沥青与集料黏附性试验方法及影响因素研究

章清涛，李永振，周圣杰，杨振宇，樊 亮

（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）

沥青路面以其优异的性能、易维修、平整度好等特点，现已成为我国最主要的路面形式。沥青路面的使用性能与沥青混合料的路用性能息息相关［1］。沥青、集料的各项性能和两者之间的黏附决定着沥青混合料的各项性能。现行规范［2］中均有明确的沥青、集料技术指标试验检测方法及评价标准，虽有沥青-集料之间的黏附性测试方法，但采用人眼观察判断的方法，为半定量试验方法，定量不准确［3］。我国规范中规定表征沥青与集料之间的黏附性方法主要为水煮水浸法、浸水马歇尔试验及沥青混合料冻融劈裂试验等。在实际工程应用中，水煮水浸法与与实际工程相关性较差，与沥青混合料实际受力情况相差太多，各类人员均是将水煮水浸法作为一种简单参考，并不将其作为预判沥青混合料性能的关键指标。因此，为更好地表征沥青-集料的黏附特性，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。

本文利用水浸法+图像处理法、接触角法开展不同沥青与集料之间的黏附性研究，进行黏附等级、剥落率、黏附功等指标与沥青混合料冻融劈裂试验之间的相关性分析，探索黏附性与沥青、集料指标的影响关系，以期为实际工程应用提供能够定量准确且快速预判沥青混合料水稳定性能的黏附性测试方法。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

选用四种沥青，分别为50号沥青、70号沥青、90号沥青和SBS改性沥青。四种沥青的技术指标见表1。

表1 沥青技术指标Table 1 Technical indexes of asphalt

根据规范主要采用SiO2含量判断集料的酸碱性，将SiO2的含量小于52%的集料称为碱性集料，SiO2的含量在52%~65%之间的集料称为中性集料，SiO2的含量大于65%的集料称为酸性集料，选用三种化学性质不同的集料，分别为石灰岩、玄武岩和花岗岩，三种集料中的SiO2含量见表2。石灰岩呈碱性、玄武岩呈中性、花岗岩呈酸性。

表2 三种集料SiO2含量Table 2 SiO2 content of three aggregates

1.2 试验方法

（1）水浸法

水浸法试验采用文献［4］中的方法。对水浸法的试验结果进行图像采集并经过一定的技术处理法，得到沥青在集料上的剥落率，具体的图像采集处理方法借鉴樊亮学者［5］的研究方法。

（2）接触角测试

接触角法采用躺滴法，采用德国KRUSS公司的DSA 100 接触角测量仪，测试方法及数据处理方法参考刘延军学者［6］的试验方法，计算得到沥青与集料之间的黏附功。

（3）冻融劈裂试验

冻融劈裂试验参考文献［4］中的方法。

2 黏附性试验结果与讨论

2.1 水浸法+图像处理法评价沥青-集料黏附性

利用水浸法，一种是由三位技术人员采用目测法判断沥青与集料的黏附等级，一种是采用图像处理技术计算得到沥青在集料表面的剥落率，所得结果见表3。

表3 沥青与不同集料的黏附性Table 3 Adhesion of asphalt to different aggregates

由表3可知，采用目测法时石灰岩、玄武岩与SBS和90号沥青的黏附等级相同，50号和70号沥青与三种集料的黏附等级相同；采用图像处理法时，每种沥青与集料的剥落率均有明确的数值，可以准确地定量表征各种沥青与集料的粘附性优劣。这说明采用目测判断的方法并不能很好的对比出同种集料与不同沥青的粘附性差别，采用水浸法+图像处理法得到沥青在集料表面的剥落率，能够准确定量表征不同沥青与集料的黏附性优劣。

2.2 接触角法评价沥青-集料黏附性

利用躺滴法，测量四种沥青与三种集料的接触角，计算粘附功定量评价沥青与集料的黏附性，所得结果见表4。

表4 沥青与集料的接触角及黏附功Table 4 Contact angle and adhesion work of asphalt and aggregate

由表4可知，在同种沥青条件下，不同集料的黏附性结果为石灰岩>玄武岩>花岗岩。同种集料条件下，黏附性结果为50号>70号>90号>SBS。黏附功反映将沥青从集料表面分离产生新界面所需要做的功，一般黏附功越大，说明两者的黏附性越好［7］。沥青标号越高，沥青在集料表面的润湿性更好，分离需要做的功越少，黏附性变差，通过量化的黏附功数据，能够定量表征沥青与集料之间的黏附性优劣。

2.3 与冻融劈裂试验相关性分析

将试验得到的黏附等级、剥落率、黏附功，与相对应的沥青与集料条件下沥青混合料冻融劈裂强度比（TSR）进行线性相关性分析，所得的方程及相关性系数见表5。

表5 三种黏附性指标与冻融劈裂强度比（TSR）的相关性分析Table 5 Correlation analysis between three adhesion indexes and freeze-thaw splitting strength ratio (TSR)

由表5可知，对于基质沥青，剥落率和黏附功与冻融劈裂强度比的线性相关系数远大于黏附等级，可知通过剥落率和黏附功能很好地表征沥青-集料的黏附性，水浸法+图像处理法及接触角法两种黏附性试验方法与沥青混合料的水稳定性具有很高的相关性，可以采用水浸法+图像处理法及接触角法预判沥青混合料的水稳定性的优劣。

对于SBS改性沥青，黏附等级、剥落率、黏附功指标与冻融劈裂强度比的线性相关系数均比较小，说明三种试验方法在评价改性沥青与集料黏附性均存在一定的弊端，由于沥青-集料的黏附性与沥青、集料的物理化学性质均有关，故对于SBS改性沥青与集料的黏附性评价，还需要进行沥青组分、集料化学、界面黏附作用等机理方面的研究。

3 黏附性影响因素分析

3.1 集料SiO2含量影响

分析集料SiO2含量对两种黏附性试验结果的影响，以集料SiO2含量为x轴，分别以剥落率和黏附功为y轴，采用线性拟合，得到的线性方程及相关性系数如图1、图2及表6所示。

图1 剥落率与集料SiO2含量相关性Fig.1 Correlation between spalling rate and SiO2 content of aggregate

图2 黏附功与集料SiO2含量相关性Fig.2 Correlation between adhesion work and SiO2 content of aggregate

表6 剥落率、黏附功与集料SiO2含量线性方程Table 6 Linear equation between spalling rate, adhesion work and SiO2 content of aggregate

由图1及表6可知，集料的SiO2含量越高，沥青在集料表面的剥落率越大；不同沥青在集料表面的剥落率与集料SiO2含量线性方程相关性系数分别为：50号沥青0.9374、70号沥青0.9969、90号沥青0.9093、SBS沥青0.7583。

由图2及表6可知，集料的SiO2含量越高，沥青与集料的黏附功逐渐减小；黏附功与集料SiO2含量线性方程相关性系数分别为：50号沥青0.9997、70号沥青0.9961、90号沥青0.9995、SBS沥青0.971。

综合可知，集料SiO2含量与黏附性试验结果具有很高的相关性，相关性系数基本大于0.9，集料SiO2含量反映了集料的酸碱性化学性质，说明沥青、集料间的黏附与集料酸碱性化学性质具有良好的相关性。

3.2 沥青135℃黏度影响

分析沥青135℃对两种黏附性试验结果的影响，以沥青135℃黏度为x轴，分别以剥落率和黏附功为y轴，采用线性拟合，得到的线性方程及相关性系数如图3、图4及表7所示。

图3 剥落率与沥青135℃黏度的相关性Fig.3 Correlation between spalling rate and viscosity of asphalt at 135℃

图4 黏附功与沥青135℃黏度的相关性Fig.4 Correlation between adhesion work and asphalt viscosity at 135℃

表7 剥落率、黏附功与沥青135℃黏度线性方程Table 7 Linear equation between spalling rate, adhesion work and asphalt viscosity at 135°C

由图3及表7可知，剥落率与沥青135℃黏度之间的相关性系数分别为：石灰岩0.5106、玄武岩0.6298、花岗岩0.8681，整体上随沥青黏度的增大，与集料的黏附性越好。

由图4及表7可知，黏附功与沥青135℃黏度之间的相关性系数分别为：石灰岩0.8412、玄武岩0.9283、花岗岩0.9461。

综合可知，黏附功与沥青135℃黏度的相关性大于剥落率，剥落率与沥青135℃黏度的相关性较差，这说明沥青135℃黏度对于黏附性有一定的影响，但不如集料化学性质的影响大。

4 结论

（1）剥落率和黏附功两个指标能够准确定量表征不同沥青与集料的黏附性优劣。

（2）水浸法+图像处理法、接触角法两种方法，能够准确定量表征基质沥青与集料的黏附性优劣，可用作评价基质沥青混合料水稳定性的试验方法。

（3）水浸法+图像处理法、接触角法两种方法，在评价改性沥青与集料的黏附性时存在一定的弊端，仍需进一步研究开发更广适用范围的方法。

（4）集料的SiO2含量越高，沥青在集料表面的剥落率越大，黏附功越小，黏附性越差；沥青135℃黏度对于黏附性有一定的影响，但不如集料化学性质的影响大。