細集料瀝青混合料的界面失效機制評價

王江龍

（山西振興公路監理有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

細集料瀝青混合料廣泛應用于隧道進出口抗滑磨耗層、機場道面罩面層等[1-2]。細集料瀝青混合料界面問題是混合料微觀層面研究的重點[3]。探明細集料瀝青混合料界面失效機制并提高細集料瀝青混合料內部瀝青-集料界面黏附性是延長細集料瀝青混合料路面材料使用壽命的關鍵。

細集料瀝青混合料界面破壞形式主要有兩種：一種是集料與瀝青界面的黏附失效；一種是瀝青與瀝青界面的黏聚失效[4]。對于細集料瀝青混合料的界面失效機制而言，近年來研究重心已轉移到微觀-介觀-宏觀多尺度方向，產生了一種具有代表性的多尺度評價方法。周新星[5]借助分子模擬與實驗多尺度分析了不同集料類型對細集料瀝青混合料界面黏附性的影響。Vasconcelos等[6]研究了水分在細集料瀝青混合料中的擴散，認為水的擴散取決于瀝青在水中的暴露時間。Ding等[7]以廢舊瀝青混合料為研究對象，通過分析細集料瀝青混合料的疲勞指數，評價其對再生廢舊瀝青混合料疲勞特性的影響。本文對細集料瀝青混合料的研究則主要集中在細集料瀝青混合料的界面失效機制及黏附驅動力。

1 原料與方法

1.1 原材料

試驗選用90號瀝青作為主要原材料，其基本參數軟化點為44.5℃、針入度為85 dmm（25℃）、延度大于150 cm（15℃）。集料分別為玄武巖、安山巖、鋼渣，集料特性均滿足JTG E42—2019公路工程集料試驗規程標準要求。

1.2 試驗方法

以太原市紫外年平均輻照強度為依據，采用紫外老化輻照1年的紫外輻照強度模擬紫外老化砂漿。依據JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程中T0729—2000制備水損壞砂漿。

細集料瀝青混合料級配采用國際稀漿封層AC-5規定。細集料瀝青混合料的油石比為7.5。集料物相組成測試采用X射線衍射儀。砂漿形貌和微區元素組成測試分別采用日立掃描電子顯微鏡和能譜儀。

1.3 細集料瀝青混合料的分子模擬

瀝青的分子模型采用瀝青質、飽和分、芳香分和油分四組份表示，分子結構如圖1所示。

圖1 瀝青分子結構

瀝青模型根據四組分測試結果確定。集料模型根據XRD測試結果確定，如圖2所示。通過Layer模塊構建細集料瀝青混合料界面分子模型。

圖2 細集料粉末衍射圖譜

采用公式（1）所示能量差E能量差來評價細集料瀝青混合料的界面失效形式：

定義E能量差＞0為黏聚失效，E能量差＜0為黏附失效。

2 結果與討論

2.1 細集料瀝青混合料中瀝青砂漿的界面元素組成和失效形式

如圖3所示，玄武巖、安山巖和鋼渣細集料瀝青混合料中瀝青砂漿的能譜結果顯示，玄武巖細集料瀝青混合料中瀝青砂漿含有部分無機非金屬氧化物和大量的有機高分子，具體包括瀝青、氧化鎂和二氧化硅等。安山巖細集料瀝青混合料中瀝青砂漿含有瀝青、碳酸鈣、氧化鎂、氧化硅等。鋼渣細集料瀝青混合料中瀝青砂漿中含有大量的瀝青，少量的碳酸鈣、氧化鎂等。細集料瀝青混合料中瀝青砂漿選取元素中鋼渣細集料瀝青混合料砂漿的瀝青含量最多；玄武巖細集料瀝青混合料砂漿的瀝青含量其次；安山巖細集料瀝青混合料砂漿的瀝青含量最少。由此可知，鋼渣細集料瀝青混合料中瀝青砂漿的界面失效形式主要為黏聚失效，玄武巖細集料瀝青混合料中瀝青砂漿的界面失效形式主要為黏聚失效，安山巖細集料瀝青混合料中瀝青砂漿的界面失效形式主要為黏附失效。

圖3 不同細集料類型瀝青混合料中瀝青砂漿的能譜分析

如圖4所示，未老化的玄武巖細集料瀝青混合料中瀝青砂漿含有碳、氧、鎂、硅元素，紫外老化的細集料瀝青混合料中瀝青砂漿含有碳、氧、鎂、鈣、硫元素，水損害的細集料瀝青混合料中瀝青砂漿含有碳、氧、鎂、硅、硫元素。由此可知，紫外老化和水損害導致細集料瀝青混合料中瀝青砂漿的黏聚失效。

圖4 不同環境下細集料瀝青混合料中瀝青砂漿能譜分析

2.2 細集料瀝青混合料的界面失效機制

如圖5所示，玄武巖和安山巖細集料瀝青混合料的能量差小于0，而鋼渣細集料瀝青混合料能量差大于0。由此可知，玄武巖和安山巖細集料瀝青混合料的界面失效機制為黏附失效；鋼渣細集料瀝青混合料的界面失效機制為黏聚失效。玄武巖細集料瀝青混合料在不同老化程度下的能量差都小于0，且幅度隨老化程度的增加而增大。結果表明：不同老化程度下玄武巖細集料瀝青混合料的界面失效機制均為黏附失效，只是失效難易程度有所增減。

圖5 細集料瀝青混合料的能量差

2.3 細集料瀝青混合料的界面黏附驅動力

如表1所示，細集料瀝青混合料的動能和勢能要大于非鍵能，而勢能又大于動能。結果表明，勢能是細集料瀝青混合料界面黏附性的主要驅動力。對于勢能而言，可分為：共價能（縱向）、共價能（橫向）、非鍵能；其中，共價能（diag.terms）主要包括鍵能、角能和彎曲能；共價能（cross.terms）主要包括鍵伸縮能、轉動伸縮能和彎曲轉動能；非鍵能主要包括范德華力和電能。共價能（縱向）、共價能（橫向）、非鍵能分別由鍵能、轉動伸縮能、范德華力主導，但是，共價能（diag.terms）是主要驅動力。角能和范德華力是黏附驅動力的主要控制指標；共價能（diag.terms）是細集料瀝青混合料黏附性驅動勢能中的主要作用力。

表1 細集料瀝青混合料的界面黏附驅動力 kcal/mol

3 結語

通過對細集料瀝青混合料界面失效機制的研究，主要得出以下結論：

a）玄武巖和安山巖細集料瀝青混合料界面失效由黏附失效主導，鋼渣瀝青混合料界面失效由黏聚失效占主導；紫外老化和水損害都會在一定程度上弱化細集料瀝青混合料界面間的黏附性，而且水損害對其黏附性損害程度更嚴重。

b）共價能是細集料瀝青混合料界面失效的主要驅動力；角能和范德華力是黏附驅動力的主要控制指標。

c）分子模擬結果和試驗結果具有很好的吻合性，模擬結果可以定性分析細集料瀝青混合料界面失效機制。