水热耦合作用下沥青−集料界面黏附性研究

崔宇超，马翔，孙孝语

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

排水路面作为一种大空隙路面结构，其与水、热、冻融等外部环境接触更加充分，排水路面的黏结失效与沥青−集料界面黏附性有直接关联，为了研究排水路面的松散病害形成机理，必须研究外部环境因素对沥青−集料黏附性的影响。在水的作用下，集料表面沥青膜易被水分子置换，致使沥青与集料脱黏，形成水损害，而热的作用将加剧水分子的运动，苗英豪等[1]认为，高温与降水的组合过程是除冻融循环过程之外的另一个影响沥青路面水损害的气候过程。沥青路面的水损害是其典型病害之一，与水损害相关的沥青−集料界面黏附特性一直是道路工程行业研究的热点。2012年，李健等[2]从沥青种类、集料尺寸以及海拔高度等多方面入手，测试了沥青与集料之间的黏附性，结果表明在高海拔地区水煮法不适合作为沥青与集料黏附性等级的评价方法；2013年，袁峻等[3]认为超声波可以较好地模拟动水压力下沥青在集料表面的抗剥落性能，并认为两者之间的黏附性与集料的表面形态有关；2014年，Cong等[4]研究表明，沥青−集料黏结体系对环境温度敏感，当温度超过沥青软化点时，黏结体系会被破坏；2015~2016年，陈斌华和陈锐等[5−6]先后对比研究了光电比色法和水煮法，定量解释了沥青与矿料的黏附效应；XU等[7]通过分子动力学计算了沥青−集料界面处的相互作用能与黏附功，认为沥青与集料之间的黏附力很大程度上取决于干、湿表面条件下的集料类型；XU等[8]结合AFM和MD 2种手段分析了热混合期间和荷载作用下沥青与集料的结合和脱黏过程，并解释了老化对沥青−集料黏附性的影响。已有的研究表明[8−12]，现有规范采用的水煮法难以定量评价沥青与集料之间的黏附性水平，而光电比色法可以作为一种有效的定量评价方法，且结果较为可靠。但是，以上研究均未以定量、可靠的结果来表明水与温度的耦合作用对沥青−集料黏附特性的影响，且没有对高黏沥青这种排水路面常用材料进行对比研究，无论是广度还是深度方面都需要进一步的研究。本文基于光电比色法，定量分析水热耦合作用下沥青−集料界面的黏附特性。

1　试验方案

原材料选择：为了较充分考虑原材料类型的影响，结合实体工程应用情况，本研究选取了 70号基质沥青、SBS改性沥青及高黏沥青3种沥青；玄武岩、石灰岩2种集料进行组合研究。

水热耦合条件：水、温度、荷载是影响沥青−集料黏附性的主要外因[13−17]，其中温度包括高温(热)、低温(冻融)2个方面，本文仅对水热耦合作用下沥青−集料的界面黏附特性进行研究，其他因素的耦合作用将在后续研究中开展。本研究采用60 ℃的水浴作为试件水热耦合的条件，为了模拟水热耦合时间的影响，本文分别对60 ℃水浴中浸泡0，1，3和5 d后的试件进行对比研究。

试验过程：原材料的性质是影响沥青−集料界面黏附特性的内因，本研究首先对选用的原材料进行性能试验，接着按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)T0616—1993中规定的水煮法对水热耦合作用下各沥青与粗集料黏附性等级进行初步定性的评价，然后利用光电比色法对细集料与各沥青的黏附性做出定量的评价，最后选取有代表性的集料样品进行扫描电镜检测，观察沥青在集料表面脱黏行为的规律性，并结合水煮法结果与光电比色法数据进行分析，解释水热耦合作用下对沥青−集料界面黏附性的影响。

2　原材料试验

本研究所采用的原材料主要是3种不同种类的沥青和2种不同种类的集料，两类原材料的关键技术指标如表1和表2所示：

从表中的试验结果可知，本研究采用的沥青和集料所检测各项指标均能较好的满足技术规范的要求。

表1　沥青试验结果Table 1　Asphalt test results

表2　集料试验结果Table 2　Aggregate test results

3　黏附性评价试验

3.1　水煮法试验

研究过程中将在 60 ℃水浴中浸泡不同时间的样品采用水煮法评定各沥青与集料黏附性等级，结果如表3所示。

表3　各沥青−集料水煮法黏附性等级Table 3　Adhesion level by boiling method ofasphalt-aggregate

从上表中的试验结果可知，不同样本的黏附性在水热耦合作用下有一些总体的差异：从沥青角度来分析，黏附性等级依次为高黏沥青＞SBS改性沥青＞基质沥青；从集料的角度来分析，石灰岩的黏附性等级优于玄武岩；各种样本随着在 60 ℃水浴中浸泡时间的增长，其黏附性总体而言变差。但水煮法试验并不能明显区分水热条件下对黏附性优的样本的影响，尤其对高黏沥青组成的样本，水热对黏附性的影响并不明显。

3.2　光电比色法试验

本研究的光电比色法试验利用酚藏红花染色溶液，通过721型可见分光光度计检测各种沥青和集料在不同老化条件下的黏附状态，具体以沥青在集料表面的剥落率来体现(图1，图2及表4)。

1) 称取粒径为2.36~4.75 mm的2种集料，洗净、烘干备用，同时将各沥青于规范规定的拌和温度下软化备用。

2) 取2种集料各400 g，按减量法分别加入8 g基质沥青，充分、均匀搅拌2~3 min。将拌好的沥青均匀摊铺，在室温下冷却至少24 h。然后将其分为4份，每份100 g。

3) 改用其他2种沥青，重复步骤(2)。

4) 配置浓度为0.01 mg/mL的酚藏红花染料溶液，并水浴加热至60 ℃，在未经拌和的2份100 g集料中各加入200 mL溶液，60 ℃水浴保温2 h。

5) 分别配置浓度为0.002，0.004，0.006和0.008 mg/mL以及0.01 mg/mL的酚藏红花染料溶液，在510 nm波长处测定溶液的吸光度，拟合出酚藏红花溶液标准曲线，如图1所示。

图1　酚藏红花溶液标准曲线Fig. 1　Standard curve of phenol safflower solution

6) 将溶液取出，轻轻摇晃使其均匀，冷却至室温后分别取少量(约 5 mL)用分光光度计在波长为510 m处测定其吸光度，并根据标准曲线换算为溶液浓度。

7) 将拌和后的各沥青混合料分别在60 ℃水浴下老化1，3和5 d，取出后重复上一个步骤(6)。

8) 根据以下公式计算黏附性At：

其中：C为酚藏花红染料起始溶液浓度，mg/mL；C0为集料吸附后残余溶液浓度，mg/mL；C1为沥青混合料吸附后残余溶液浓度，mg/mL。

表4　各条件下沥青−集料黏附性(%)Table 4　Adhesion of asphalt-aggregate under all conditions

图2　黏附性随水浴作用时间变化曲线图Fig. 2　Curves of adhesion along water bath time

由表4和图2的试验结果可知，各沥青与石灰岩的黏附性均大于玄武岩，这种差距在基质沥青中体现最为明显。对于3种沥青，高黏沥青与2种集料均表现出较高的黏附性，其次是SBS改性沥青，基质沥青黏附性最差。

60 ℃水浴作用下，沥青-集料界面黏附性明显降低，而且随水浴浸泡时间的延长逐渐变差。集料为玄武岩时，作用1 d后，SBS改性沥青黏附性下降最快，基质沥青与是高黏沥青变化幅度大体一致，均较为平缓，1~5 d过程中，基质沥青和SBS改性沥青黏附性下降趋势接近，高黏沥青较为平缓；未进行水热作用时，SBS改性沥青和高黏沥青与玄武岩的黏附性十分接近，而在水热作用过程中，却与高黏沥青的差距越来越大。因此可以推断对于未经水热作用或短期水热作用时，SBS改性沥青仍然具有相对较高的黏附性，但高黏沥青始终具有着高强的黏附性，尤其对于中长期的水热作用来说更具优势。集料为石灰岩时，作用1 d后，SBS改性沥青与集料的黏附性衰退在3种沥青中相对较为显著，1~5 d过程中，基质沥青、SBS改性沥青与集料黏附性下降显著，而高黏沥青较为平缓。随着水浴时间的增加，水热作用会逐渐取代材料特性对沥青−集料界面黏附性的影响，成为决定黏附性大小的主导因素，但并没有改变各沥青与石灰岩之间黏附性大小的顺序，高黏沥青在整个过程中始终与集料保持着较高的黏附性。

从60 ℃水浴5 d各材料组合的黏附性下降程度看，基质沥青、SBS改性沥青以及高黏沥青与玄武岩的黏附性下降百分比依次为 26.6%，26%和15.8%，与石灰岩分别为28.8%，27.9%和9.7%，从中可以明显看出高黏沥青相比其他2种沥青所具有的优势。

沥青膜在集料表面的剥落并非直接将集料裸露出来，而是一般首先表现为沥青膜的变薄，这种沥青膜的厚度变化通过水煮法很难定量地评估，从而造成判断误区。比如60 ℃水浴3 d时，SBS改性沥青−石灰岩的黏附性与高黏沥青−玄武岩的黏附性的比较，通过水煮法评定的黏附性等级都为4级，受主观影响较大，而光电比色法的测试结果分别为45.9%和48.0%，黏附性好坏一目了然，试验结果更加真实可靠。另外，有学者发现水煮法试验中存在沥青剥落假象，即原本已经剥落的沥青在冷却后又重新黏附到集料表面，这也会对黏附性等级的判断造成极大的影响。

对比光电比色法和水煮法，虽然两种试验结果存在一定的关联性，但是光电比色法可以将沥青膜的这种收缩变薄考虑进去，通过集料对染色剂的吸附量化剥落率，更加准确地评价沥青与集料的黏附性变化。

3.3　扫描电子显微镜检测

虽然光电比色法计算了明显的剥落率，但如果能够更加清楚地观察到沥青-集料的界面，可以更加直观地表现不同条件下沥青-集料界面黏附性的差异。扫描电子显微镜(SEM)不仅可以清楚地观察到样品的表面形貌，还可以测定样品的表面成分。本文以 SEM 作为辅助手段，观测各沥青与集料在不同老化状态下的剥落状态。下面以基质沥青为例进行分析，图3为水热耦合作用后基质沥青样品的单一颗粒SEM图像。

图 3中(a)~(d)分别为 60 ℃水浴作用 0，1，3和5 d时基质沥青与玄武岩的黏附情况，(e)~(h)为相应的基质沥青与石灰岩的黏附情况。图像中绿色线条内颜色较深的部分为沥青，颜色较浅的部分为裸露的集料。比较 SEM 图像与光电比色法可见，当 SEM 图像中集料表面沥青剥落面积约为集料面积一半时，对应的黏附性也约为50%，两者表现出高度的一致性。

图3　集料裹附沥青后的SEM图像(X80)Fig. 3　SEM images of the aggregate adhered with asphalt (X80)

对比3(a)~ 3(d)或3(e)~3(h)可以看出，对于同种集料，随着水热老化时间的延长，沥青从集料表面剥落的面积也逐渐增大，而且水热作用1，3和5 d的差距十分明显，1 d时还只是沥青膜收缩变薄，而3 d时则可以看到集料的花白色逐渐显露出来，5 d时沥青剥落面积逐渐扩大，从图2中对应的折线段的斜率也可以看出不同的时间段脱落速率也各有差异。通过图3(a)和3(e)，可以看出沥青与集料的脱附过程中，沥青主要是从集料周边开始逐渐向中间脱落，这可能是由于周边的棱角性较为明显，沥青在受热过程中，由于自身重力作用会逐渐向表面地势较低的地方流淌，然后使集料裸露出来，增加水分子进入沥青−集料界面的几率，导致沥青与集料界面强度逐渐失效。

对比 3(a)和 3(e)可以看出，未受水热作用时 2种集料与基质沥青的黏附性均较好，基本均匀包裹在集料表面，且玄武岩表面节理较多，有许多凸点，而石灰岩相对平滑。比较 3(b)和 3(f)，3(c)和 3(g)或3(d)和3(h)，可以明显看出相同水热作用条件下，基质沥青在玄武岩表面的剥落面积要远远大于石灰岩，表明石灰岩与基质沥青的黏附性比玄武岩好。除此之外，对比2种集料，尤其是60 ℃水浴3 d后的图像，可以发现沥青在集料表面的脱落并非全部是层状脱落，而是从集料某些表面特性较差的区域开始逐渐收缩变薄，直到完全将集料表面裸露出来。

对于其他几种沥青与集料界面黏附的 SEM 图像，观测结果表明：经过60 ℃水浴后，SBS改性沥青和高黏沥青在集料表面的剥落面积较少，尤其是高黏沥青，在5 d老化后，剥落面积仍少于50%。对于2种集料，石灰岩与各沥青的黏附性大都高于玄武岩。

4　结论

1) 各沥青与石灰岩的黏附性均大于玄武岩；高黏沥青相比其他2种沥青黏附性更高。

2) 水热耦合作用下，各沥青−集料界面黏附性均有不同程度下降，高黏沥青在3种沥青中抵抗水热作用的性能最优，尤其是对于中长期的水热作用更具优势；SBS改性沥青只适用于短期水热作用；随着水浴时间的增加，水热作用会逐渐取代材料特性对沥青−集料界面黏附性的影响，成为决定黏附性大小的主导因素。

3) 水热作用下，沥青在集料表面的脱落并非全部是层状脱落，而是从集料某些表面特性较差的区域开始逐渐收缩变薄，直到完全将集料表面裸露出来。

4) 相比水煮法, 光电比色法可以排除沥青膜厚度变化对黏附性评定结果的影响，更加定量、可靠地评价沥青与集料之间的黏附性能。

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