基于原子力显微镜的TPS 改性沥青与凝灰岩集料间的黏附性能研究

罗干生，文 威，陈小兵，张 迪，张小瑞，赵 静

（1.宁波市城市基础设施建设发展中心，浙江 宁波 315000；2.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096）

引言

凝灰岩集料在浙江省储量丰富，易于开采加工且具有抗压耐磨的优点。但凝灰岩为酸性集料，与沥青之间的黏附性较差[1]，用凝灰岩集料生产的沥青混合料水稳定性较差，导致沥青路面较早出现松散、坑洞等水损害，严重影响沥青路面使用寿命。

目前对沥青-集料黏附作用评价的试验方法主要有水煮法、水浸法及浸水拉拔试验等[2]。相比于传统的宏观测试方法，原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM）技术基于表面能理论，不仅可通过AFM 轻敲模式扫描采集沥青的表面形貌，而且通过AFM 纳米尺度力学性能量化模块可以直接测试沥青混合料试件中沥青与集料间的杨氏模量和黏附力[3-5]。提升沥青混合料水稳定性的关键是改善沥青与集料间的黏附性能，可以通过对沥青进行改性、对集料表面进行改性、添加高黏改性剂等方法实现[6]。采用TAFPACK-Super（简称TPS）改性剂提高沥青与集料间的黏附性能是一种较好的方法[7]。

1 原材料

采用国产70 号基质沥青，粗集料采用凝灰岩，技术指标见表1、表2。采用TPS 高黏改性剂，外观为黄色的颗粒。

表1 基质沥青技术指标

表2 凝灰岩技术指标

2 试验方法

2.1 宏观试验方法

2.1.1 制备TPS 改性沥青

采用高速剪切机制备TPS 改性沥青，TPS 改性剂掺量为基质沥青质量的3%、6%、12%。制备步骤：（1）称取三份基质沥青置于金属容器中，每份500 g，然后在165 ℃的烘箱中加热1 h；（2）根据掺配比例，分别称取15 g、30 g、60 g TPS 改性剂；（3）向基质沥青中逐渐加入TPS 改性剂，同时用玻璃棒进行搅拌，待TPS 改性剂无明显的颗粒状时，用高速剪切机进行剪切，先以2 000 r/min 的低转速剪切10 min，然后以4 500 r/min 的高转速剪切45 min，搅拌和剪切温度保持在170±5 ℃范围内；（4）制备完成后的TPS 改性沥青，TPS 改性剂应全部溶解且分布均匀，沥青表面及内部无颗粒状TPS 改性剂。

为了消除高速剪切对试验结果的影响，按照流程加工一份不掺入TPS 改性剂的基质沥青作为对比组沥青，质量为500 g。

2.1.2 水煮法测试黏附性

首先取粒径为13.2～19 mm 且形状接近立方体的规则集料若干个，并按集料表面状态分为三类，即洗净凝灰岩（洗净并烘干的集料）、含泥凝灰岩（未清洗但烘干的集料）、饱水凝灰岩（洗净并浸水24 h 的集料）。采用水煮法试验，测试基质沥青及三种掺量TPS 改性沥青与三种状态凝灰岩集料间的黏附性。

2.2 微观试验方法

AFM 测试采用德国布鲁克Dimension Icon 原子力显微镜，探针型号为RTESPA-150，弹性常数为5 N/m，共振频率为150 kHz，曲率半径为8 nm，扫描范围20μm×20μm。原子力显微镜使用悬臂上的探针在样品表面进行扫描，并用激光跟踪探针针尖表面与样品表面相互作用时悬臂发生的偏移，从而获取样品表面纳米级的微观形貌、黏附力、杨氏模量等材料行为参数[8]。

为定量分析TPS 掺量对改性沥青黏附性能的影响，采用AFM 接触模式测试沥青微观力学特性，在扫描获得的沥青表面形貌图上选择10～12 点位获得沥青力曲线，取黏附力为评价指标。AFM 测试沥青力曲线的最低点与水平线之间的差值为黏附力的大小，见图1。接触力学中的Johnson-Kendall-Roberts（以下简称JKR）理论认为黏附力作用在接触表面的局域，不考虑塑形和黏弹性效应，适用于高黏体系，通过黏附功模型计算得到的结果更符合实际[9]。TPS 改性沥青作为高黏弹性材料，可采用JKR理论计算其黏附功：

图1 沥青力曲线

式中：Fad—黏附力，nN；R—探针针尖的当量曲率半径，nm；W—黏附功，mJ/m2。

3 试验结果分析

3.1 宏观试验结果分析

3.1.1 黏附性等级评价

水煮法试验结果见图2。分析可知，当不掺加TPS 时，洗净凝灰岩和含泥凝灰岩与基质沥青间的黏附性等级约为4 级，而饱水凝灰岩集料表面沥青膜剥落面积大，黏附性等级＜4 级。当TPS 掺量＞6%时，饱水凝灰岩集料黏附性等级＞4 级，能满足规范的要求[10]。当TPS 掺量为12%时，黏附性等级达到5 级，TPS 改性沥青膜牢牢黏附在凝灰岩集料表面。三种凝灰岩集料与TPS 改性沥青黏附性等级的排序：洗净凝灰岩＞含泥凝灰岩＞饱水凝灰岩。

图2 水煮法试验结果

3.1.2 黏附性能分析

泥土、灰尘等杂质填充在集料表面空隙时，会减小集料和沥青的黏附面积[11]，同时泥土遇水膨胀时会破坏集料和沥青的黏附作用，因此，洗净凝灰岩与TPS 改性沥青的黏附性等级比含泥凝灰岩高。饱水凝灰岩集料与沥青黏附性等级低的原因主要是水的极性较强，对于集料的润湿作用强于沥青，浸水后的集料与沥青黏附面积小，而且热沥青会与集料表面水发生乳化反应[12]，降低沥青和集料的黏附性能。

因此，为了提高凝灰岩集料与沥青之间良好的黏附性能，以及提升凝灰岩沥青混合料的水稳定性，应在施工中控制凝灰岩集料的含泥量与含水率。另外，三种集料与沥青的黏附性等级均随TPS 掺量的增加而提高，添加TPS 能够明显改善沥青和凝灰岩集料之间的黏附性能，提高凝灰岩沥青混合料的水稳定性。

3.2 微观试验结果分析

TPS 掺量对沥青表面黏附力及黏附功的影响结果见图3。

图3 TPS 掺量对沥青表面黏附力及黏附功的影响

由图3 分析可知：黏附力随着TPS 掺量的增加而增加，数据离散度呈现减小的趋势，3%、6%、12% TPS 掺量的改性沥青表面黏附力分别比基质沥青增加了8%、20%、25%，表明加入TPS 可以有效地增大沥青表面黏附力。黏附功与TPS 掺量呈正相关关系，当TPS 掺量为12%时，沥青表面黏附功接近250 mJ/m2，相比于基质沥青增加33%，从能量角度表明TPS 改性剂可以增大沥青的黏附性能。当TPS 掺量＞6%时，黏附功增加缓慢。因此，综合考虑经济性及材料性能，建议TPS 改性剂的掺量为6%～8%。

4 结语

（1）凝灰岩集料的表面状态对其与沥青之间的黏附性等级影响很大，制备凝灰岩沥青混合料时，应控制凝灰岩集料的含泥量和含水率。（2）TPS 改性剂能显著提高沥青与凝灰岩集料间的黏附性等级，降低水对沥青和凝灰岩集料间黏附作用的破坏。（3）TPS 改性剂增大了沥青的黏附性能，微观黏附力和黏附功可以用于评价沥青的黏附性能。（4）建议TPS掺量为6%～8%，可充分改善沥青的黏附性能，提升凝灰岩沥青混合料的水稳定性。