冻融循环下沥青-集料的黏附性试验与评价方法

李 萍, 何 腾, 念腾飞, 毛 昱, 陈柯柯

(兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050)

随着沥青路面在高等级公路中的广泛使用,沥青路面早期破坏的问题也随之出现,其中水损害问题尤为突出,许多高等级公路在通车一年左右就出现了松散、坑槽和唧浆等现象.沥青路面发生水损害的原因主要在于水稳定性不足,尤其在遭受冻融循环之后，路面受到的损害更为严重.通过查阅文献[1-3]发现,沥青与集料之间的黏附性与沥青混合料的水稳定性密切相关,直接影响到沥青路面的使用寿命.

目前,沥青与集料之间黏附性的评价方法分为定性评价方法和定量评价方法.定性评价方法中的水煮法和水浸法已被纳入JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的黏附性评价方法,这两种方法由于操作简单、耗时短,被广泛使用,但是受人为主观判断等因素影响较大.李一鸣[4]通过新、老规程的对比,进行了大量的黏附性试验,指出了现行规范中水煮法的一些缺陷和异议,并提出了相应的改进措施.殷埝荣等[5]分析了水浸法试验的不足,并提出了一种新的评价方法.

定量评价方法包括接触角法、光电比色法和SHRP净吸附法等.CHENG D. X.等[6]进一步完善了表面能的测试方法,并将黏附功与水稳定性进行比较，发现沥青与集料黏附功越大,沥青混合料的水稳定性越好,黏附功可以评价沥青混合料的水稳定性，A. BHASIN等[7]运用表面能理论计算了沥青-集料体系在不同状态下的能量变化.M. KOC 等[8]、S. RAYUDU等[9]研究发现接触角是一种较为客观精确的测量表面能方法,能更好地评价沥青与集料的黏附性.罗蓉等[10]基于表面能理论,建立了沥青与集料的配伍率、黏附性等级和沥青残留率三者间的关系模型.陈燕娟等[11]基于表面能理论,采用接触角法计算了多种沥青与集料的表面能,并进一步计算了沥青与集料的黏附功和剥落功.表面能理论可以量化评价沥青与集料的黏附性,也可以很好地表征沥青与集料的黏附性.光电比色法[12-13]利用吸光度原理能够将沥青在集料表面的剥落情况表现出来,已被证实能够较好地量化评价沥青与集料的黏附性.

综上,由于在水煮法和水浸法的试验评价过程中,通过目测剥落面积百分率很难做到准确估计,不能直观分辨集料表面沥青膜剥落情况,且水煮法试验技巧不容易掌握,对于微沸状态的理解也因人而异.因此,在评价沥青与集料的黏附性时,单一水煮法试验结果或水浸法试验结果缺乏量化评价指标.为此,笔者选用接触角法和光电比色法试验分别与水煮法试验、水浸法试验进行相关性分析,研究各评价指标之间的关系,为采用更好的黏附性评价方法提供参考.

1 原材料测定

1.1 沥 青

本研究中选用的6种沥青分别为SK 90号基质沥青、橡胶沥青(SK 90号基质沥青+20%橡胶粉改性剂)、SBS改性沥青(SK 90号基质沥青+5%SBS改性剂)、1号沥青(SK 90号沥青+3‰Ⅰ型抗剥落剂)、2号沥青(SK 90号沥青+3‰Ⅰ型抗剥落剂+3‰Ⅱ型抗剥落剂)和3号沥青(SK 90号沥青+3‰Ⅱ型抗剥落剂).

依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，对沥青相关技术指标进行检测,各项检测指标均符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求.SK 90号基质沥青、橡胶粉和抗剥落剂(有机高分子聚合物)的技术指标见表1-3.SBS改性剂密度为0.78 g·cm-3,粒径范围为3～6 cm,熔点为142 ℃.

表1 SK 90号基质沥青的技术指标

表2 橡胶粉技术指标

表3 抗剥落剂基本技术指标

1.2 集 料

试验用粗、细集料均为甘肃省兰州市彭家坪料场生产的辉绿岩.按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》对集料进行性能测试,各项物理力学指标均满足JTG F40—2004的要求.粗、细集料技术指标检测结果见表4.

表4 集料技术指标

2 试验方案

2.1 冻融循环试验

冻融循环方法沿用本课题组自行设置的冻融循环方法进行试验[14].将制备好的松散沥青混合料放在器皿中,用自来水浸泡6 h,然后倒掉器皿中的水,将放有松散沥青混合料的器皿置于-20 ℃的冻融循环箱中冷冻12 h,结束后将该器皿取出,置于室温下融化6 h.以上过程为1次冻融循环过程.本试验共进行18次冻融循环,分别在冻融0,3,6,9,12,15和18次时对松散沥青混合料进行水煮法、水浸法、接触角法和光电比色法试验.

2.2 水煮法和水浸法试验

水煮法和水浸法分别取粒径13.2～19.0 mm和9.5～13.2 mm的形状接近立方体的规则集料.取粒径的形状接近立方体的规则集料.按照JTG E20—2011中T0616—1993《沥青与粗集料的黏附性试验》的方法进行水煮法和水浸法试验.

2.3 接触角法试验

试验用接触角仪为美国科诺SL200KB接触角仪.滴液选择甲酰胺、丙三醇和蒸馏水,因为这3种液体不溶于沥青,具有较大的表面能.3种滴液表面能及其分量见表5.

表5 3种滴液的表面能及其分量 mJ·m-2

将干净的干燥载玻片放到水平仪上调平,将按照规定温度加热过的沥青滴在载玻片上,并平铺于整个载玻片,之后连同载玻片一起放置于防尘装置中,冷却至室温.冷却后,采用重力滴落法,将滴液滴定于载玻片上,滴定不少于5滴.之后利用接触角仪测定滴液与沥青载玻片的接触角,得出的平均值作为结果.图 1为接触角试验过程.

图1 接触角试验

接触角试验结果分析方法如下:

1) 根据已知的3种试剂表面能参数,采用重力滴落法,测量3种试剂分别与6种沥青载玻片的接触角以及6种沥青分别与石料的接触角.

2) 运用Young-Dupre方程,联立方程组求得6种沥青表面能参数[10],即

(1)

3) 沥青表面能与各分量之间的关系为

(2)

4) 沥青-集料体系的黏附功为

Wst=γA(cosθ′+1),

(3)

式中:θ′为沥青与石料表面的接触角.

2.4 光电比色法试验

试验用仪器选用上海菁华科技仪器有限公司生产的721型分光光度计.将制好的松散沥青混合料浸于已知质量浓度的酚藏花红溶液中,60 ℃下水浴2 h后,沥青将会从集料表面剥落,最终使酚藏花红溶液的质量浓度下降,酚藏花红溶液质量浓度的变化可由分光光度计测出,进而通过下式计算出剥落度:

(4)

3 试验结果分析与讨论

3.1 结果分析

3.1.1水煮法试验

多次冻融循环下沥青与集料黏附性等级如图2所示.

图2 多次冻融循环下沥青-集料水煮法黏附性等级

由图2可知:6种沥青的黏附性等级均随冻融循环次数的增加而降低,2号沥青、3号沥青和橡胶沥青分别在冻融到第9,12和18次时黏附性等级降到4级,橡胶沥青黏附性等级下降最慢;基质沥青、1号沥青和SBS改性沥青分别在冻融到第9,15和18次时黏附性等级降到3级,不能满足工程实际中对黏附性等级的要求.总体来看,在相同冻融循环次数下,对于辉绿岩而言,6种沥青黏附性优劣依次为橡胶沥青、3号沥青、2号沥青、SBS改性沥青、1号沥青和基质沥青.因此,可优先将橡胶沥青广泛应用于我国温差较大的西北地区高等级公路沥青路面建设中,以提高沥青路面的水稳定性,进而延长沥青路面的使用寿命.

3.1.2水浸法试验

多次冻融循环下6种沥青与集料的黏附性等级如图3所示.

图3 多次冻融循环下沥青-集料水浸法黏附性等级

由图3可知:6种沥青的黏附性等级均随冻融循环次数的增加而降低,橡胶沥青黏附性等级下降最慢,冻融到第12次时黏附性等级降为4级,而水煮法评价中橡胶沥青是在冻融到第18次时黏附性等级降为4级;基质沥青、SBS改性沥青、1号沥青、2号沥青和3号沥青分别冻融到第6,12,12,15和18次时黏附性等级降为3级,而水煮法评价中这5种沥青分别冻融到第6,12,12,15和18次时黏附性等级降为4级.总体来看,在相同冻融循环次数下,对于辉绿岩而言,6种沥青的黏附性优劣依次为橡胶沥青、3号沥青、2号沥青、SBS改性沥青、1号沥青和基质沥青,这与水煮法的评价结果相同.相比较而言,水煮法评价的黏附性等级偏高,这是因为水煮法中集料的沥青膜较厚,水煮时间较短,仅为3 min,即便造成裹覆在集料表面最外层的沥青变软流动,要使沥青膜从集料表面剥落也不是很容易;水浸法中裹覆集料的沥青膜厚度小于水煮法,且浸水时间较长,为30 min,因而沥青膜更容易从集料表面剥落.

3.1.3接触角法试验

多次冻融循环下6种沥青与集料黏附功变化曲线如图4所示.

图4 多次冻融循环下沥青与集料的黏附功变化曲线

由图4可知:6种沥青与集料的黏附功均随冻融循环次数增加而减小,基质沥青在冻融到第9～12次时黏附功下降速率较快,橡胶沥青、SBS改性沥青、1号沥青、2号沥青和3号沥青均在冻融到第12～15次时黏附功下降速率较快,说明有机高分子的加入能有效增加沥青与集料的黏附功,从而延缓沥青从集料表面剥落的时间;相同冻融循环次数下,对于辉绿岩而言,6种沥青的黏附功由大到小的顺序与黏附性优劣排序一致，这与水煮法、水浸法评价结果相同.接触角法能够精确计算沥青黏附功,相对于水煮法、水浸法,接触角法能够更精确地评价沥青与集料的黏附性优劣.

3.1.4光电比色法试验

多次冻融循环下6种沥青的剥落度变化曲线如图5所示.

图5 多次冻融循环下沥青的剥落度变化曲线

由图5可知:6种沥青的剥落度随冻融循环次数的增加而增大,橡胶沥青在冻融到第6～9次时剥落度增大速率较快,基质沥青、SBS改性沥青、1号沥青、2号沥青和3号沥青均在冻融到第0～3次时剥落度增大速率较快,6种沥青在冻融到第12～18次时剥落度增大速率减慢,基本趋于平稳,冻融到第18次时,剥落度均达到90%以上;相同冻融循环次数下,对于辉绿岩而言,剥落度由小到大的顺序与黏附性优劣的排序一致,这与水煮法、水浸法和接触角法评价结果相同.光电比色法能够精确计算沥青剥落度,相对于水煮法、水浸法和接触角法,光电比色法也能够更精确地评价沥青与集料的黏附性优劣.

一般而言,对同种集料,随着冻融循环次数的增加,沥青与集料的剥落度逐渐增大,黏附功逐渐减小,黏附性等级逐渐降低.添加抗剥落剂的改性沥青黏附功和黏附性等级均大于未添加抗剥落剂沥青,而添加抗剥落剂改性沥青的剥落度小于未添加抗剥落剂沥青;Ⅱ型抗剥落剂性能优于Ⅰ型.

3.2 评价指标间的相关性分析

3.2.1黏附功与水煮法黏附性等级

图6为多次冻融循环下6种沥青与集料的黏附功和水煮法黏附性等级之间的关系.由图6可知,随黏附功的减小,黏附性等级也随之减小.多次冻融循环下,6种沥青的黏附功与黏附性等级拟合线的R2均小于0.9,相关性较低.表6为黏附功与黏附性等级相关性公式.

图6 黏附功与水煮法黏附性等级的相关性曲线

表6 黏附功与水煮法黏附性等级相关性公式

沥青种类相关性公式R2 基质沥青y=0.000 50x2-0.001 2x+2.029 30.884 6橡胶沥青 y=-0.000 10x2+0.024 0x+3.794 80.723 6SBS沥青y=0.000 05x2+0.013 0x+3.092 10.778 01号沥青y=0.000 02x2+0.014 4x+2.772 20.769 22号沥青y=0.000 20x2-0.017 3x+4.267 30.738 03号沥青y=0.000 05x2+0.003 9x+3.860 80.682 1

3.2.2剥落度与水煮法黏附性等级

图7为多次冻融循环下6种沥青与集料的剥落度与黏附性等级之间的关系曲线.可以看出,随剥落度的增加,黏附性等级随之减小.多次冻融循环下6种沥青的剥落度与黏附性等级拟合线的R2均小于0.9,相关性较低.表7为剥落度与黏附性等级相关性公式.

图7 剥落度与水煮法黏附性等级的相关性曲线

表7 剥落度与水煮法黏附性等级相关性公式

沥青种类相关性公式R2基质沥青y=-0.007 8x2+1.250 3x-45.268 00.879 6橡胶沥青y=-0.001 4x2+0.185 0x-0.903 40.526 0SBS沥青y=-0.003 1x2+0.428 5x-9.382 30.827 41号沥青y=-0.001 6x2+0.207 3x-1.660 40.827 92号沥青y=-0.001 3x2+0.159 2x+0.155 80.736 33号沥青y=-0.001 8x2+0.236 6x-2.377 70.849 8

3.2.3剥落度与水浸法黏附性等级

图8为多次冻融循环下6种沥青与集料的剥落度与水浸法黏附性等级之间的关系.由图8可知,随着剥落度的增加,黏附性等级随之减小.多次冻融循环下6种沥青的剥落度与黏附性等级拟合线的R2均大于0.9,相关性较好.表8为剥落度与黏附性等级相关性公式.

图8 剥落度与水浸法黏附性等级的相关性曲线

表8 剥落度与水浸法黏附性等级的相关性公式

沥青种类相关性公式R2基质沥青y=-0.009 9x2+1.667 4x-66.241 00.932 1橡胶沥青y=-0.001 2x2+0.136 2x+1.056 60.906 4SBS沥青y=-0.004 5x2+0.620 1x-15.837 00.965 21号沥青y=-0.001 9x2+0.238 4x-2.643 50.906 82号沥青y=-0.003 0x2+0.401 1x-7.713 00.927 13号沥青y=-0.002 2x2+0.281 5x-3.633 00.907 1

3.2.4黏附功与水浸法黏附性等级

图9为多次冻融循环下6种沥青与集料的黏附功与水浸法黏附性等级的关系.由图9可知,随黏附功减小,黏附性等级也随之减小.多次冻融循环下6种沥青黏附功与黏附性等级拟合线的R2均小于0.9,相关性较低.表9为黏附功与黏附性等级的相关性公式.

图9 黏附功与水浸法黏附性等级的相关性曲线

表9 黏附功与水浸法黏附性等级的相关性公式

沥青种类相关性公式R2基质沥青y=0.000 20x2+0.008 5x+1.945 30.834 7橡胶沥青y=0.000 07x2-0.004 1x+4.034 80.774 9SBS沥青y=0.000 20x2-0.006 2x+2.960 10.876 81号沥青y=0.000 40x2-0.022 4x+3.277 90.872 42号沥青y=0.000 01x2+0.019 6x+2.522 90.898 23号沥青y=0.000 10x2-0.012 6x+4.219 90.713 0

3.2.5剥落度与黏附功

图10为多次冻融循环下6种沥青与集料的剥落度与黏附功之间的关系曲线.由图10可知,随着剥落度的增大,黏附功随之减小.多次冻融循环下6种沥青的黏附功与剥落度拟合线的R2均大于0.9,相关性较好.表10为剥落度与黏附功的相关性公式汇总表.

图10 剥落度与黏附功的相关性曲线

表10 剥落度与黏附功的相关性公式

沥青种类相关性公式R2基质沥青y=-0.417 2x2+71.758x-2 999.400.993 4橡胶沥青y=-0.133 2x2+16.119x-329.150.905 9SBS沥青y=-0.154 3x2+21.147x-584.870.903 81号沥青y=-0.207 7x2+31.032x-1 034.200.952 52号沥青y=-0.125 4x2+16.247x-384.610.913 83号沥青y=-0.147 8x2+18.535x-416.330.908 1

4 结 论

1) 对于辉绿岩而言,6种沥青黏附性优劣依次为橡胶沥青、3号沥青、2号沥青、SBS改性沥青、1号沥青和基质沥青;随冻融循环次数增加,沥青与集料黏附功减小,黏附性等级降低,剥落度增大.

2) 加入抗剥落剂有助于增大沥青黏附功,减小剥落度,Ⅱ型抗剥落剂性能优于Ⅰ型抗剥落剂.

3) 相较于水浸法试验,水煮法评价黏附性等级偏大,在工程中安全性较低,而光电比色法和接触角法能够更准确地量化评价沥青与集料的剥落度和黏附功.

4) 通过对各评价指标间的相关性分析,剥落度与水浸法黏附性等级、黏附功之间的相关性较其他评价指标更好,建议采用光电比色法与水浸法相结合或采用光电比色法与接触角法相结合的组合评价方法对沥青与集料进行黏附性评价.