细集料沥青混合料的微观形貌及界面黏附性能

袁正兵，刘志胜，王朝辉

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2.山西交通控股集团有限公司科技管理部，山西 太原 030006；3.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

细集料是沥青混合料中的主要组分，同时也是沥青混合料中提供黏附性的关键成分，占沥青混合料用量的30%～50%，对沥青混合料的路用性能起至关重要的作用[1]。与普通沥青混合料相比，细集料沥青混合料中细集料的作用和占比更加重要[2]。细集料沥青混合料作为预防性养护功能层，由于其抗滑耐磨、耐久性好、空隙率大而被广泛应用于稀浆封层、桥面防水黏结层和抗滑表层[3-4]。黏附性是沥青混合料路面耐久性和长寿命设计的基本考核指标[5]。沥青混合料黏附性的主要研究内容包括界面黏附失效机制及黏附驱动力。界面黏附性失效形式包括界面破坏和非界面破坏[6]。在混合料结构中，基体和增强相往往具有较高的强度和韧性，界面裂纹通常发生在沿界面扩展的破坏和非界面破坏[7]。对于沥青混合料的界面黏附性，近年来国内外学者将研究重心转移到用沥青-集料界面黏附性来解释沥青混合料的破坏，形成一种多尺度的研究方法，结合微观层面和宏观现象共同揭示材料性能、说明试验现象[8]。有研究者将分子动力学与试验方法相结合应用于研究细集料沥青混合料的界面黏附性能[9-10]，认为：当沥青-集料界面黏附能小于沥青的内聚能时，混合料易发生黏附失效；当沥青-集料界面能大于沥青内聚能时，混合料易发生黏聚失效[11]。20世纪90年代，细集料沥青混合料首次应用于抗滑表层[12]。粗糙度和黏结强度作为抗滑表层的关键设计参数，同时也是保证高速行车安全的一个必要条件[13]。目前，中国对抗滑表层的研究主要集中在SMA薄层罩面、环氧沥青混合料罩面、砂粒式沥青混合料罩面等。米峻[14]和孙宝生[15]分别研究了用细集料沥青混合料铺筑桥面防水黏结层和超薄抗滑面层的效果。Vasconcelos[16]用试验方法研究了水分在沥青胶结料和细集料沥青混合料中的扩散。周新星[17]借助动态力学分析仪表征了细集料沥青混合料的动态力学特性。Cavalcanti等[18]利用动态力学分析仪对细集料沥青混合料的复数剪切模量G*进行了研究。Zollinger等[19]利用表面能评价了细集料沥青混合料中沥青-集料的湿度敏感性以及水损害与表面能的关系。细集料沥青混合料应用于抗滑表层，应选取表面构造复杂、粗糙度大、表面不平整的集料和高黏附性的沥青，以提高抗滑表层的耐磨性，延长道路使用寿命。

细集料沥青混合料微观形貌的研究内容主要包括：集料的微观形貌、砂浆的微观形貌、沥青混合料的微观形貌。其中集料微观形貌可为混合料微观形貌及界面黏附性能提供判定依据[20]；砂浆作为混合料空隙的主要填充材料，其黏附性能是混合料力学性能的关键。集料微观形貌对黏附性能的影响因素主要有集料组成、颗粒形貌及表面粗糙度[21]。集料分形维数与纹理复杂度、表面粗糙度成正相关[22]。砂浆由沥青、矿粉、细集料组成，其微观形貌主要受矿粉与集料嵌挤和排列的影响，其相互作用主要包括沥青-矿粉、沥青-集料的相互作用。国际上定义：胶浆(mastic)是由沥青和矿粉组成；砂浆(mortar)则是由细集料、矿粉、沥青三相组成。深入理解砂浆的微观形貌和颗粒间的相互作用对研究细集料沥青混合料的界面黏附性能具有重要意义。研究沥青混合料本身的表面形貌和断裂面形貌对研究混合料的抗滑耐磨性能、界面失效形式具有重要的指导作用。

为评价3种不同类型细集料沥青混合料的微观形貌和界面黏附性能，利用超景深显微镜和扫描电镜从细集料微观形貌、砂浆微观形貌、细集料沥青混合料微观形貌评价微观形貌对混合料黏附性的影响；采用流变仪(DSR)和扫描电镜(SEM)从混合料的吸附性能和剥落性能、混合料断面形貌评价细集料沥青混合料的界面黏附性能。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

采用环球法测试得到70#沥青软化点为45.3 ℃，25 ℃针入度为67.5 (0.1 mm)。0～2.36 mm玄武岩集料表观密度为2.881 g·cm-3，2.36～4.75 mm玄武岩集料表观密度为2.710 g·cm-3。0～2.36 mm安山岩集料表观密度为2.841 g·cm-3，2.36～4.75 mm安山岩集料表观密度为2.767 g·cm-3。0～2.36mm钢渣集料表观密度为2.981 g·cm-3，2.36～4.7 5 mm钢渣集料表观密度为2.820 g·cm-3。填料选用石灰石。

1.2 试验

如图1所示，选用同等粒径大小的玄武岩、安山岩、钢渣3种集料，打磨光滑并磨平一面，以方便超景深三维显微镜测试时安放。

图1 集料三维形貌测试过程

沥青砂浆由沥青、集料(0～2.36 mm)及矿粉按一定比例配制而成。老化砂浆的制备：选用0～2.36 mm的集料、70#沥青、矿粉，按比例配制沥青砂浆，在60 ℃、65 W·m-2紫外老化箱中放置7 d，得到经过紫外老化的沥青砂浆。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行沥青砂浆水损坏试验，获得经过水损害的沥青砂浆。为了更好地进行样品测试，将砂浆低温保存。借助DSR对砂浆进行温度扫描，分析沥青-集料界面相互作用力。玄武岩、钢渣和安山岩3种细集料沥青混合料的油石比分别为7.5、7.5、8.5。如图2所示，扫描电镜观测以低温冻断砂浆为样品，以横断面当作测试面进行形貌获取。

图2 电子显微形貌的获取过程

2 结果与讨论

2.1 集料微观形貌

众所周知，岩石表面粗糙度大、平整度差时，其黏附性相对较好[23-24]。材料微观形貌可揭示其宏观性能，集料类型、表面构造和纹理都可以通过微观形貌进行评价。如图3所示，玄武岩细集料超景深显微形貌显示玄武岩表面粗糙度较大，钢渣表面纹理构造最复杂，安山岩表面平整含微孔。3种集料微观形貌各不相同，都具有各自的特征。

图3 集料超景深微观形貌

2.2 细集料的沥青吸附量分析

采用电子天平并根据混合料级配称取细集料，质量为W1，过筛，将其浸入熔融态沥青中得到细集料沥青吸附量测试样品。样品经过24 h冷却后称取混合料质量W2。将混合料放入沸水中煮沸以使沥青剥落，然后将其放入真空干燥箱干燥，称取质量W3。依据上述测试结果求解3种细集料的吸附率L1和沥青剥落率L2。

表1为集料黏附性数据，对比3种集料的吸附率发现，钢渣细集料的沥青吸附率大于安山岩细集料的沥青吸附率，安山岩细集料的沥青吸附率大于玄武岩细集料的沥青吸附率。由此可知，不同类型集料对沥青的吸附能力由大到小依次为钢渣、安山岩、玄武岩。对比3种细集料沥青混合料的沥青剥落率发现，玄武岩细集料沥青混合料的沥青剥落率要高于安山岩细集料沥青混合料的沥青剥落率，安山岩细集料沥青混合料的沥青剥落率要高于钢渣细集料沥青混合料的沥青剥落率。由此可推出，细集料沥青混合料的黏附性由小到大依次为玄武岩细集料沥青混合料、安山岩细集料沥青混合料、钢渣细集料沥青混合料。研究认为，集料的碱性越高，黏附性能越好。本文3种不同类型集料中，钢渣的碱性高于玄武岩，玄武岩的碱性高于安山岩，根据酸碱性推导的细集料沥青混合料的黏附性结论，虽然和集料沥青吸附率和沥青剥落率试验结论有所差异，但是大致相同。由此说明，集料的酸碱性是影响细集料沥青混合料黏附性的主要因素之一。同时，也有科学研究表明，集料表面形貌和纹理构造也会影响沥青-集料之间的界面黏附性。细集料表面积、酸碱性、表面形貌和纹理构造都会对沥青-集料的黏附性产生影响，而且碱性集料的表面特性对沥青-集料界面黏附性的影响较大[25]。

表1 集料黏附性数据

取集料并对细集料进行打磨，以便于稳定安放在显微镜工作台上，观测未打磨面。同时，用玻璃棒沾染沥青使其涂覆于未打磨的细集料表面，观测并半定量分析细集料的沥青吸附量。由图4可知，玄武岩表面只有微量沥青浸入，钢渣表面被大量沥青浸入，而玄武岩表面则是有部分沥青浸入。沥青在集料表面的分布情况表明，沥青对细集料表面的浸入及其在表面的分布具有高度的区域选择性。采用面积测量软件工具半定量分析沥青-集料界面沥青含量，结果表明：钢渣表面沥青含量大于安山岩表面沥青含量，安山岩表面沥青含量大于玄武岩表面沥青含量。三者沥青含量分别为62.6%、58.5%和33.4%。

图4 沥青-集料界面超景深显微形貌

2.3 沥青-集料界面的交互作用

双电层理论认为微粒的内部称为微粒核，一般带负电荷形成一个负离子层(即决定电位离子层)，其外部由于电性吸引而形成一个正离子层(反离子层，包括非活动性离子层和扩散层)，合称为双电层。对于沥青-集料界面而言，可将沥青看成扩散层，集料看成电位离子层，沥青与集料的相互作用即可用双电层理论分析。由于沥青与集料在界面会发生相互作用，因此集料表面会形成2种状态各异的沥青，分别为自由沥青和结构沥青。自由沥青是指黏度相对较小、可自由移动的沥青，结构沥青是指黏度较大、一般不发生移动且与集料组成一个整体的沥青。科学研究表明，可用复数模量评价沥青与集料界面的相互作用。一般认为，复数模量越大，沥青与集料之间的相互作用越强，界面黏附性也越好。如图5所示，低温(-5 ℃～20 ℃)时，加热温度越高，复数模量越小。沥青与钢渣的相互作用大于沥青与玄武岩的相互作用，沥青与玄武岩的相互作用大于沥青与安山岩的相互作用。上述结论可以很好地证实钢渣沥青混合料的界面黏附性要好于玄武岩沥青混合料的界面黏附性，玄武岩沥青混合料的界面黏附性要好于安山岩混合料的界面黏附性。造成上述试验结果差异性的原因，可能是3种细集料表面粗糙度、孔隙率、平整度有所不同。高温(20 ℃～30 ℃)时，沥青与3种细集料的复数模量差异较小。由此可知，高温对不同类型集料的界面黏附性影响较弱，集料黏附性在-5 ℃～30 ℃之间具有温度区域选择性。

图5 沥青与集料的相互作用曲线

由图6可知，低温区间(-5 ℃～10 ℃)内，未经过处理的玄武岩砂浆的复数模量大于经过水损害的玄武岩砂浆的复数模量，经过水损害的玄武岩砂浆的复数模量大于经过紫外老化的玄武岩砂浆的复数模量。结果表明，低温区间内未经过处理的玄武岩砂浆的沥青-集料相互作用最大，水损害对玄武岩砂浆的相互作用影响其次，紫外老化对玄武岩砂浆的相互作用影响最小。中温区间(10 ℃～20 ℃)内，紫外老化对玄武岩砂浆复数模量的影响大于水损害对玄武岩砂浆复数模量的影响。由此可知，中温区间内紫外老化对沥青-集料相互作用的影响大于水损害对沥青-集料相互作用的影响。高温区间(20 ℃～30 ℃)内，3种玄武岩砂浆的复数模量很接近，表明砂浆黏附性具有温度和环境双重选择性。

图6 未处理、紫外老化、水损害沥青-玄武岩交互作用(低温扫描曲线)

2.4 砂浆的微观形貌

借助显微镜测量界面平整度参数，主要通过低温断裂砂浆界面来获得界面形貌。如图7所示，3种细集料砂浆界面形貌显示：玄武岩砂浆界面平整度波动较大，钢渣砂浆界面平整度波动幅度最大，安山岩界面平整度波动较小，几乎为平整界面。结果表明，钢渣砂浆界面整体平整度大于玄武岩砂浆界面整体平整度，玄武岩砂浆界面整体平整度大于安山岩砂浆界面整体平整度。

图7 砂浆断裂界面超景深显微形貌

图8分别为未经过处理、经过紫外老化、经过水损坏的沥青砂浆断裂界面的微观形貌。由图8可知，水损害玄武岩砂浆界面平整度整体波动最大，紫外老化玄武岩砂浆界面平整度整体波动其次，未处理玄武岩砂浆界面平整度波动最小。结果表明，水损坏对玄武岩砂浆界面平整度的影响最大，其次为紫外老化。同时，水损害和紫外老化都会增加界面平整度的波动性。如紫外老化会在沥青表面产生褶皱；水损害会由于受动水作用而发生集料裸露，降低砂浆的界面黏附性能。

图8 砂浆断裂界面超景深显微形貌

2.5 沥青混合料的微观形貌

借助显微镜对不同细集料沥青混合料的断裂界面形貌进行了测试，如图9所示。表面看来钢渣细集料沥青混合料断面形貌较为粗糙，而其他2种类型的细集料沥青混合料表面平整。由图9可知：玄武岩细集料沥青混合料断面只包覆少量沥青，集料排列紧密；钢渣细集料沥青混合料断面包覆大量沥青，且沥青-钢渣界面黏附性强，无空隙或少空隙。安山岩细集料沥青混合料断面大范围区域被沥青包覆，沥青与安山岩、砂浆与安山岩牢固黏结，空隙少。由此可知：钢渣细集料沥青混合料断面主要发生黏聚失效；玄武岩细集料沥青混合料断面主要发生黏聚失效；安山岩细集料沥青混合料断面则主要发生黏附失效和黏聚失效。

图9 沥青混合料断面形貌

科学研究表明，外界环境(如水和紫外线)对细集料沥青混合料形貌有一定的影响，同时也对黏附性有一定影响。由图10可知：未经过处理的玄武岩细集料沥青混合料断面形貌平整，无凹凸感；紫外老化对细集料沥青混合料断面沥青产生了影响，使沥青表面产生褶皱，发生老化；水损害也会使沥青表面产生褶皱，发生老化。

图10 混合料断面形貌

由图11可知：玄武岩细集料沥青混合料界面含少量裸露的集料和砂浆；钢渣细集料沥青混合料界面无裸露细集料和砂浆；安山岩细集料沥青混合料界面含大量裸露的集料和砂浆，且裸露集料面积占比较大。由此可知：钢渣、玄武岩细集料沥青混合料趋于发生黏聚失效，安山岩趋于发生黏附失效；而且安山岩细集料沥青混合料的界面失效形式可能同时存在黏附失效和黏聚失效，而玄武岩和钢渣细集料沥青混合料的界面失效形式只有黏聚失效。

图11 沥青混合料断面显微形貌

4 结 语

通过对细集料沥青混合料的微观形貌及界面黏附性能进行研究，得到以下结论。

(1)细集料中钢渣对沥青的吸附性要好于安山岩和玄武岩对沥青的吸附性。细集料表面形貌和微观构造会对界面黏附性产生重要影响。环境(如紫外老化、水损害和温度)会对沥青与集料界面黏附性产生影响，而且沥青与集料之间的相互作用具有温度和环境双重选择性。

(2)不同集料类型的细集料沥青混合料的界面黏附形式是不同的：钢渣细集料沥青混合料界面失效主要是黏聚失效；玄武岩细集料沥青混合料界面失效主要是黏聚失效；安山岩细集料沥青混合料界面失效则是黏附失效和黏聚失效共存。同时，环境因素(如紫外老化和水损害)会对细集料沥青混合料界面失效产生严重影响。

虽然本文对3种不同集料沥青混合料的微观形貌和界面黏附性能进行了细致且深入的研究，但是还存在着黏附与黏聚机理不明、力学特性未做深入研究等不足。未来的研究中作者将进一步深入研究细集料沥青混合料的黏附机理、路用特性及耐久性，加深对细集料沥青混合料作为路面养护材料的认识，拓展其应用范围。