不同集料表观特性对沥青-集料黏附性能的影响*

胡芙蓉 涂崇志 李仁君 罗 蓉

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063)

0 引 言

传统的沥青路面设计体系更倾向于使用碱性和中性材料，限制了对于部分非经验性高性能材料的使用，增加了工程成本[1].由工程经验可知，沥青-集料的黏附性能是选取工程材料的关键指标.黏附性能的优劣直接影响沥青路面的疲劳寿命、自愈合能力及水稳定性等使用性能[2].

有研究表明集料的形状、棱角性和表面纹理是影响沥青与集料黏附性能的主要因素.通过改善加工方式进而改变集料的表观特性来提升沥青-集料的黏附性能对集料的就地取材具有很大意义.但现阶段集料表观特性对沥青-集料黏附性能的影响研究还不够深入[3]，无法完全建立微观能量与宏观表观特性之间的联系.所以，需要探究集料表观特性对沥青-集料黏附性能的影响.

为了探究集料表观特性对沥青-集料黏附性能的影响，文中选取采用完全除尘和精细化加工工艺加工的玄武岩和辉绿岩(简称精细化玄武岩和精细化精辉绿岩)以及未采用完全除尘和精细化加工的常规加工工艺加工的玄武岩和常规辉绿岩(简称常规玄武岩和常规辉绿岩)四种集料作为研究对象，使用集料图像测试系统(aggregate image measurement system，AIMS)测试集料表观特性，使用磁悬浮重量平衡系统测试集料表面能参数.选取国创70#基质沥青、克拉玛依沥青两种沥青使用全自动表面张力仪(简称K100)测试沥青表面能参数.最后根据表面能理论计算分析沥青-集料黏附能(简称黏附能)，探究集料表观特性对沥青-集料黏附能的影响，也就是探究集料表观特性对沥青-集料黏附性能的影响.

1 表面能理论与集料表观特性

1.1 表面能理论

国内外现行规范中最常见的评价沥青-集料黏附性能的试验是水煮法试验[4]，但该试验仅能人为的评价沥青-集料的黏附性等级，不能进行定量评价，人为误差大.因此，当前采用更为先进的GvOC表面能理论体系计算沥青-集料黏附能，进而定量评价沥青-集料之间的黏附性.此体系理论的分量组合形式见式(1).采用Young-Dupre方程将材料的表面能与热力学的功结合成式(2)的形式来计算沥青-集料黏附能[5-6].

(1)

(2)

1.2 集料表观特性测试方法

现阶段针对集料表观特性的测试方法大部分是间接的测试方法：比如,AASHTO T304、ASTM D3398等，仅能做定性评价，不能进行定量分析.而AIMS能客观、快速、高效地分析集料的特性如形状，棱角性和纹理，进而提供集料的表观特征值用于路面结构设计[7].为了更好地分析集料表观特性对沥青-集料黏附性能的影响，本次研究用AIMS进行集料表观特性测试.AIMS设备的外观图见图1.

图1 AIMS设备全景图

2 AIMS测试集料表观特性

2.1 测试原理

先利用灯光将集料投影到集料盘上，通过显微镜、照相机和灯光收集投影信息，再通过分析软件将集料的表观特性以图表的形式表现出来.由于集料表面能测试时2.36～4.75 mm档的集料测试最准确，集料表面能测试所选取的集料档位为2.36～4.75 mm[8].为了保证试验变量的单一，AIMS测试的集料与表面能测试的集料为同一批.

2.2 测试过程

清洗集料并按照要求养生后，启动集料测试系统并打开测试软件.在操作软件系统设定好要测的内容及要存储的子文件夹，依据试验集料的粒径选择相应的料盘进行试验.在料盘上按照要求均匀洒布集料控制集料间的密度，操作软件进行试验并等待数据生成.2.36～4.75 mm档的集料在AIMS上能测得的集料表观特性分别为量化集料颗粒相对性状的集料二维指标、描述集料整体形状边界变化的集料棱角性指标、描述集料颗粒表面的相对光滑或者粗糙度的集料表面纹理指标.

2.3 测试结果

2.3.1二维形状指标测试结果

利用AIMS得到四种集料的二维形状指标结果，见表1和图2.二维指标范围值为0～20，单位为1，颗粒二维指标为0时代表集料投影为圆形.二维形状指标越小，集料的平面投影越接近于圆形；反之，集料更倾向于扁平状.

表1 四种集料二维形状指标汇总表

图2 四种集料二维形状指标累计分布率

2.3.2棱角性指标测试结果

利用AIMS得到四种集料的棱角性指标结果，见表2和图3.棱角性指标范围值为0～10 000，单位为1.颗粒棱角性指标为0时代表集料颗粒为无棱角圆形集料.棱角性指标越低，集料颗粒表面越圆滑、棱角较少；反之，集料表面棱角更为丰富.

表2 四种集料棱角性汇总表

图3 四种集料棱角性指标累计分布率

2.3.3表面纹理指标测试结果

利用AIMS得到四种集料的表面纹理指标结果，见表3和图4.表面纹理指标范围值为0～1 000，单位为1.颗粒表面纹理指标为0时代表集料颗粒表面光滑.表面纹理指标越低，集料颗粒表面越光滑，粗糙感越小；反之，集料表面越不光滑，越粗糙.

表3 四种集料表面纹理汇总表

图4 四种集料表面纹理指标累计分布率

3 沥青-集料黏附能测试

3.1 测试过程

3.1.1沥青表面能测试

沥青表面能参数的测定采用插板法.试验全程记录涂膜玻片浸入试剂过程中的受力变化，并依据玻片接触试剂前后的受力差值计算接触角的大小，最后利用Young方程计算沥青的表面能参数[9-12].试验将两种沥青按要求处理好后制备成沥青涂膜玻片，养生24 h后进行测试.采用游标卡尺测量养生后的玻片的宽厚性状.将选好的具有已知表面参数的测试试剂依次置于表面张力仪基座上，同时将玻片固定在称量系统夹具上进行试验.操作仪器进行接触角数据的收集，得到沥青与该试剂接触时的前进接触角.

3.1.2集料表面能测试

集料表面能的测试方法为蒸气吸附法.试验通过测量装有测试集料的天平小桶在不同阶蒸气压力作用下质量的变化量，采用M-BET蒸气吸附理论以及DA等温吸附拟合求得计算集料表面能参数的重要分量扩散压力，最后利用Young方程计算集料的表面能参数.以精细化辉绿岩为例，清洗100 g集料并按要求养生集料至恒重.依据BET模型拟合范围的精度及试验仪器运行的最大限度为试验设定10阶蒸汽压进行吸附试验.试验控制温度为20 ℃.操作仪器在真空条件下依次得到样品桶的质量、不同试剂在各阶压力下的样品吸附质量.

3.2 测试结果

试验根据不同试剂对沥青的接触角，以及相应公式计算得到两种沥青的表面能参数，依据不同试剂蒸气对集料的扩散压力，以及相应公式计算得到四种集料的表面能参数，采用式(2)计算沥青-集料黏附能，黏附能的计算结果汇总见表4.

表4 两种沥青与各集料的黏附能

4 研究结果分析

4.1 集料表观特性分析

由于测试集料样本众多，样本平均值是反映数据集中趋势的一项指标，指标分析时采用样本平均值来反映集料的表观特性.由2.3测出的均值数据可得图5的四种集料的表观特性指标汇总图.

图5 四种集料表观特性汇总图

由图5可知，针对同种岩性的集料，常规辉绿岩比精细化辉绿岩的二维指标大0.48，变化率为6%，常规玄武岩比精细化玄武岩的二维指标大0.03，变化率为0.4%.采用不同加工工艺的同种岩性的集料，常规加工工艺加工的集料更倾向于扁平状，集料的平面投影更加圆润.采用同种加工工艺加工的不同岩性的集料，辉绿岩集料的二维指标数值更大，辉绿岩加工后倾向于扁平状，辉绿岩集料的平面投影较玄武岩更加圆润.

针对同种岩性的集料，常规辉绿岩比精细化辉绿岩的棱角性指标大432.8，变化率为12.29%，常规玄武比精细化玄武的棱角性指标小203.3，变化率为7.10%.采用不同加工工艺加工的同种岩性的集料，常规辉绿岩的棱角性较精细化辉绿岩的棱角性丰富，精细化玄武岩的棱角性较常规玄武岩的棱角性丰富.采用同种加工工艺加工的不同岩性的集料，辉绿岩集料的棱角性指标数值更大，辉绿岩的棱角性更加丰富.

针对同种岩性的集料，常规辉绿岩比精细化辉绿岩的表面纹理指标大10.7，变化率为3.3%，常规玄武岩比精细化玄武岩的表面纹理指标小18.2，变化率为5.2%.采用不同加工工艺加工的同种岩性的集料，精细化玄武岩的表面较常规玄武岩的表面更粗糙，常规辉绿岩的表面较精细化辉绿岩的表面更粗糙.采用同种加工工艺加工的不同岩性的集料，玄武岩的表面纹理指标更大，玄武岩的表面比辉绿岩更粗糙.

4.2 沥青集料黏附性分析

由3.2的数据可得图6的两种沥青与四种集料的黏附能排序图.

图6 两种沥青与四种集料黏附能汇总图

由于黏附能越大，沥青-集料的黏附性能越好.克拉玛依-精细化玄武的黏附能最大，为117.08 ergs/cm2，说明精细化玄武岩与克拉玛依沥青的黏附能最好.同时单独分析不同沥青-集料黏附能发现：针对不同加工工艺的同种集料与克拉玛依沥青的黏附能来说，精细化玄武岩优于常规玄武，常规辉绿岩优于精细化辉绿岩.针对不同加工工艺的同种集料与国创70#基质沥青的黏附能来说，精细化玄武岩优于常规玄武岩，常规辉绿岩优于精细化辉绿岩.

4.3 表观特性对沥青与集料黏附性的影响

由以上分析可以得到图7的表观特性指标和玄武岩与不同沥青的黏附能关系图.

图7 表观特性指标和玄武岩与不同沥青的黏附能关系图

由图7可知，不同集料加工工艺加工的玄武岩二维指标变化不大，推测其不影响沥青-集料黏附能.同时对棱角性指标和表面纹理指标以及玄武岩与沥青的黏附能进行分析，判断棱角性指标和表面纹理指标对黏附能的影响.发现集料的棱角性指标和表面纹理指标的变化趋势与沥青-玄武岩黏附能变化趋势一致.存在如下关系：玄武岩棱角性增加203.3，表面纹理增加18.20，玄武岩与克拉玛依沥青的黏附能增加34.16 erg/cm2；玄武岩与国创70#基质沥青的黏附能增加20.8 erg/cm2.

同时可以得到图8的表观特性指标和辉绿岩与不同沥青的黏附能关系.

图8 表观特性指标和辉绿岩与不同沥青的黏附能关系图

由图8可知，不同集料加工工艺加工的辉绿岩二维指标变化不大，推测其不影响沥青-集料黏附能.同时对棱角性指标和表面纹理指标以及辉绿岩与沥青的黏附能进行分析，判断棱角性指标和表面纹理指标对黏附能的影响.发现集料的棱角性指标和表面纹理指标的变化趋势与沥青-辉绿岩黏附能变化趋势一致.存在如下关系：辉绿岩棱角性增加432.8，表面纹理增加10.7，辉绿岩与克拉玛依沥青的黏附能增加12.69 erg/cm2；辉绿岩与国创70#基质沥青的黏附能增加3.59 erg/cm2.以岩性和集料加工工艺作为控制变量，分析棱角性指标和表面纹理指标与沥青-集料黏附能的关系.假设表面纹理指标与棱角性指标对沥青-集料黏附能的影响因子分别为a和b，以某种岩石在不同加工工艺下导致的棱角性指标以及表观特性指标的变化量为自变量，沥青-集料黏附能的变化量为因变量建立等式(3)进行分析.

ax+by=z

(3)

式中:a为表面纹理指标对沥青-集料黏附能的影响因子；b为棱角性指标对沥青-集料黏附能的影响因子；x为不同加工工艺下同种岩性集料的表面纹理指标变化量；y为不同加工方式下同种岩性集料的棱角性指标变化量；z为沥青-集料黏附能的变化量.

可以得出表5的分析表格.

表5 表面纹理指标与棱角性指标对沥青-集料黏附能的影响分析表

由表5可知，不同加工工艺加工的同种岩石，集料的表面纹理指标对沥青-集料黏附能的影响因子恒为正，说明集料表面纹理增加，沥青-集料黏附能也会增加；集料的棱角性指标对沥青-集料黏附能的影响因子恒为负，说明集料棱角性增加，沥青-集料黏附能会减少.以集料的表观特性对克拉玛依沥青-集料黏附能关系为例进行说明：集料的表面纹理指标增加10，棱角性指标增加100，克拉玛依沥青-集料黏附能增加2.14×10-0.02×100=21.2 erg/cm2.且表面纹理对黏附能的的影响远比棱角性的大，说明针对某种集料选用加工工艺时，应选择使用增加表面纹理的加工工艺，尽量避免使用增加棱角性的加工工艺.

5 结 论

1) 采用不同加工工艺加工的同种岩性集料，常规辉绿岩比精细化辉绿岩的的二维指标大0.48，常规玄武岩比精细化玄武岩的二维指标大0.03，常规集料更倾向于扁平状，集料的平面投影更加圆润.常规辉绿岩比精细化辉绿岩的棱角性指标大432.8，说明常规辉绿岩的棱角性较精细化辉绿岩的棱角性丰富.常规玄武岩比精细化玄武岩的棱角性指标小203.3，说明精细化玄武岩的棱角性较常规玄武岩的棱角性丰富.常规辉绿岩比精细化辉绿岩的表面纹理指标大10.7，说明常规辉绿岩的表面较精细化辉绿岩的表面更粗糙.精细化玄武岩比常规玄武岩的表面纹理指标大18.2，说明精细化玄武岩比常规玄武岩表面更粗糙.可以看出精细化玄武岩比常规玄武岩表面更加粗糙，棱角性更丰富，常规辉绿岩比精细化辉绿岩表面更粗糙，棱角性更丰富.

2) 同种岩性的集料经不同加工工艺加工后，二维指标几乎不变，对集料与沥青的黏附能几乎没有影响.

3) 同种岩性的集料经不同加工工艺加工后，棱角性指标和表面纹理指标有很大变化.精细化加工比常规加工的玄武岩棱角性增加203.3，表面纹理增加18.20，玄武岩与克拉玛依沥青的黏附能增加34.16 erg/cm2；玄武岩与国创70#基质沥青的黏附能增加20.8 erg/cm2.常规加工比精细化加工的辉绿岩棱角性增加432.8，表面纹理增加10.7，辉绿岩与克拉玛依沥青的黏附能增加12.69 erg/cm2；辉绿岩与国创70#基质沥青的黏附能增加3.59 erg/cm2.集料的表面纹理指标对沥青-集料黏附能的影响因子为正，集料表面纹理增加，沥青-集料黏附能也会增加；集料的棱角性指标对沥青-集料黏附能的影响因子为负，集料棱角性增加，沥青-集料黏附能会减少.