基于紫外分光光度法的高黏沥青与集料黏附性研究

唐辉1，张海燕，苌伟涛3，许斌，杨伟涛3，曹东伟

（1.重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074；2.中路高科（北京）公路技术有限公司 北京 100088；3.石家庄市交建高速公路建设管理有限公司 石家庄 050000）

近年来，政府部门大力推广海绵城市建设，透水、排水路面再次成为公路行业建设热点[1-2]。排水沥青路面是一种空隙率较大的路面结构，上面层使用骨架空隙结构，因此雨水可以通过面层下渗或者横向排出[3]。排水沥青路面具有行车噪音低、排水储水等功能，而且可以极大地提高行驶安全性以及有效的改善驾乘人员的行车舒适性[4-5]。但正是由于排水沥青路面采用骨架空隙结构设计，较大的空隙率很容易使雨水进入路面结构内部，使沥青与集料之间的黏结强度降低，加之车辆往复荷载以及复杂多变的气候条件，很容易使沥青与集料发生飞散脱落[6]。因此，排水沥青路面需要一种高黏度、耐老化能力强的沥青来提高混合料的路用性能，沥青黏附性的好坏会影响到沥青混合料的强度以及水稳定性。基于此，本课题组制备了一种性能优良的高黏改性沥青（代号T-HVA），本文将重点研究该种沥青与集料的黏附性。

目前公路行业评价沥青黏附性的常用方法主要有水浸法和水煮法等，因为这两种方法试验操作简单而且试验结果较为直观，但是这两种方法均受到人为因素的影响较大，只能粗略的估计出黏附性等级[7]。随着科学技术的发展，以及仪器科学的进步，研究者们提出了许多新的方法来评价沥青与集料的黏附性。程锐[8]通过光电比色法研究了沥青与集料之间的黏附性；Nguyen 等[9]使用了一种附着力拉伸仪来测试沥青与集料之间的黏附性，这种方法可以评价有水条件下的黏附性；陈峙峰等[10]使用剪切黏附法，研究了在不同温度不同剪切速率下不同石料与沥青之间的黏附性。结果表明此种方法评价黏附性可行，但是不能模拟混合料中集料的真实受力。综上可知，不同评价沥青与集料黏附性的方法各有所长，试验操作也各不相同。本文将基于紫外分光光度法研究自制T-HVA高黏沥青与不同集料的黏附性，同时通过混合料水稳定性试验进一步检验结果的可靠性。

1 试验原材料与方法

1.1 试验原材料

（1）本试验所选基质沥青为埃索70 号A 级沥青；SBS 改性沥青为实验室购买的成品沥青，其中SBS 改性剂掺量为6%；传统高黏沥青也为实验室购买的成品沥青，指已用于实体工程中的高黏沥青。

（2）T-HVA 高黏沥青为实验室自制产品，制备工艺如图1所示。该种沥青是将70 号基质沥青加热到160 ～165 ℃，然后向基质沥青中加入增韧剂，低速搅拌加入溶胀油并逐渐升温至180 ℃，接着向混合物中依次加入热塑性弹性体材料TPE 和增黏剂，采用高速剪切机（3 500 r/min）剪切至无明显颗粒状态，时间为30 min 左右，最后在175 ～180 ℃下缓慢加入稳定剂，搅拌发育2 h 形成稳定体系制备而成。以上沥青各项基本性能指标见表1所示。

图1 T-HVA 高黏沥青制备工艺

（3）集料，本试验所选集料为洗净干燥的花岗岩、玄武岩和石灰岩。其中所选集料粒径均为2.36 ～4.75 mm，酸碱性pH 值分别为：花岗岩0.57、玄武岩0.69、石灰岩0.96，即石灰岩＞玄武岩＞花岗岩。从理论上来说，集料碱性值越大与沥青黏附性越好[11]。

表1 各种沥青基本性能指标

1.2 试验方法

1.2.1 紫外分光光度法

本试验选用岛津UV-2550 型可见紫外分光光度计，溶剂选用甲苯溶液，如图2所示。试验时将少量粒径2.36 ～4.75 mm 的花岗岩、玄武岩和石灰岩集料分别放入沥青-甲苯溶液中，经过震荡或者搅拌后，使各沥青充分的黏附在各集料表面。然后加入水，再震荡或者搅拌，便会有沥青被水所置换。在整个过程中，沥青甲苯溶液的浓度将会发生改变，通过对溶液浓度发生的改变进行测量，便可计算得到不同的剥落量，以剥落率来评价其黏附性能。

其中剥落率Rs的计算公式为：

1.2.2 水煮法

为了与紫外分光光度法进行比较研究，同时采用我国沥青与沥青混合料试验规范[12]中的水煮法进行试验，将两者的试验结果进行比较。

1.2.3 沥青混合料水稳定试验

为了更好地对自制T-HVA 高黏沥青与集料的黏附性进行研究分析，仅仅依靠沥青与集料之间的抗剥落性来评价是远远不够的，还需要对沥青混合料的水稳定性能进行分析。该部分通过浸水马歇尔和飞散试验，以及冻融劈裂试验来分析自制T-HVA 高黏沥青的水稳定性，并与传统高黏沥青混合料的水稳定性进行对比，进一步验证自制高黏沥青的黏附性。水稳定性试验方案为T-HVA 高黏＋玄武岩、T-HVA 高黏＋花岗岩、传统高黏＋玄武岩和传统高黏＋花岗岩，各混合料均采用PAC-13 级配，合成级配如表2所示。

图2 紫外分光光度法测沥青黏附性

表2 4 种混合料级配设计

2 试验结果与分析

2.1 紫外分光光度法试验结果分析

根据紫外分光光度法试验结果（图3所示）可知，同一种沥青与不同集料之间的剥落率不同，剥落率越小说明沥青与集料之间的黏附性就越好。从试验结果可知石灰岩与同种沥青的黏附性最好，这与集料的酸碱性对沥青的黏附性理论结果相一致。主要是因为石灰岩内部空隙率较大，表面有大量的微型孔洞，对沥青组分中的油分有极强的吸附作用，能够沿石料毛细孔渗入材料深处。

从几种沥青与集料的剥落率试验结果来看，自制的T-HVA 高黏沥青与集料的黏附性最好。主要是因为自制的T-HVA 高黏沥青中加入了热塑性弹性体TPE，其含有大量活性且可以发生化学反应的双键结构，这点从T-HVA 高黏沥青的红外光谱图中可以观察到（如图4），在波长2 900 cm-1附近处T-HVA 高黏沥青出现振动，表征存在累积双键的不对称振动。在沥青的制备生产过程中，改性剂中的双键结构和沥青相互反应生成了新的极性基团，因此T-HVA 高黏沥青与集料的黏附性较好。这也从侧面上反应了自制的T-HVA 高黏沥青具有足够的黏聚力来抵抗路面水损害。

2.2 水煮法试验结果分析

从表3数据分析可知，SBS 改性沥青、传统高黏沥青、T-HVA 高黏沥青与各集料的水煮法试验结果都是黏附等级5 级，无法判断更加细微的差别。但紫外分光光度法可以实现定量分析沥青与集料的黏附性，通过剥落率指标直观的判断黏附性的大小。这主要是因为水煮法试验结果是由个人观察后通过估计剥落面积来进行主观评价，不同的人对同一个集料颗粒可能得到不同的黏附性等级，而且试验过程中对外部条件的控制也是比较粗略的。

图3 不同石料与沥青的剥落率

图4 T-HVA 高黏沥青红外光谱图

综上分析可知，水煮法虽然试验过程简单，但个人主观性强，试验结果不直观。紫外分光光度计法虽然操作比较复杂，但试验结果可以直观的表达沥青与集料的黏附性大小，需要注意的是紫外分光光度计法中的溶液与集料的接触时间过短，会影响试验结果的准确性。

2.3 沥青混合料水稳定性试验分析

分别对T-HVA ＋玄武岩PAC-13 沥青混合料、T-HVA ＋花岗岩PAC-13 沥青混合料、传统高黏＋玄武岩PAC-13 沥青混合料和传统高黏＋花岗岩PAC-13 沥青混合料进行水稳定性试验，试验结果如图5所示。

图5 混合料水稳定性试验

从图5中的试验结果来看，自制T-HVA 高黏沥青混合料的抗水破坏能力优于传统高黏沥青混合料。相比之下，花岗岩T-HVA 高黏沥青混合料的抗水破坏能力良好，与玄武岩传统高黏沥青混合料相差不大，因此用T-HVA 高黏沥青铺筑路面时花岗岩也可以作为优良的铺面材料。结合前面提到的水煮法和紫外分光光度法试验结果，可以发现三种试验评价方法的结果是一致的，因此也说明了自制T-HVA 高黏沥青与集料有较好的黏附性，同时也间接表明了紫外分光光度法评价沥青与集料黏附性结果的可靠性。

表3 水煮法与紫外分光光度法试验结果对比

3 结论

a）基于紫外分光光度计法测定沥青与集料之间的黏附性，可以通过剥落率的大小来定量评价黏附性的好坏。该试验过程虽然比规范中的水煮法操作繁琐，但受个人主观影响相对较小。通过两种不同黏附性试验结果对比，说明自制的T-HVA 高黏沥青相比于传统高黏沥青具有更好的黏附性优势。

b）通过混合料的浸水马歇尔、冻融劈裂和飞散等试验结果可知，自制的T-HVA 高黏沥青比传统高黏沥青的水稳定性能更好，这与紫外分光光度法得到的T-HVA 高黏沥青与集料的黏附性更好的结论相一致，间接验证了紫外分光光度法试验结果的可靠性，同时基于紫外分光光度法评价自制高黏沥青与不同集料的黏附性的可行性。