基于数字图像技术的沥青与集料黏附性影响因素研究

王体宏1，李永振，王鸽3，时敬涛1，樊亮

（1.中石油燃料油有限责任公司研究院，北京 100010；2.山东省交通科学研究院，济南 250102；3.山东公路技师学院，济南 250104）

沥青路面在使用过程中极易产生水损害，水损害产生过程复杂，因素主要包括沥青性质、集料性质、界面黏附力、沥青混合料体系指标[1-6]等。其中，沥青与集料的界面黏附作用与沥青和集料的性质息息相关，提高沥青路面的工程使用质量关键是提高其抗水损害能力[7-14]。国内外学者多采用工程使用效果评价方法研究沥青与集料的黏附性能，其中应用最广泛的是水煮法与水浸法。我国现行交通部规程方法水煮法和水浸法的优点是简单快捷直观，缺点是水煮法温度设置不明确，结果判断主观因素影响大，不能定量表征粘结性能。短期老化试验（TFOT）是模拟沥青混合料在运输过程中产生的沥青老化，但水浸法和水煮法是采用新鲜沥青判定黏附性好坏，并未考虑沥青的老化程度对黏附性的影响。沥青的黏度与黏附性之间的正相关关系，是公路行业的传统认知，但具体关系是否正相关，并未有明确的论断。

针对交通部规程水煮法与水浸法在定量表征温度、老化程度、黏度等方面的不足，本文选用水浸法测试不同沥青与集料的黏附性，提出基于数字图像处理技术的计算方法，运用Photoshop 处理技术计算剥落面积比，从温度、老化程度、黏度等方面研究沥青与集料的黏附性能。

1 试验部分

1.1 沥青

试验选择石灰岩、玄武岩、花岗岩三种集料。选择50 号、70 号、90 号及SBS 改性沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[15]检测沥青指标，结果见表1。

由表1可知，试验结果均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）[16]要求。

1.2 试验方法

水浸法相对水煮法，水浴温度控制更严格，试验时间更长，故本文选用水浸法。具体试验步骤参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[15]中的沥青与粗集料黏附性试验方法。

表1 沥青的指标检测结果

1.3 数字图像处理技术

为计算集料表面的沥青黏附面积，采用图像处理法，图像处理方法比人眼观察更为准确。Photoshop 是功能强大的图像处理工具，能够对图像进行编辑处理和测量，本次试验的具体试验步骤按照王鸽[17]学者的试验方法。

2 结果与讨论

2.1 温度的影响

为开展研究，水浸法试验选用70 号沥青、SBS 沥青，水浴温度40 ～80 ℃，步长为10 ℃。试验结果如图1、2 所示。

图1 集料表面的70 号沥青黏附率

图2 集料表面的SBS 沥青黏附率

由图1及图2可知，对于70 号沥青，从40 ℃水浴温度开始，三种集料表面上沥青黏附率即出现差别，首先在花岗岩表面脱落，其次玄武岩，然后石灰岩；对于SBS 沥青，当水浴温度大于80 ℃后，差别才开始出现，首先在花岗岩表面脱落，其次玄武岩，然后石灰岩。结果说明温度升高对石灰岩表面的沥青黏附率影响不大，几乎不剥落，在80 ℃水浴温度时开始出现差别，70 号沥青先开始脱落，其次是SBS 沥青。温度升高后，玄武岩表面的沥青黏附率降低；在70 ℃之后沥青开始剥落。花岗岩表面的沥青黏附率受温度影响最明显，相对其它两种集料，在60 ℃时SBS 沥青即在花岗岩表面剥落。

试验结果表明：在不同的集料表面，沥青开始出现剥落的温度不同，温度越高，黏附率越低，相对于70 号沥青，SBS 沥青在集料表面剥落时的温度更高，说明其在集料表面的黏附更好。通过上述分析，建议水浸法试验的水浴温度设置为90 ℃以上。

2.2 老化的影响

对70 号沥青和SBS 改性沥青先进行老化试验，再与集料进行黏附性试验，运用Photoshop处理技术计算剥落面积，得到黏附率，结果见图3～5。

由图3～5 可知，对于三种集料，沥青老化时间增加，在集料表面的黏附率减小，均为原样＞短期老化＞长期老化。沥青与集料之间界面粘结力由沥青的自身黏聚力和沥青与集料间的作用力组成，沥青老化后四组分含量和分子结构改变，同时改性剂的性能降低，使沥青组分结构重新组合，表面活性降低，浸润作用减小，导致沥青与集料间的作用力减小，粘结力减小，黏附性降低[18]。

图3 石灰岩表面上的沥青黏附率

图4 玄武岩表面上的沥青黏附率

图5 花岗岩表面的沥青黏附率

2.3 黏度的影响

图6为不同老化程度的沥青黏度值，由图6可知，老化时间增加，两种沥青的黏度逐渐增大。由老化试验后的黏附性试验结果知道，沥青老化时间逐渐增加，与集料间的黏附率逐渐减小。说明随着沥青黏度的增加，沥青与集料间的黏附性并未增大。由图7可知，对于不同的基质沥青，135 ℃黏度为50 号＞70 号＞90 号，而与玄武岩的黏附率为70 号＞50 号＞90 号，进一步说明并不是沥青的黏度增加，沥青与集料的黏附性随之增大，沥青与集料的黏附是由沥青与集料之间的作用力、界面上的化学吸附及沥青组分在集料表面的选择性扩散作用过程组成[19]，而沥青的性质只是两者之间黏附性的好坏影响因素中的一个。根据集料的酸碱性区分，石灰岩呈碱性，玄武岩呈中性，花岗岩呈酸性，而据现有研究[20]知道沥青呈酸性，所以除温度、老化及黏度等影响因素外，集料的化学性质对黏附性的影响，仍需进一步研究。

图6 不同老化程度的沥青黏度值

图7 沥青的黏度与黏附率的关系

3 结论

a）在不同的集料表面，沥青开始出现剥落的温度不同，温度越高，黏附率越低，建议水浸法试验的水浴温度设置为90 ℃以上。

b）沥青老化时间逐渐增加，与集料的作用力逐渐减小，与集料的粘结力逐渐减小，黏附性降低。

c）沥青黏度增加，集料表面的沥青黏附率并未增大，除温度、老化及黏度等影响因素外，集料的化学性质对黏附性的影响仍需进一步研究。