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摘 要

為了定量評價瀝青與集料黏附性，提出新的沸煮試驗方法，并與水煮法進行對比試驗。選取5種A級70＃基質(zhì)瀝青和5種SBS改性瀝青，采用旋轉(zhuǎn)薄膜老化試驗(RTFOT)模擬瀝青短期老化，采用壓力老化試驗(PAV)模擬瀝青長期老化，以原樣瀝青為對照，制備成30種不同老化程度的樣品，與3種巖性粗集料進行排列組合，共計開展90組黏附性試驗，并提出了基于水煮法和沸煮法的瀝青與集料黏附性綜合評價方法。研究結(jié)果表明：水煮法試驗中，隨著瀝青老化程度加深，基質(zhì)瀝青與集料的黏附性等級總體呈上升趨勢，改性瀝青老化前后與所有集料的黏附性等級均為5級，水煮法對改性瀝青失效；沸煮法試驗中，瀝青的黏附時間從大到小依次為長期老化、短期老化、未老化試件，3種集料的黏附時間從大到小依次為石灰?guī)r、閃長巖、花崗巖；將不規(guī)則集料制備成直徑為19ｍｍ的球形集料，消除表面形狀缺陷后，水煮法判定各種瀝青與球形集料的黏附性等級均為5級，無法區(qū)分，而沸煮法仍可準(zhǔn)確得到瀝青與球形集料的黏附時間瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。水煮法用黏附性等級作為評價指標(biāo)，沸煮法用黏附時間作為評價指標(biāo)，以球形集料為標(biāo)準(zhǔn)試件，并給出基質(zhì)瀝青及改性瀝青短期老化的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞 道路工程 | 沸煮法 | 瀝青與集料黏附性 | 評價標(biāo)準(zhǔn)

0、引言

黏附性是表征集料表面瀝青膜抗剝落與抗破損的能力，是路面原材料設(shè)計中的關(guān)鍵因素，并直接影響路面使用壽命與性能[1-2]。黏附性不足易導(dǎo)致瀝青路面松散、坑槽等水損壞，進而誘導(dǎo)路面產(chǎn)生其他病害[3]，特別是濕熱地區(qū)，瀝青路面處于高溫多雨的環(huán)境中，極易導(dǎo)致因其黏附性不足引發(fā)的坑槽等一系列水損害，嚴(yán)重影響路面使用壽命和服務(wù)水平。

目前評價瀝青與集料黏附性通常采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中的水煮法，按照瀝青剝落百分比劃分黏附性等級[4]。水煮法存在2個缺陷：①缺乏定量指標(biāo)，需要經(jīng)驗豐富的試驗人員評定，人為因素影響較大[5－6]；②無法評價改性瀝青，普通瀝青采用該方法尚能觀察到不同程度的剝落，但改性瀝青由于黏度大，油膜較厚，水在短時間內(nèi)無法突破瀝青膜，浸煮時基本不剝落[7]。改性瀝青無論與何種巖性集料組合，其黏附性均為5級，因此，可以認(rèn)為該方法對改性瀝青是失效的。

針對瀝青與集料黏附性的評價方法[7]，國內(nèi)外進行了諸多研究。中國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)規(guī)定的水浸法與水煮法相比，水浸法更為客觀，但此試驗為靜態(tài)，無法模擬真實路面中動水壓力的沖刷作用[4]。Cheng等提出了表面能測試方法，其以瀝青與集料的黏附功和剝落功作為評價指標(biāo)[8]。李海蓮等運用自由能法研究了瀝青老化程度對改性瀝青接觸角的影響，自由能在短期老化后有下降趨勢[9]。鄭曉光等采用吊片法和吸附法測得瀝青與集料的表面自由能，并計算得到瀝青與集料的自由能參數(shù)[10]。美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)中采用凈吸附測試(NAT)瀝青與集料黏附性，在瀝青-水-礦料體系，將集料放在瀝青-甲苯溶液中循環(huán)回流，用光度計測定溶液吸光度，計算瀝青剝落量來評價黏附性[11-12]。袁峻等運用超聲波模擬動水壓力，以集料表面剝落面積評價黏附性，指出黏附性與集料巖性、表面形態(tài)有關(guān)[13]。美國公路學(xué)會的(AASHTOT182)靜水浸潤試驗是利用水的滲透作用，來模擬實際路面遇水后水損壞的情形，這種方法屬于主觀分析，試驗時間長且精度有限，因而使用范圍有限[14]。超聲波法通過電壓和粘貼于超聲波探頭的環(huán)氧樹脂之間拉力關(guān)系來反映瀝青與集料之間的黏結(jié)力[15]。張苛等利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5％的NaCl溶液代替?zhèn)鹘y(tǒng)瀝青集料黏附性評價方法中的純水進行試驗，水煮試驗結(jié)束后對集料進行圖像采集，計算其在集料表面的剝落率，定量的評價瀝青與集料黏附性[3]。目前，國內(nèi)外已對瀝青路面水損壞的4種現(xiàn)象、6種機理和3種試驗方法進行了研究，從不同的角度探索瀝青或瀝青膠漿與集料的相互作用，在不同程度上解釋了水損壞產(chǎn)生的原因，但因試驗方法不直觀而需要很強的經(jīng)驗判斷[16]，或因試驗復(fù)雜、設(shè)備昂貴、操作繁瑣而較難推廣。綜上，以上方法均未從瀝青自加熱、拌合、攤鋪至營運等全過程角度分析其老化程度對集料黏附剝離的影響。

針對現(xiàn)行規(guī)范中水煮法和水浸法在瀝青與集料黏附性評價方面的不足，本文中提出了一種新的試驗方法-沸煮法，采用沸煮法測得的瀝青膜完全從集料表面剝離的時間作為黏附性評價指標(biāo)。該方法強化了水對集料與瀝青黏附性的影響，加強了水對瀝青膜的沖擊作用，加快了剝落，縮短了試驗時間，能夠較快的定量評價瀝青與集料黏附性。同時，為消除集料形狀對黏附性的干擾，將集料加工成球形并鉆孔，通過球形集料黏附性試驗，得到了不同瀝青種類與不同集料類型的黏附性結(jié)果。該研究成果可為不同種類、不同老化程度的瀝青與不同集料類型黏附性的定量評價提供一定的參考。

1、試驗材料與方法

1.1瀝青與集料黏附性試驗方案

1.1.1原材料性能

選取廣東地區(qū)常用的瀝青，5種A級70＃基質(zhì)瀝青：SK70＃、埃索70＃、茂名70＃、殼牌70＃、泰國70＃。

5種SBS改性瀝青：殼牌改性、SK改性、埃索改性、泰國改性、茂名改性瀝青。采用旋轉(zhuǎn)薄膜老化試驗(RTFOT)模擬瀝青短期老化，采用壓力老化試驗(PAV)模擬瀝青長期老化，加上原樣瀝青，共計制備30種不同老化程度的樣品。各性能指標(biāo)見表1。

試驗所用的3種集料分別為石灰?guī)r、花崗巖和閃長巖，集料性能指標(biāo)如表2、表3所示。

1.1.2試驗方法

水煮法：按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行。將試件浸入微沸的水中浸煮3min，肉眼觀察估算瀝青剝落面積百分比，按照百分比劃分黏附性等級。

沸煮法：將粗集料用水洗凈，用細(xì)線或細(xì)鐵絲系牢，置于水中浸泡24h后用擰干的濕毛巾擦干集料表面明水(至表面看不到發(fā)亮的水跡)；將濕潤集料浸入熱瀝青中，使集料顆粒完全被瀝青膜包裹；提起集料，懸掛冷卻15min；將集料浸入盛有沸水的燒杯中，保持水沸騰狀態(tài)，記錄集料從浸水到瀝青膜完全從集料表面剝離的時間。

相對于水煮法，沸煮法的主要改進為：①以沸騰狀態(tài)的水代替原方法中的微沸狀態(tài)的水，加強了水對瀝青膜的沖擊作用，加快剝落，縮短試驗時間；②摒棄了以剝落面積評價黏附性的方法[17-18]，以瀝青膜完全剝落時間作為評價瀝青與集料黏附性的指標(biāo)，瀝青從集料表面剝離并漂浮在水面上，試驗終點現(xiàn)象容易觀察判斷，人為因素影響小。該方法的優(yōu)點是強化了水對集料與瀝青黏附性的影響，試驗條件更加苛刻；以瀝青膜剝離時間作為評價黏附性的指標(biāo)，比水煮法依靠肉眼觀察、主觀估算剝落面積并劃分黏附等級的評價指標(biāo)更客觀、準(zhǔn)確；操作簡便且試驗時間短，能夠明顯區(qū)分不同巖性集料與瀝青黏附性的強弱。

沸煮法試驗時[19-21]，水完全沸騰后放入樣品，并同時計時，當(dāng)水位有明顯降低時，應(yīng)及時補充沸水，保證樣品始終位于液面以下。水煮法和煮沸法試驗過程如圖1所示。

1.2球形集料與瀝青黏附性試驗方案

試驗過程中瀝青剝落總是優(yōu)先從集料棱角處開始。分析認(rèn)為，常規(guī)的不規(guī)則集料表面粗糙，棱角眾多，界面過渡明顯。瀝青在棱角處裹附不足，油膜偏薄，導(dǎo)致瀝青較容易從棱角處剝落。由于每顆集料形狀和粗糙度不同，水煮法和沸煮法的試驗精度會受到干擾。因此，為消除集料形狀的影響，只考慮集料類型對黏附性的作用，本文將集料加工成球形并鉆孔，直徑為19mm，見圖2。

2、結(jié)果分析

2.1水煮法和沸煮法試驗對比

水煮法(上)和沸煮法(下)試驗結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：水煮法試驗中，瀝青裹覆較好，僅有少量剝落；沸煮法試驗中，瀝青剝落較為完全，僅有少量瀝青斑殘留在集料表面上。

水煮法、沸煮法測得不同老化程度瀝青與集料的黏附性等級如圖4所示，黏附時間如圖5所示。

沸煮法中，當(dāng)沸煮時間達到1500s時瀝青膜仍未剝落，試驗停止，結(jié)果記為大于1500s。

由圖4可知：5種未老化的原樣基質(zhì)瀝青與石灰?guī)r黏附性最好，最低為4級，其次是閃長巖，最差為花崗巖；隨著老化程度增加，基質(zhì)瀝青與集料的黏附性等級總體呈上升趨勢，即老化后的基質(zhì)瀝青與集料的黏附性有所提高；5種改性瀝青老化前后與3種集料的黏附性等級均為5級，水煮法無法區(qū)分改性瀝青老化程度和集料巖性對黏附性的影響，此時水煮法失效。

由圖5可知：不同瀝青、不同老化程度、不同集料之間的黏附性差異明顯，沸煮法對各種組合的黏附性均能有效區(qū)分；3種集料的黏附性試驗中，有7種瀝青的未老化樣品黏附時間小于短期老化瀝青和長期老化瀝青；而SK70＃、茂名改性、泰國改性的未老化樣品的黏附時間均大于短期老化樣品；集料為石灰?guī)r時，10種瀝青的短期老化樣品的黏附時間小于長期老化樣品；集料為花崗巖時，9種瀝青的短期老化樣品的黏附時間小于長期老化樣品，1種瀝青的短期老化樣品的黏附時間大于長期老化樣品；集料為閃長巖時，9種瀝青的短期老化樣品的黏附時間小于長期老化樣品，1種瀝青的短期老化樣品的黏附時間大于長期老化樣品。黏附時間從大到小依次為長期老化、短期老化、未老化，石灰?guī)r、閃長巖、花崗巖。

對比圖4、圖5可知，黏附時間可以準(zhǔn)確、定量判斷不同瀝青種類、不同老化程度與不同集料類型的黏附性，可用于瀝青與集料黏附性評價。

2.2球形集料與瀝青黏附性

為消除不規(guī)則集料顆粒表面形態(tài)的影響，將3種集料統(tǒng)一加工成直徑19mm的球形，用球形集料分別進行水煮法和沸煮法試驗，試驗結(jié)果見圖6。

研究發(fā)現(xiàn)：水煮法中，當(dāng)集料形狀為球形，消除表面棱角后，不論集料種類和瀝青老化程度如何變化，黏附性等級均為5級，此時水煮法已經(jīng)失去評價作用，無法判斷瀝青與集料黏附性；而沸煮法仍有很好的區(qū)分度，沸煮法試驗結(jié)果見圖7。

綜合球形集料的水煮法和沸煮法試驗可得：

①基質(zhì)瀝青與球形集料黏附時間均隨瀝青老化程度加深而延長，瀝青與球形集料黏附時間從大到小依次為石灰?guī)r、閃長巖、花崗巖；②老化前后的泰國改性瀝青與石灰?guī)r和閃長巖集料黏附時間均達到1500s，改性瀝青與花崗巖的黏附時間隨著老化程度的加深而延長，但黏附時間均沒有達到1500s；③沸煮法中基質(zhì)瀝青與球形集料的黏附性規(guī)律與不規(guī)則集料的規(guī)律一致。

2.3瀝青與集料黏附性評價標(biāo)準(zhǔn)

綜上可知，現(xiàn)有的水煮法試驗無法準(zhǔn)確判斷瀝青種類、瀝青老化程度、集料巖性等因素對黏附性的影響，而沸煮法則可以實現(xiàn)對多種因素的區(qū)分，且采用球形集料后，可進一步消除集料棱角因素影響，其試驗結(jié)果更加客觀。同時現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只考慮了原樣瀝青的黏附性[22-23]，未考慮短期老化后瀝青黏附性能，而實際瀝青路面是經(jīng)過施工階段短期老化的，評價短期老化的瀝青黏附性非常有必要。水煮法和沸煮法均對長期老化瀝青的黏附性判斷失效，故不做要求。根據(jù)以上分析及研究結(jié)果得出瀝青與集料黏附性評價標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

3、結(jié)語

(1)針對現(xiàn)行規(guī)范中水煮法在評價瀝青與集料黏附性的不足，提出了以沸煮法為標(biāo)準(zhǔn)方法、以球形集料為標(biāo)準(zhǔn)試件的瀝青與集料黏附性試驗方法，并進行了不同老化程度的水煮法與沸煮法對比試驗。

(2)水煮法試驗對改性瀝青及老化后瀝青評價幾乎失效，同時對集料巖性的區(qū)分度不明顯；而沸煮法可以準(zhǔn)確判定不同老化程度、不同瀝青種類及集料巖性對黏附性的影響。

(3)球形集料可消除形狀的影響，使不同集料的結(jié)果更有可比性。球形集料的水煮法試驗黏附性等級均為5級，判定失效，而沸煮法可定量得到瀝青與球形集料的黏附時間。

(4)綜合考慮基質(zhì)瀝青及改性瀝青老化后的黏附等級與黏附時間，提出了瀝青與集料黏附性評價標(biāo)準(zhǔn)。

(5)本文雖基于球形試件和沸煮法試驗在瀝青與集料黏附性試驗方法和定量評價方面進行了探索，其對原樣和短期老化的普通瀝青、改性瀝青較適用，但對長期老化的普通瀝青、改性瀝青區(qū)分度仍不明顯，還有待進一步深入研究。