基于界面黏附理论的沥青与集料黏附特性研究进展

马祥辉，杨振宇，樊 亮，胡家波，李永振

（1山东高速股份有限公司，山东 济南 250101；2山东省交通科学研究院，山东 济南 250102）

沥青混合料是由不同规格的石料、沥青和外加剂，按照一定的比例经拌和而成的产品[1]。沥青在这种产品中起着粘结剂的作用，正是由于沥青的存在，松散的石料才能组合成一个整体，能够承重担负起路面的作用[2]。沥青与集料之间的粘结力是沥青混合料形成强度的重要组成之一，两者之间黏附性能的优劣关系着沥青混合料的性能好坏。沥青-集料界面黏附性好的沥青路面不仅能够承受车辆重载的反复作用不产生大的变形，还能承受水和重载的综合作用不损坏，使用寿命大大增加[3-4]。界面黏附差的沥青路面在车辆荷载的反复作用下容易产生车辙、拥包等病害，在有水存在的情况下易产生集料脱落、坑槽等水损害，增加交通事故的发生概率。因此开展沥青-集料界面间的黏附特性研究，提高两者之间的粘结力具有非常重要的意义。

现阶段国内外众多学者已开展关于两者之间黏附特性的研究，总结现有研究发现沥青与集料之间的黏附机理较为复杂，国内外对黏附机理的认识主要有以下五种理论[2-5]：（1）力学理论；（2）化学反应理论；（3）表面能理论；（4）分子定向理论；（5）静电理论。基于这几种理论，国内外学者开发了多种评价沥青-集料黏附特性的试验方法，但大多数为工程使用效果评价方法，对工程实践的指导性不足。其中我国主要采用文献[6]中的水煮法和水浸法，该方法采用人眼观测预估脱落面积来定量黏附性等级，结果受试验人员影响大，定量不准确。随着科学技术的进步，光、电、磁、热等技术逐渐被用在了工程实际中，光电比色法、溶剂洗脱法、SHRP净吸附法、图像处理法、超声波测剥落率法等伴随而生[2]。随着各种表征仪器的发展，一些新型表征仪器也被用在了黏附性评价上，如拉力试验机、原子力显微镜、接触角测定仪、动态力学分析仪、动态剪切流变仪、紫外分光光度计等。虽然众多技术手段和试验方法均能评价沥青-集料之间的黏附特性，但由于沥青-集料本身组成的复杂性和界面黏附机理的复杂性，至今仍无公认的标准试验方法。

本文通过查阅文献及结合实际试验，详细描述国内外测试沥青与集料之间黏附特性的测试方法，并进行归类总结为图像处理计算类评价方法、力学类评价方法、光电比色类评价方法、表面能理论评价方法、流变学评价方法。对比分析各种方法的优缺点及适用性，提出不同评价方法存在的问题，以期为以后的沥青-集料界面黏附特性试验评价方法的发展提供指导及建议。

1 界面黏附试验方法进展

1.1 图像处理计算类评价方法

针对文献[6]中的试验方法人为影响大、定量不准确的缺点，樊亮等[7]采用图像处理技术对水煮法或水浸法试验结果的图片进行处理，主要是提取集料的整体像素面积和集料表面的沥青裹覆面积（图1），计算得到剥落率。袁俊[8]和董文娇[9]等采用超声波法结合图像处理技术，测定沥青-集料的黏附性。该方法创新的采用超声波振动引起水的波动，模拟路面使用过程中的动水压力，研究动水压力对集料表面的沥青膜的冲刷剥落现象，并结合图像处理技术计算出剥落率，对黏附性进行定量评价。

图1 集料表面沥青裹覆面积计算Fig.1 Calculation of asphalt coating area on aggregate surface

1.2 力学类评价方法

该类试验方法主要采用力学原理进行沥青-集料之间的黏结力测定，主要包括拉伸试验或剪切试验。试验原理为：将不同类型的集料制备成表面平整的规格形状，在其表面涂抹沥青，采用正向粘结或者侧向粘结，然后在拉力试验机的作用下测定拉力或者剪切力，如图2所示。

图2 物理力学类评价方法示意图Fig.2 Schematic diagram of physical mechanics evaluation method

王璐等[10]学者采用与美国材料与试验协会制定的标准ASTM D4541拉脱试验测量沥青在集料表面上的附着力。季野[11]采用拉拔试验和剪切试验来测量老化后的沥青在集料表面的粘结力，研究老化对沥青-集料界面粘结性能的影响。延西利[12]、陈峙峰[13]等采用剪切试验研究温度、石料类型、沥青种类、剪切速率等对沥青-集料界面粘结力的影响。肖月等[14]采用动态力学分析仪（DMA）进行沥青-集料界面间的拉伸试验，表征了周期循环力作用下界面间的黏附性能。

1.3 光电比色类评价方法

该类试验评价方法是采用吸光度原理，集料表面吸附沥青或染料，水会置换集料表面的沥青分子或染料，利用分光光度计测量溶剂中沥青的浓度或者染料的浓度变化，计算得到集料表面沥青的剥落率。

陈斌华[15]、马峰[16]和程锐等[17]均采用染色水溶液浸泡裹覆沥青的集料，利用分光光度计法测试染色水溶液的浓度变化，研究不同种类沥青与不同类型石料的黏附率，并与传统水煮法进行对比研究，结果表明，光电比色类方法测试灵敏度高，受人为影响小。周卫峰[5]和耿九光等[18]采用沥青-甲苯溶液浸泡集料，测定沥青-甲苯溶液浓度的变化，从而得到沥青在集料表面的剥落率。美国公路战略研究计划（SHRP）开发了净吸附法测试沥青-集料之间的水敏感性，郝培文[19]、朱大章[20]和彭余华等[21]采用了水煮法、水浸法和净吸附法研究沥青-集料间的黏附性，对比分析了各种试验方法与沥青混合料冻融劈裂试验之间的相关性，结果表明，净吸附法与沥青混合料水稳定试验有良好的线性相关性。

1.4 表面能理论评价方法

表面能理论是指在一定的温度和压力下，液体与固体接触生成新界面所需的功。该理论是一种能量转化理论，沥青与集料界面粘结力大小，取决于沥青在集料表面的湿润能力。湿润能力是指沥青在集料表面铺展的能力，其与沥青及集料本身的物理化学性质有关。由于水的表面张力比较强，其扩散能力强于沥青，能够置换集料表面的沥青，降低沥青与集料的粘结性能[22]。

沥青与集料的黏附过程是在高温下沥青呈液体状态，与集料固体表面接触后，形成液固界面的过程，液体与固体之间存在接触角，处于气、液、固三相平衡状态[23]。通过测量沥青的表面张力、表面自由能及沥青与集料间的接触角，即可计算沥青与集料间的粘附功，具体的计算公式如下。

当沥青在高温条件下呈现流动液体状态，沥青在集料表面的铺展过程遵循吉布斯函数：

粘附功定义为：

即：

结合Young方程：

可得：

式（1）～（5）中：∆G—吉布斯自由能，mJ/m2；γ1—液体表面自由能，mJ/m2；γs—固体表面自由能，mJ/m2；γsl—固液界面自由能，mJ/m2；Wsl—固液粘附功，mJ/m2；Θ—固液接触角(°)。

由以上公式可知，只要测定了沥青和集料的表面自由能以及两者之间的接触角，即可计算得到两者之间的黏附功。

刘亚敏等[24]采用插板法和柱状灯芯技术研究了沥青与集料间的吸附功。郑晓光等[25]通过Wilhelmy吊片法和吸附法测沥青与集料的表面自由能来计算沥青的内聚力及沥青与集料之间的界面粘结力。汪立龙[26]、魏建明[27]、陈燕娟等[28]根据表面能理论，采用接触角测定仪，测定沥青与集料的表面自由能，根据上述计算沥青与集料界面的粘附功，从而得到沥青与集料的粘结性能。

1.5 流变学评价方法

国内外研究者认为沥青混合料中沥青的存在方式有两种，一种是吸附在集料表面参与结构强度的形成，称之为“结构沥青”；另一种是未与集料发生交互作用，承担抵抗和恢复沥青混合料变形的作用，称之为“自由沥青”[29]。有研究认为，沥青混合料的强度来源于沥青-集料间的黏附力和沥青-沥青间的黏聚力，但起主要作用的为“结构沥青”。

针对这一认知，众多学者采用沥青胶浆流变性能试验进行沥青-集料间的界面黏附特性研究。樊见维[30]、李桐[31]和张世兴等[32]人开展矿物物理性质、化学特性、表面纹理及试验条件对沥青胶浆的力学性能影响研究，结果表明，矿料的粒径大小、比表面积、表面纹理、荷载作用时间及温度对胶浆力学性能均有影响。邹桂莲等[33]采用动态剪切流变仪（如图3所示）对不同粉胶比的沥青胶浆进行流变试验，结果表明，高粉胶比有利高温性能，低粉胶比有利疲劳性能，适宜的粉油比有利高温与疲劳性能之间的平衡。肖月[14]采用动态剪切流变仪循环加载进行沥青-集料界面间流变试验，表征了沥青胶浆的流变性能和黏附疲劳特性。孔维川[23]采用化学成分模拟法研究集料化学性质对沥青胶浆流变性能的影响，结果表明，碱性化学物质的加入能够提高黏结作用。

图3 动态剪切流变试验示意图Fig.3 Schematic diagram of dynamic shear rheological test

2 存在的问题及新型测试方法

2.1 图像处理计算类方法

该类试验方法是在传统水煮法、水浸法的基础上，采用了更加科学的图像处理技术，计算出沥青在集料表面的剥落率，改善了人为观察的弊端，使剥落率的试验结果具有一定的标准，初步具备了一定的定量性。但该类试验方法在采用图像处理软件时，图像的清晰度对像素的拾取具有很大的影响，另外图像采集时也只是采集集料的表面，由于集料表面粗糙不平，具备一定的棱角性，不能完全采集到集料整体的图像，故计算得到的试验结果具有一定的片面性。该类试验方法均需采用图像采集系统，各个研究者均有自己的采集系统，无法做到标准统一，试验结果与沥青混合料的水稳定试验结果相关性受沥青种类影响较大（如图4所示），对于70号沥青试验结果相关性良好，对于SBS改性沥青相关性不佳。

图4 不同类型集料与沥青的黏附性及冻融劈裂试验结果相关性Fig.4 Correlation of adhesion between different types of aggregates and asphalt and freeze-thaw splitting test results

2.2 力学类评价方法

拉伸或剪切试验方法均可以测定表征沥青-集料界面间的粘结力，但其均采用的平面板体，均需要将石料表面磨平，这与集料在沥青混合料中存在的形态差别较大。实际集料的表面纹理是粗糙不平的，沥青混合料中沥青膜存在的状态是厚薄不均且形态不规整的，故该类试验方法无法有效反映沥青混合料中沥青与集料之间的粘结效果。

2.3 光电比色类评价方法

该类试验方法采用分光光度计，仪器测试精度高，更能体现沥青-集料黏附体系对水的敏感性，受人为影响小，数据客观，不同实验室间重现性高。但是存在溶液浓度不易控制，波长选择不一致，操作较复杂，试验周期长等缺点。集料表面化学弱难以准确反应等，净吸附性与冻融劈裂相关性研究不足。

2.4 表面能理论评价方法

该类试验方法均是测定沥青、集料在常温状态下的表面能参数。沥青为黏弹性体，其表面能参数随着温度的变化而变化，其在集料表面的润湿过程与温度有很大的关系，以上研究均是采用理论公式计算得到的沥青与集料的黏附功，很难准确反应实际沥青混合料中两者的黏附状态。

2.5 流变学评价方法

该类试验方法创新采用循环加载的方式，有效模拟了实际的车辆荷载，研究了沥青-集料界面间的疲劳损坏特性，从微观层面解释了界面间的黏附机理。该类试验仅仅考虑了沥青胶浆对沥青与集料界面间的黏附特性的影响，与实际混合料的受力状态有较大的差别，流变试验与沥青混合料实际受力情况的相关性研究仍不足。并且动态剪切流变仪设备价格昂贵，仅限于科学研究，不利于在工程实际应用中推广。

2.6 新型测试方法的发展

随着仪器表征手段及制造技术的发展，先进仪器诸如扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等，逐渐被用在沥青路面材料微观结构研究中。利用原子力显微镜微悬臂探针测定与沥青表面分子间的相互作用力，可以表征沥青表面的粘结力，因此越来越多的国内外学者基于原子力显微镜的测试方法，开展了沥青黏附力和黏聚力的研究。单丽岩等[34]人利用AFM测量了SBS改性沥青在拉伸作用下的黏聚力分布，开展其水敏感性研究。庞骁奕[35]、易军艳[36]以表面能理论为基础，利用AFM技术并结合宏观拉拔试验，利用力学模型，测定了沥青和集料的表面能，解释了界面黏附机理。

随着互联网编程技术和模拟软件的发展，分子模拟技术[37]逐渐被众多学者用在了沥青-集料之间的黏附特性研究上。分子模拟技术可以从微观分子层面模拟沥青和集料的接触性质。集料主要是由CaO、MgO、SiO2等物质组成，沥青由四组分组成，这些均可以利用分子模拟技术实现。刘汝敏[38]、任永祥[39]和徐霈等[40]通过模拟沥青四组分和集料化学成分模型，构建沥青-集料模型，研究了集料化学成分与沥青四组分界面黏附功的关系。在沥青-集料模型中加入水分子模型，将沥青-集料微观分子层面的黏附模拟与宏观黏附强度相联系，研究了水对沥青-集料界面黏附的影响。

综上所述，各类沥青-集料间黏附特性试验评价方法各有千秋，试验操作复杂程度不一，但均与实际工程相关性较差，均与沥青混合料实际受力情况相差太多，均未与沥青混合料水稳定性试验建立良好的相关性。因此，为更好地表征沥青-集料的黏附特性，需结合沥青混合料在不同阶段的黏附作用过程，需开展多尺度、多因素耦合作用下的黏附定量研究，形成多尺度、多因素耦合作用下的沥青-集料黏附特性评价体系。另外为更好地结合并指导实际工程，利用高科技实验评价手段，开展沥青-集料之间黏附特性的快速评价方法，对工程质量的保证具有很重要的意义。

3 结语

沥青与集料之间的黏附特性，决定着沥青混合料的高温、疲劳和水稳定性能，关系着沥青路面的耐久性。通过查阅文献及结合实际试验，将国内外测试沥青与集料之间黏附特性的测试方法，归类总结为图像处理计算类评价方法、力学类评价方法、光电比色类评价方法、表面能理论评价方法、流变学评价方法。对比分析了各类评价方法的优缺点及适用性，提出不同评价方法存在的问题，以期为以后的沥青-集料界面黏附特性试验评价方法的发展提供指导及建议。展望了未来沥青-集料界面粘附特性研究的发展趋势，提出了新型快速评价方法研发的必要性。