李 萍, 何 騰, 念騰飛, 毛 昱, 陳柯柯

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

隨著瀝青路面在高等級(jí)公路中的廣泛使用,瀝青路面早期破壞的問題也隨之出現(xiàn),其中水損害問題尤為突出,許多高等級(jí)公路在通車一年左右就出現(xiàn)了松散、坑槽和唧漿等現(xiàn)象.瀝青路面發(fā)生水損害的原因主要在于水穩(wěn)定性不足,尤其在遭受凍融循環(huán)之后，路面受到的損害更為嚴(yán)重.通過查閱文獻(xiàn)[1-3]發(fā)現(xiàn),瀝青與集料之間的黏附性與瀝青混合料的水穩(wěn)定性密切相關(guān),直接影響到瀝青路面的使用壽命.

目前,瀝青與集料之間黏附性的評(píng)價(jià)方法分為定性評(píng)價(jià)方法和定量評(píng)價(jià)方法.定性評(píng)價(jià)方法中的水煮法和水浸法已被納入JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的黏附性評(píng)價(jià)方法,這兩種方法由于操作簡單、耗時(shí)短,被廣泛使用,但是受人為主觀判斷等因素影響較大.李一鳴[4]通過新、老規(guī)程的對(duì)比,進(jìn)行了大量的黏附性試驗(yàn),指出了現(xiàn)行規(guī)范中水煮法的一些缺陷和異議,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施.殷埝榮等[5]分析了水浸法試驗(yàn)的不足,并提出了一種新的評(píng)價(jià)方法.

定量評(píng)價(jià)方法包括接觸角法、光電比色法和SHRP凈吸附法等.CHENG D. X.等[6]進(jìn)一步完善了表面能的測試方法,并將黏附功與水穩(wěn)定性進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)瀝青與集料黏附功越大,瀝青混合料的水穩(wěn)定性越好,黏附功可以評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，A. BHASIN等[7]運(yùn)用表面能理論計(jì)算了瀝青-集料體系在不同狀態(tài)下的能量變化.M. KOC 等[8]、S. RAYUDU等[9]研究發(fā)現(xiàn)接觸角是一種較為客觀精確的測量表面能方法,能更好地評(píng)價(jià)瀝青與集料的黏附性.羅蓉等[10]基于表面能理論,建立了瀝青與集料的配伍率、黏附性等級(jí)和瀝青殘留率三者間的關(guān)系模型.陳燕娟等[11]基于表面能理論,采用接觸角法計(jì)算了多種瀝青與集料的表面能,并進(jìn)一步計(jì)算了瀝青與集料的黏附功和剝落功.表面能理論可以量化評(píng)價(jià)瀝青與集料的黏附性,也可以很好地表征瀝青與集料的黏附性.光電比色法[12-13]利用吸光度原理能夠?qū)r青在集料表面的剝落情況表現(xiàn)出來,已被證實(shí)能夠較好地量化評(píng)價(jià)瀝青與集料的黏附性.

綜上,由于在水煮法和水浸法的試驗(yàn)評(píng)價(jià)過程中,通過目測剝落面積百分率很難做到準(zhǔn)確估計(jì),不能直觀分辨集料表面瀝青膜剝落情況,且水煮法試驗(yàn)技巧不容易掌握,對(duì)于微沸狀態(tài)的理解也因人而異.因此,在評(píng)價(jià)瀝青與集料的黏附性時(shí),單一水煮法試驗(yàn)結(jié)果或水浸法試驗(yàn)結(jié)果缺乏量化評(píng)價(jià)指標(biāo).為此,筆者選用接觸角法和光電比色法試驗(yàn)分別與水煮法試驗(yàn)、水浸法試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)性分析,研究各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系,為采用更好的黏附性評(píng)價(jià)方法提供參考.

1 原材料測定

1.1 瀝 青

本研究中選用的6種瀝青分別為SK 90號(hào)基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青(SK 90號(hào)基質(zhì)瀝青+20%橡膠粉改性劑)、SBS改性瀝青(SK 90號(hào)基質(zhì)瀝青+5%SBS改性劑)、1號(hào)瀝青(SK 90號(hào)瀝青+3‰Ⅰ型抗剝落劑)、2號(hào)瀝青(SK 90號(hào)瀝青+3‰Ⅰ型抗剝落劑+3‰Ⅱ型抗剝落劑)和3號(hào)瀝青(SK 90號(hào)瀝青+3‰Ⅱ型抗剝落劑).

依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測,各項(xiàng)檢測指標(biāo)均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求.SK 90號(hào)基質(zhì)瀝青、橡膠粉和抗剝落劑(有機(jī)高分子聚合物)的技術(shù)指標(biāo)見表1-3.SBS改性劑密度為0.78 g·cm-3,粒徑范圍為3～6 cm,熔點(diǎn)為142 ℃.

表1 SK 90號(hào)基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

表2 橡膠粉技術(shù)指標(biāo)

表3 抗剝落劑基本技術(shù)指標(biāo)

1.2 集 料

試驗(yàn)用粗、細(xì)集料均為甘肅省蘭州市彭家坪料場生產(chǎn)的輝綠巖.按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)集料進(jìn)行性能測試,各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)均滿足JTG F40—2004的要求.粗、細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表4.

表4 集料技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

2.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)

凍融循環(huán)方法沿用本課題組自行設(shè)置的凍融循環(huán)方法進(jìn)行試驗(yàn)[14].將制備好的松散瀝青混合料放在器皿中,用自來水浸泡6 h,然后倒掉器皿中的水,將放有松散瀝青混合料的器皿置于-20 ℃的凍融循環(huán)箱中冷凍12 h,結(jié)束后將該器皿取出,置于室溫下融化6 h.以上過程為1次凍融循環(huán)過程.本試驗(yàn)共進(jìn)行18次凍融循環(huán),分別在凍融0,3,6,9,12,15和18次時(shí)對(duì)松散瀝青混合料進(jìn)行水煮法、水浸法、接觸角法和光電比色法試驗(yàn).

2.2 水煮法和水浸法試驗(yàn)

水煮法和水浸法分別取粒徑13.2～19.0 mm和9.5～13.2 mm的形狀接近立方體的規(guī)則集料.取粒徑的形狀接近立方體的規(guī)則集料.按照J(rèn)TG E20—2011中T0616—1993《瀝青與粗集料的黏附性試驗(yàn)》的方法進(jìn)行水煮法和水浸法試驗(yàn).

2.3 接觸角法試驗(yàn)

試驗(yàn)用接觸角儀為美國科諾SL200KB接觸角儀.滴液選擇甲酰胺、丙三醇和蒸餾水,因?yàn)檫@3種液體不溶于瀝青,具有較大的表面能.3種滴液表面能及其分量見表5.

表5 3種滴液的表面能及其分量 mJ·m-2

將干凈的干燥載玻片放到水平儀上調(diào)平,將按照規(guī)定溫度加熱過的瀝青滴在載玻片上,并平鋪于整個(gè)載玻片,之后連同載玻片一起放置于防塵裝置中,冷卻至室溫.冷卻后,采用重力滴落法,將滴液滴定于載玻片上,滴定不少于5滴.之后利用接觸角儀測定滴液與瀝青載玻片的接觸角,得出的平均值作為結(jié)果.圖 1為接觸角試驗(yàn)過程.

圖1 接觸角試驗(yàn)

接觸角試驗(yàn)結(jié)果分析方法如下:

1) 根據(jù)已知的3種試劑表面能參數(shù),采用重力滴落法,測量3種試劑分別與6種瀝青載玻片的接觸角以及6種瀝青分別與石料的接觸角.

2) 運(yùn)用Young-Dupre方程,聯(lián)立方程組求得6種瀝青表面能參數(shù)[10],即

(1)

3) 瀝青表面能與各分量之間的關(guān)系為

(2)

4) 瀝青-集料體系的黏附功為

Wst=γA(cosθ′+1),

(3)

式中:θ′為瀝青與石料表面的接觸角.

2.4 光電比色法試驗(yàn)

試驗(yàn)用儀器選用上海菁華科技儀器有限公司生產(chǎn)的721型分光光度計(jì).將制好的松散瀝青混合料浸于已知質(zhì)量濃度的酚藏花紅溶液中,60 ℃下水浴2 h后,瀝青將會(huì)從集料表面剝落,最終使酚藏花紅溶液的質(zhì)量濃度下降,酚藏花紅溶液質(zhì)量濃度的變化可由分光光度計(jì)測出,進(jìn)而通過下式計(jì)算出剝落度:

(4)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 結(jié)果分析

3.1.1水煮法試驗(yàn)

多次凍融循環(huán)下瀝青與集料黏附性等級(jí)如圖2所示.

圖2 多次凍融循環(huán)下瀝青-集料水煮法黏附性等級(jí)

由圖2可知:6種瀝青的黏附性等級(jí)均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,2號(hào)瀝青、3號(hào)瀝青和橡膠瀝青分別在凍融到第9,12和18次時(shí)黏附性等級(jí)降到4級(jí),橡膠瀝青黏附性等級(jí)下降最慢;基質(zhì)瀝青、1號(hào)瀝青和SBS改性瀝青分別在凍融到第9,15和18次時(shí)黏附性等級(jí)降到3級(jí),不能滿足工程實(shí)際中對(duì)黏附性等級(jí)的要求.總體來看,在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,對(duì)于輝綠巖而言,6種瀝青黏附性優(yōu)劣依次為橡膠瀝青、3號(hào)瀝青、2號(hào)瀝青、SBS改性瀝青、1號(hào)瀝青和基質(zhì)瀝青.因此,可優(yōu)先將橡膠瀝青廣泛應(yīng)用于我國溫差較大的西北地區(qū)高等級(jí)公路瀝青路面建設(shè)中,以提高瀝青路面的水穩(wěn)定性,進(jìn)而延長瀝青路面的使用壽命.

3.1.2水浸法試驗(yàn)

多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料的黏附性等級(jí)如圖3所示.

圖3 多次凍融循環(huán)下瀝青-集料水浸法黏附性等級(jí)

由圖3可知:6種瀝青的黏附性等級(jí)均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,橡膠瀝青黏附性等級(jí)下降最慢,凍融到第12次時(shí)黏附性等級(jí)降為4級(jí),而水煮法評(píng)價(jià)中橡膠瀝青是在凍融到第18次時(shí)黏附性等級(jí)降為4級(jí);基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、1號(hào)瀝青、2號(hào)瀝青和3號(hào)瀝青分別凍融到第6,12,12,15和18次時(shí)黏附性等級(jí)降為3級(jí),而水煮法評(píng)價(jià)中這5種瀝青分別凍融到第6,12,12,15和18次時(shí)黏附性等級(jí)降為4級(jí).總體來看,在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,對(duì)于輝綠巖而言,6種瀝青的黏附性優(yōu)劣依次為橡膠瀝青、3號(hào)瀝青、2號(hào)瀝青、SBS改性瀝青、1號(hào)瀝青和基質(zhì)瀝青,這與水煮法的評(píng)價(jià)結(jié)果相同.相比較而言,水煮法評(píng)價(jià)的黏附性等級(jí)偏高,這是因?yàn)樗蠓ㄖ屑系臑r青膜較厚,水煮時(shí)間較短,僅為3 min,即便造成裹覆在集料表面最外層的瀝青變軟流動(dòng),要使瀝青膜從集料表面剝落也不是很容易;水浸法中裹覆集料的瀝青膜厚度小于水煮法,且浸水時(shí)間較長,為30 min,因而瀝青膜更容易從集料表面剝落.

3.1.3接觸角法試驗(yàn)

多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料黏附功變化曲線如圖4所示.

圖4 多次凍融循環(huán)下瀝青與集料的黏附功變化曲線

由圖4可知:6種瀝青與集料的黏附功均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小,基質(zhì)瀝青在凍融到第9～12次時(shí)黏附功下降速率較快,橡膠瀝青、SBS改性瀝青、1號(hào)瀝青、2號(hào)瀝青和3號(hào)瀝青均在凍融到第12～15次時(shí)黏附功下降速率較快,說明有機(jī)高分子的加入能有效增加瀝青與集料的黏附功,從而延緩瀝青從集料表面剝落的時(shí)間;相同凍融循環(huán)次數(shù)下,對(duì)于輝綠巖而言,6種瀝青的黏附功由大到小的順序與黏附性優(yōu)劣排序一致，這與水煮法、水浸法評(píng)價(jià)結(jié)果相同.接觸角法能夠精確計(jì)算瀝青黏附功,相對(duì)于水煮法、水浸法,接觸角法能夠更精確地評(píng)價(jià)瀝青與集料的黏附性優(yōu)劣.

3.1.4光電比色法試驗(yàn)

多次凍融循環(huán)下6種瀝青的剝落度變化曲線如圖5所示.

圖5 多次凍融循環(huán)下瀝青的剝落度變化曲線

由圖5可知:6種瀝青的剝落度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大,橡膠瀝青在凍融到第6～9次時(shí)剝落度增大速率較快,基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、1號(hào)瀝青、2號(hào)瀝青和3號(hào)瀝青均在凍融到第0～3次時(shí)剝落度增大速率較快,6種瀝青在凍融到第12～18次時(shí)剝落度增大速率減慢,基本趨于平穩(wěn),凍融到第18次時(shí),剝落度均達(dá)到90%以上;相同凍融循環(huán)次數(shù)下,對(duì)于輝綠巖而言,剝落度由小到大的順序與黏附性優(yōu)劣的排序一致,這與水煮法、水浸法和接觸角法評(píng)價(jià)結(jié)果相同.光電比色法能夠精確計(jì)算瀝青剝落度,相對(duì)于水煮法、水浸法和接觸角法,光電比色法也能夠更精確地評(píng)價(jià)瀝青與集料的黏附性優(yōu)劣.

一般而言,對(duì)同種集料,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,瀝青與集料的剝落度逐漸增大,黏附功逐漸減小,黏附性等級(jí)逐漸降低.添加抗剝落劑的改性瀝青黏附功和黏附性等級(jí)均大于未添加抗剝落劑瀝青,而添加抗剝落劑改性瀝青的剝落度小于未添加抗剝落劑瀝青;Ⅱ型抗剝落劑性能優(yōu)于Ⅰ型.

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性分析

3.2.1黏附功與水煮法黏附性等級(jí)

圖6為多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料的黏附功和水煮法黏附性等級(jí)之間的關(guān)系.由圖6可知,隨黏附功的減小,黏附性等級(jí)也隨之減小.多次凍融循環(huán)下,6種瀝青的黏附功與黏附性等級(jí)擬合線的R2均小于0.9,相關(guān)性較低.表6為黏附功與黏附性等級(jí)相關(guān)性公式.

圖6 黏附功與水煮法黏附性等級(jí)的相關(guān)性曲線

表6 黏附功與水煮法黏附性等級(jí)相關(guān)性公式

瀝青種類相關(guān)性公式R2 基質(zhì)瀝青y=0.000 50x2-0.001 2x+2.029 30.884 6橡膠瀝青 y=-0.000 10x2+0.024 0x+3.794 80.723 6SBS瀝青y=0.000 05x2+0.013 0x+3.092 10.778 01號(hào)瀝青y=0.000 02x2+0.014 4x+2.772 20.769 22號(hào)瀝青y=0.000 20x2-0.017 3x+4.267 30.738 03號(hào)瀝青y=0.000 05x2+0.003 9x+3.860 80.682 1

3.2.2剝落度與水煮法黏附性等級(jí)

圖7為多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料的剝落度與黏附性等級(jí)之間的關(guān)系曲線.可以看出,隨剝落度的增加,黏附性等級(jí)隨之減小.多次凍融循環(huán)下6種瀝青的剝落度與黏附性等級(jí)擬合線的R2均小于0.9,相關(guān)性較低.表7為剝落度與黏附性等級(jí)相關(guān)性公式.

圖7 剝落度與水煮法黏附性等級(jí)的相關(guān)性曲線

表7 剝落度與水煮法黏附性等級(jí)相關(guān)性公式

瀝青種類相關(guān)性公式R2基質(zhì)瀝青y=-0.007 8x2+1.250 3x-45.268 00.879 6橡膠瀝青y=-0.001 4x2+0.185 0x-0.903 40.526 0SBS瀝青y=-0.003 1x2+0.428 5x-9.382 30.827 41號(hào)瀝青y=-0.001 6x2+0.207 3x-1.660 40.827 92號(hào)瀝青y=-0.001 3x2+0.159 2x+0.155 80.736 33號(hào)瀝青y=-0.001 8x2+0.236 6x-2.377 70.849 8

3.2.3剝落度與水浸法黏附性等級(jí)

圖8為多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料的剝落度與水浸法黏附性等級(jí)之間的關(guān)系.由圖8可知,隨著剝落度的增加,黏附性等級(jí)隨之減小.多次凍融循環(huán)下6種瀝青的剝落度與黏附性等級(jí)擬合線的R2均大于0.9,相關(guān)性較好.表8為剝落度與黏附性等級(jí)相關(guān)性公式.

圖8 剝落度與水浸法黏附性等級(jí)的相關(guān)性曲線

表8 剝落度與水浸法黏附性等級(jí)的相關(guān)性公式

瀝青種類相關(guān)性公式R2基質(zhì)瀝青y=-0.009 9x2+1.667 4x-66.241 00.932 1橡膠瀝青y=-0.001 2x2+0.136 2x+1.056 60.906 4SBS瀝青y=-0.004 5x2+0.620 1x-15.837 00.965 21號(hào)瀝青y=-0.001 9x2+0.238 4x-2.643 50.906 82號(hào)瀝青y=-0.003 0x2+0.401 1x-7.713 00.927 13號(hào)瀝青y=-0.002 2x2+0.281 5x-3.633 00.907 1

3.2.4黏附功與水浸法黏附性等級(jí)

圖9為多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料的黏附功與水浸法黏附性等級(jí)的關(guān)系.由圖9可知,隨黏附功減小,黏附性等級(jí)也隨之減小.多次凍融循環(huán)下6種瀝青黏附功與黏附性等級(jí)擬合線的R2均小于0.9,相關(guān)性較低.表9為黏附功與黏附性等級(jí)的相關(guān)性公式.

圖9 黏附功與水浸法黏附性等級(jí)的相關(guān)性曲線

表9 黏附功與水浸法黏附性等級(jí)的相關(guān)性公式

瀝青種類相關(guān)性公式R2基質(zhì)瀝青y=0.000 20x2+0.008 5x+1.945 30.834 7橡膠瀝青y=0.000 07x2-0.004 1x+4.034 80.774 9SBS瀝青y=0.000 20x2-0.006 2x+2.960 10.876 81號(hào)瀝青y=0.000 40x2-0.022 4x+3.277 90.872 42號(hào)瀝青y=0.000 01x2+0.019 6x+2.522 90.898 23號(hào)瀝青y=0.000 10x2-0.012 6x+4.219 90.713 0

3.2.5剝落度與黏附功

圖10為多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料的剝落度與黏附功之間的關(guān)系曲線.由圖10可知,隨著剝落度的增大,黏附功隨之減小.多次凍融循環(huán)下6種瀝青的黏附功與剝落度擬合線的R2均大于0.9,相關(guān)性較好.表10為剝落度與黏附功的相關(guān)性公式匯總表.

圖10 剝落度與黏附功的相關(guān)性曲線

表10 剝落度與黏附功的相關(guān)性公式

瀝青種類相關(guān)性公式R2基質(zhì)瀝青y=-0.417 2x2+71.758x-2 999.400.993 4橡膠瀝青y=-0.133 2x2+16.119x-329.150.905 9SBS瀝青y=-0.154 3x2+21.147x-584.870.903 81號(hào)瀝青y=-0.207 7x2+31.032x-1 034.200.952 52號(hào)瀝青y=-0.125 4x2+16.247x-384.610.913 83號(hào)瀝青y=-0.147 8x2+18.535x-416.330.908 1

4 結(jié) 論

1) 對(duì)于輝綠巖而言,6種瀝青黏附性優(yōu)劣依次為橡膠瀝青、3號(hào)瀝青、2號(hào)瀝青、SBS改性瀝青、1號(hào)瀝青和基質(zhì)瀝青;隨凍融循環(huán)次數(shù)增加,瀝青與集料黏附功減小,黏附性等級(jí)降低,剝落度增大.

2) 加入抗剝落劑有助于增大瀝青黏附功,減小剝落度,Ⅱ型抗剝落劑性能優(yōu)于Ⅰ型抗剝落劑.

3) 相較于水浸法試驗(yàn),水煮法評(píng)價(jià)黏附性等級(jí)偏大,在工程中安全性較低,而光電比色法和接觸角法能夠更準(zhǔn)確地量化評(píng)價(jià)瀝青與集料的剝落度和黏附功.

4) 通過對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性分析,剝落度與水浸法黏附性等級(jí)、黏附功之間的相關(guān)性較其他評(píng)價(jià)指標(biāo)更好,建議采用光電比色法與水浸法相結(jié)合或采用光電比色法與接觸角法相結(jié)合的組合評(píng)價(jià)方法對(duì)瀝青與集料進(jìn)行黏附性評(píng)價(jià).