的黏附作用過程，需開展多尺度、多因素耦合作用下的黏附定量研究，形成多尺度、多因素耦合作用下的瀝青-集料黏附特性評價體系。另外為更好地結合并指導實際工程，利用高科技實驗評價手段，開展瀝青-集料之間黏附特性的快速評價方法，對工程質量的保證具有很重要的意義。

3 結語

瀝青與集料之間的黏附特性，決定著瀝青混合料的高溫、疲勞和水穩定性能，關系著瀝青路面的耐久性。通過查閱文獻及結合實際試驗，將國內外測試瀝青與集料之間黏附特性的測試方法，歸類總結為圖像處理計算類評價方法、力學類評價方法、光電比色類評價方法、表面能理論評價方法、流變學評價方法。對比分析了各類評價方法的優缺點及適用性，提出不同評價方法存在的問題，以期為以后的瀝青-集料界面黏附特性試驗評價方法的發展提供指導及建議。展望了未來瀝青-集料界面粘附特性研究的發展趨勢，提出了新型快速評價方法研發的必要性。