基于净吸附试验的沥青-集料黏附性量化研究

李仁君,王丽静,黄婷婷,胡芙蓉,罗 蓉

(1.武汉理工大学 交通学院 湖北 武汉 430063；2.湖北省公路工程技术研究中心 湖北 武汉 430063；3.湖北长江路桥股份有限公司 湖北 武汉 430212)

0 引言

我国道路建设发展迅速，沥青路面已成为主要的铺装形式。然而大部分沥青路面在修建初期就出现坑槽、松散、唧浆等水损害问题，严重影响道路服役质量。水损害产生的根本原因是有水存在的条件下，沥青内部发生内聚破坏或者沥青与集料界面发生黏附破坏，进而产生工程可见的水损害[1-3]。因此，准确评价沥青与集料之间的黏附性能，从而优选出具有良好黏附性的沥青-集料组合，对提高沥青混合料抵抗水损害性能具有重要意义。

目前评价沥青与集料之间黏附性的方法可以分为定性评价和定量评价两类。定性评价类包括水煮法、水浸法，定量评价类包括净吸附试验、光电比色法等。水煮法、水浸法这类定性评价的方法，虽然操作简单，但受人为主观判断影响较大，无法精确评价沥青与集料之间的黏附性能[4-8]。尤其当不同沥青与集料组合黏附等级相同时，无法进一步区别出黏附性能更优的沥青-集料组合。而净吸附试验是一种能够定量评价沥青与集料黏附性的试验方法，该方法相比于其他定性试验方法，受人为主观因素影响较小，试验过程简单，被国内外学者所广泛采用[9-10]。同时，净吸附试验相比于现在国际上推荐使用的表面能理论，具有速度快、成本低等优势[11-12]。但现阶段在进行净吸附试验时并未明确指出应该在何种波长下进行净吸附试验，通常采用经验值。实际上在某些波长区段下，当溶液浓度变化时，对应的吸光度变化不明显，这样就会导致试验结果不准确。因此确定在何种波长下进行净吸附试验对试验结果精确度的影响至关重要。

针对上述不足之处，本文首先采用多种波长测试不同浓度下沥青-甲苯溶液的吸光度，通过对相邻浓度溶液的吸光度差值进行研究，分析确定出净吸附试验中最佳试验波长值。然后采用最佳试验波长对中山玄武岩、角闪岩与50#基质沥青、90#基质沥青、SBS改性沥青及高黏沥青进行净吸附试验，判断不同沥青-集料组合的黏附性，并与水煮法试验结果进行对比，验证该方法的合理性和可行性。最后，总结全文主要结论。

1 确定净吸附试验最佳试验波长

1.1 试验原理

净吸附试验的原理是通过制备固定浓度的沥青-甲苯溶液，将集料置于沥青-甲苯溶液中，采用紫外分光光度计在一定波长下测量加入蒸馏水前后的沥青-甲苯-集料体系中沥青-甲苯溶液浓度的变化，并以此浓度变化为依据，计算集料对沥青的吸附量以及遇水后集料表面沥青的残留量[13-14]，来准确量化沥青-集料之间的黏附性能。其中，吸附量是指单位质量集料表面遇水前吸附的沥青质量，残留量是指单位质量集料表面遇水后集料表面残留的沥青质量。水分子置换集料表面沥青分子过程如图1所示。

图1 水分子置换集料表面沥青分子示意图

在进行净吸附试验时，紫外分光光度计将某一特定波长的光连续照射到一定质量浓度的样品溶液，得到与波长相对应的吸收强度，即吸光度，通过吸光度来确定溶液浓度，故可以通过某一波长下溶液吸光度的变化来反映该溶液浓度的变化情况。但是在某些波长区段下，当溶液浓度变化时，对应的吸光度变化不明显，这样就会直接影响试验结果。因此为了保证试验结果的准确性，减小试验误差，首先需确定出一个波长区域，使得在此波长区域下测量得到的吸光度能够显著反映溶液的浓度变化。下面以50#基质沥青为例，利用紫外分光光度计确定合理试验波长。

1.2 试验仪器及过程

1.2.1试验材料及仪器

试验以50#基质沥青作为研究对象，试验中所需要的仪器设备包括：紫外分光光度计，比色皿，振荡器，25 ml容量瓶、100 ml锥形瓶、50 ml锥形瓶、玻璃棒等玻璃器皿若干，移液枪1支。净吸附试验中所需要的仪器设备与波长确定试验中的试验仪器相同，具体如图2所示。

图2 净吸附试验仪器示意图

1.2.2试验过程

a.沥青-甲苯溶液配置：使用高精度电子天平分别称量7.2、9.6、12.8、15.2、17.6、19.2、21.6、24.0 mg的50#沥青，分别溶于100 ml纯甲苯溶液，使用振荡器振荡4 h，此时初始溶液浓度分别为0.072、0.096、0.128、0.152、0.176、0192、0.216、0.240 mg/ml，并分别装至30 ml锥形瓶中(图3)。

图3 沥青-甲苯溶液配置示意图

b.吸光度测量：分别将步骤a.中配置好的不同浓度的沥青-甲苯溶液采用移液枪将4 ml沥青-甲苯溶液移入洁净的25 ml空容量瓶中，使用纯甲苯溶液稀释至25 ml并均匀混合，使用移液枪将稀释后的沥青-甲苯溶液移至比色皿中，采用紫外分光光度计测量在不同波长下溶液的吸光度。已知该仪器可以测得190～1 100 nm波长下的吸光度，测量结果如图4所示。

图4 不同波长下的吸光度示意图

1.3 试验结果及分析

为确定合理的试验波长，通过计算相邻浓度溶液的吸光度差值进行分析。相邻溶液浓度的吸光度差值图如图5所示。其中差值为零的区域需要舍弃，是因为不同浓度的溶液在相同波长下对应的吸光度应该不同，而差值为零代表不同的溶液浓度在相同波长下的吸光度相同。同时若不同浓度溶液吸光度差值过小，试验结果容易受到试验误差的影响，导致偏离真实吸光度，对试验结果影响较大。此外，不同浓度溶液吸光度差值越大，越难受到试验误差的影响，试验结果能够反映出真实吸光度。

图5 相邻浓度溶液的吸光度差值图

通过以上分析可以将沥青-甲苯溶液吸光度分为3个阶段：

a.OA段(190～330 nm波段)：当设定波长小于330 nm时，测量的溶液浓度从0.072 mg/ml变化到0.24 mg/ml时，该区段存在差值为零的情况，且吸光度差值变化较小，容易导致各溶液浓度下测量的吸光度不准确；

b.AB段(330～550 nm波段)：当波长处于330 nm至550 nm的范围内时，随着溶液浓度的变化，各溶液浓度下对应的吸光度变化显著，浓度的变化会引起较大的吸光度变化，该区段能反映出溶液真实吸光度；

c.BC段(550～1 100 nm波段)：由于试验精度控制在0.05 mg/g，当波长大于500 nm时，相邻浓度差均小于0.05 mg/g，此时容易受到试验误差的影响，导致测量值偏离真实吸光度，对试验结果影响较大，所以不选用波长大于500 nm的区段进行净吸附试验。

因此，在进行净吸附试验时，试验波长应在AB段(330～550 nm波段)中选择。同时试验结果表明当波长为340 nm时，不同浓度沥青-甲苯溶液的吸光度变化最明显，故建议采用的波长为340 nm进行试验。

2 采用净吸附试验分析沥青与集料黏附性

2.1 试验材料及准备

a.试验材料

试验选用2种集料，分别为中山玄武岩和角闪岩，沥青选用4种常见沥青，分别为50#基质沥青、90#基质沥青、SBS改性沥青及高黏沥青，水煮法试验采用的集料和沥青与净吸附试验相同，以便更为直观地与净吸附试验结果对比。试验材料见图6。

(a)中山玄武岩

b.试验准备

由1.3节可知紫外分光光度计在340 nm波长下测量出的溶液的吸光度相对最准确，所以本次试验在340 nm波长下进行试验。同时紫外分光光度计对测试溶液的质量浓度比较严苛[15]：必须保证配置的沥青-甲苯溶液为1 mg/ml。所以本次试验的标准试验按照最优配置进行试验，

2.2 试验步骤

净吸附试验的具体试验步骤可以简述如下：

a.集料准备：使用蒸馏水清洗集料并烘干，烘干时间约15 h，待降温至室温后进行试验。

b.沥青-甲苯溶液配置：使用高精度电子天平称量100 mg沥青，溶于100 ml纯甲苯溶液，初始浓度为1 mg/ml，使用振荡器振荡4 h，使其溶解均匀，并分装至3个锥形瓶中，每个锥形瓶中沥青-甲苯溶液30 ml。

c.测量沥青-甲苯-1溶液吸光度A1：将步骤b中配置的沥青-甲苯溶液记为沥青-甲苯-1，使用移液枪将4 ml沥青-甲苯-1移入洁净25 ml容量瓶(锥形瓶中剩余26 ml沥青-甲苯-1)，使用纯甲苯溶液稀释至25 ml并混合均匀，此时的稀释溶液记为沥青-甲苯-1-d，使用移液枪将沥青-甲苯-1-d移至比色皿，采用紫外分光光度计测量得到沥青-甲苯-1-d吸光度A1，用以反映纯沥青-甲苯溶液浓度。

d.测量集料吸收沥青后的沥青-甲苯溶液吸光度A2：将15 g±0.001g的集料试样放入配置好的沥青-甲苯-1溶液中，得到沥青-甲苯-集料体系，使用振荡器充分振动17 h，使集料充分吸收沥青分子，此时的沥青-甲苯溶液记为沥青-甲苯-2，同样使用移液枪将4 ml沥青-甲苯-2溶液移入25 ml容量瓶，加入纯甲苯溶液稀释至25 ml后得到沥青-甲苯-2-d，测量得到沥青-甲苯-2-d的吸光度为A2，用以反映混合液中沥青分子被集料吸附后的沥青-甲苯-2溶液浓度。

e.测量水分子置换集料表面沥青分子后的沥青-甲苯溶液吸光度A3：使用移液枪将6 ml蒸馏水注入沥青-甲苯-集料体系，采用振荡器充分振动6 h，此时的沥青-甲苯溶液记为沥青-甲苯-3，使用移液枪将4 ml沥青-甲苯-3溶液移入25 ml容量瓶，加入纯甲苯稀释至25 ml后得到沥青-甲苯-3-d，测量得到沥青-甲苯-3-d的吸光度为A3，用以反映吸附在集料表面的沥青分子被水分子替代后的沥青-甲苯-3溶液浓度。

沥青-甲苯溶液在不同步骤中的吸光度变化如图8所示，每种集料-沥青组合设置3组平行试验，试验中变异系数控制在3%以内。

图7 沥青-甲苯溶液在不同阶段的浓度变化示意图

2.3 试验结果与分析

根据前述试验中获得的了沥青-甲苯-集料体系在加水前后，沥青-甲苯溶液浓度变化的吸光度数据，基于上述数据，进一步分析水分子对吸附在集料表面沥青分子的置换情况，具体计算过程如下：

a.计算初始吸附量Mi，即为单位质量集料表面初始吸附的沥青质量：

(1)

式中：M0为单位质量集料表面吸附的沥青质量，mg/g；V为初始锥形瓶中沥青-甲苯溶液的体积，在本研究中为30 ml，ml；C为沥青-甲苯溶液的初始浓度，即沥青-甲苯-1的浓度，本研究中初始浓度为1 mg/ml；M为集料重量，g；其余A1、A2含义同前文。

b.计算净吸附量Mn，即为被水分子置换后残留在集料表面的沥青质量：

(2)

式中：Mn为单位质量集料表面残留的沥青质量，mg/g；Vr为2.2节步骤d中锥形瓶中的沥青-甲苯-2体积，为26 ml；其余字母含义同前文。

c.沥青残留率R，即残留在集料表面的沥青占全部吸附沥青的质量百分率：

(3)

根据集料表面沥青残留率R大小，可以将沥青-集料黏附性分为3个等级，如表1所示，若黏附性在同一个等级范围内，可以根据沥青残留率R的大小进行比较，沥青残留率R越大，说明沥青与集料之间黏附性越好。

表1 沥青与集料的黏附等级Table1 AdhesiongradeofasphaltandaggregateR/%沥青与集料黏附性能判定﹥70好55～70一般﹤55差

根据上述计算步骤，分别计算Mi、Mn以及R，并将水煮法试验得到的结果同时列于表中，结果详见表2。

表2 净吸附试验指标与水煮法试验指标结果Table2 Netadsorptiontestindicatorsandresultsofboilingtesttestindicators集料类型沥青类型净吸附试验指标Mi/(mg·g-1)Mn/(mg·g-1)R/%沥青与集料黏附性能判定水煮法黏附等级50#沥青0.1030.04644.66差3角闪岩90#沥青0.0410.01434.15差3SBS改性沥青0.0590.03254.24差4高黏沥青0.5620.43777.76好550#沥青0.3230.17253.25差4中山玄武岩90#沥青0.2330.13658.37一般4SBS改性沥青0.2950.23077.97好5高黏沥青0.7640.65886.13好5

表2可直观的对两种试验方法中集料-沥青黏附性进行比较。其中，水煮法试验结果为：中山玄武岩与4种沥青的黏附等级均比角闪岩好；角闪岩与4种沥青黏附等级排序为：高黏沥青>SBS改性沥青>90#沥青=50#沥青；中山玄武岩与4种沥青黏附等级排序为：高黏沥青=SBS改性沥青>90#沥青=50#沥青。净吸附试验结果为：中山玄武岩的4种沥青黏附性均优于角闪岩，中山玄武岩较角闪岩与沥青黏附性更佳；角闪岩的4种沥青黏附性排序为：90#沥青<50#沥青

水煮法试验结果无法进一步筛选出沥青与集料的黏附性顺序，但净吸附试验结果可以更加准确的确定出具体的沥青—集料黏附性的排序组合。例如水煮法试验中，中山玄武岩与50#沥青、90#沥青的黏附等级均为4级，此时无法通过水煮法确定的黏附等级进行沥青选择。而净吸附试验可以得到在相同水煮法黏附等级下沥青与集料黏附性能的排序，对于中山玄武岩，90#沥青的残留率R为58.37%，50#沥青的残留率R为53.25%，表明90#沥青较50#沥青与中山玄武岩黏附性更好。通过净吸附试验，可以准确量化出沥青与集料之间的黏附性能。

由净吸附试验可知，8种集料-沥青组合黏附性排序为：角闪岩-90#基质沥青<角闪岩-50#基质沥青<中山玄武岩-50#基质沥青<角闪岩-SBS改性沥青<中山玄武岩-90#基质沥青<角闪岩-高黏沥青<中山玄武岩-SBS改性沥青<中山玄武岩-高黏沥青，如图8所示。其中角闪岩+高黏沥青、中山玄武岩+SBS改性沥青、中山玄武岩+高黏沥青组合均有很好的黏附性能，中山玄武岩+90#沥青组合黏附性一般，剩余集料-沥青组合黏附性较差。净吸附试验准确量化了沥青-集料之间黏附性能，判断出50#沥青、90#沥青、SBS改性沥青以及高黏沥青与角闪岩、中山玄武岩之间黏附性优劣，相比与传统水煮法试验，更具有可行性。

图8 8种集料-沥青组合沥青残留率R变化示意图

3 结论

本文通过进行不同波长下不同浓度溶液的吸光度测量试验，确定出试验最佳试验波长。通过最佳试验波长下的净吸附试验准确量化了沥青-集料之间的黏附性能，判断出50#沥青、90#沥青、SBS改性沥青以及高黏沥青与角闪岩、中山玄武岩之间的黏附性优劣，结论如下：

a.试验确定出适用于净吸附试验的最佳试验波长：当波长处于330～550 nm的范围内时，随着溶液浓度的变化，各溶液浓度下对应的吸光度变化显著，该区段能反映出溶液真实吸光度。同时，当波长为340 nm时，不同浓度沥青-甲苯溶液的吸光度变化最明显，为减小试验误差，提高净吸附试验的精准度，推荐使用340 nm波长开展净吸附试验。

b.相比于水煮法试验，净吸附试验结果与水煮法试验结果一致，证明净吸附试验具有合理性。净吸附试验可以得到在相同水煮法黏附等级下沥青与集料黏附性能的排序，能够准确评价沥青与集料之间的黏附性能，优选出具有良好黏附性的沥青-集料组合。

c.净吸附试验结果显示角闪岩与4种沥青之间的黏附性排序为：90#沥青<50#沥青#

d.净吸附评价方法在宏观上是通过物质变化对黏附性能进行的评价，微观上反映出加水前后沥青-集料界面之间能量的转移与守恒，能够量化集料-沥青黏附性能从不同角度揭示了集料-沥青界面黏附机理，因此净吸附试验可为开展界面的黏附失效研究做贡献。