基于原子力显微镜的凝灰岩沥青混合料水稳定性研究

2022-08-03罗干生鞠昌兵陈小兵张小瑞

山东交通科技 2022年2期

罗干生，文威，鞠昌兵，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；3. 南通市规划设计院有限公司，江苏南通 226000）

引言

凝灰岩集料性能良好、开采简单和运输便利，缓解了传统集料资源匮乏的问题，在东南沿海地区的道路工程建设中得到广泛使用［1］。凝灰岩集料是一种酸性集料，与沥青间的黏附性不足，凝灰岩沥青路面在阳光、雨水等环境因素和行车荷载作用下容易出现水损害，甚至导致城市内涝［2］。

当前沥青混合料的水稳定性试验评价方法包括沥青与集料的黏附性试验和沥青混合料整体的水稳定性试验，结合微观测试技术更好地揭示水损害作用机理［3］。沥青混合料水稳定性改善方法包括沥青改性、集料改性、优化级配等［4］。按密实级配原则构成的沥青混合料空隙率小，但不能形成骨架使得内摩阻力较小，受沥青材料性质的影响较大［5］。TAFPACK-Super（TPS）是高黏度改性沥青混合料中应用最广泛的改性剂，它能增大沥青的稠度和黏度，增强沥青与集料间的黏附作用，从而提高沥青混合料的水稳定性，延长沥青路面使用寿命［6］。

1 原材料

选用国产70#基质沥青和凝灰岩集料，并将凝灰岩集料分为0 ～5 mm、5 ～10 mm、10 ～15 mm、15 ～20 mm 四种规格，试验用高黏改性剂为日本技术生产的TPS 改性剂。

2 试验方案

2.1 级配设计和试件成型

密级配沥青混合料颗粒级配连续、相互嵌挤密实，能增强凝灰岩集料和沥青之间的黏附作用，按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）［7］规定的AC-16 级配类型对凝灰岩集料进行筛分，级配曲线见图1。

图1 AC-16 级配类型

选用合成级配作为沥青混合料的设计级配，以外掺的方式加入基质沥青质量3%、6%、12%的TPS改性剂，按马歇尔试验方法确定的凝灰岩沥青混合料最佳油石比为4.7%，双面击实50 次后在室温下养生24 h，得到基质沥青混合料和TPS 改性沥青混合料的标准马歇尔试件。

2.2 凝灰岩沥青混合料水稳定性试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）［8］对凝灰岩基质沥青混合料和三种TPS 掺量的凝灰岩沥青混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，然后计算浸水残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比，作为凝灰岩沥青混合料水稳定性的评价指标。

2.3 TPS 改性沥青微观性能试验

为了分析TPS 改性剂对凝灰岩沥青混合料的改善机理，通过高速剪切机制备TPS 改性沥青，TPS掺量为基质沥青质量的3%、6%、12%，借助原子力显微镜测试基质沥青和TPS改性沥青的扫描形貌图，并导入AFM 附带的专业离线软件Nanoscope Analysis进行分析，可以获得沥青的二维形貌图［9］。

3 试验结果分析

3.1 浸水马歇尔试验结果分析

由图2 可以看出，随着TPS 掺量的提高，浸水0.5 h 稳定度和浸水48 h 稳定度均有所提高，且浸水48 h 稳定度的提升速率均比浸水0.5 h 稳定度的提升速率大，当TPS 掺量为12%时，浸水0.5 h 稳定度和浸水48 h 稳定度达到了10 kN 左右。这是由于掺入TPS 改性剂后能够提高沥青自身黏聚力，凝灰岩集料表面能吸附大量沥青膜，改善了沥青与集料之间的黏附作用，增强了凝灰岩沥青混合料水稳定性。残留稳定度随着TPS 掺量的增加而提高，浸水48 h 后的基质沥青混合料残留稳定度＞80%，TPS 改性沥青混合料残留稳定度＞85%，满足普通沥青混合料和改性沥青混合料的残留稳定度要求，说明AC-16 级配的凝灰岩沥青混合料中集料嵌挤密实，减小沥青混合料的空隙率，具有良好的水稳定性。

图2 浸水马歇尔试验结果

3.2 冻融劈裂试验结果分析

由图3 可知，沥青混合料冻融前后的劈裂强度均随着TPS 掺量的增加而变大，相比于基质沥青混合料，3%TPS 改性沥青混合料冻融前劈裂强度增加了6%，其冻融后劈裂强度增加了23%，说明掺入TPS 后沥青与凝灰岩集料充分接触，水分不易侵入沥青-集料界面，加强了沥青和集料之间的黏附作用。当TPS 掺量为12%时，沥青混合料冻融前后的劈裂强度均大于0.7 MPa，提高了凝灰岩沥青混合料水稳定性。基质沥青混合料的冻融劈裂比＜75%，不满足要求，TPS 改性沥青混合的冻融劈裂比均大于80%，符合要求。说明加入TPS 明显提高了沥青混合料的冻融劈裂比，改善了沥青混合料的水稳定性。

图3 冻融劈裂试验结果

由图2 和图3 得知，残留稳定度和冻融劈裂比随着TPS 掺量的增长率都逐渐减小，相比于TPS 掺量为6%，TPS 掺量为12%的凝灰岩沥青混合料水稳定性提升效果不明显。

3.3 沥青表面微观形貌

“蜂状结构”为所有TPS 改性沥青样品共有特征结构，但蜂状结构的形状、数量和分布有差别，见图4。沥青各组分在纳米尺度具有不同的相态，蜂状结构由强极性的沥青质为晶核并包裹蜡分子生长而成，沥青中蜂状结构的明亮部分为沥青质，黯淡部分为烷烃、稠环芳烃类等轻质组分组成［10］。

图4 基质沥青和三种TPS 掺量改性沥青的表面形貌

由图4 可知，基质沥青的蜂状结构比较分散，形状为细长型。加入TPS 后，蜂状结构尺寸变小，数量变多，说明TPS 为聚合物改性剂，能吸收沥青中的轻质组分，使沥青中沥青质组分比例增大，沥青变得黏稠［11］。随着TPS 掺量的提高，蜂状结构交叉合并共同生长，出现了团聚现象，表明TPS 可以减小沥青质分子受到饱和分的收缩阻力，打破了基质沥青的平衡胶体结构，沥青质所占比例变大，沥青逐渐向凝胶型胶体过渡［12］。当TPS 掺量为12%时，TPS 改性剂充分溶胀，以胶团的形式溶解分散到沥青当中，充分吸收沥青内的轻质组分，形成了沥青质和TPS 的两相共混体系，沥青的胶体结构转变成凝胶型，且TPS 胶团对自由沥青的流动产生了阻尼作用，极大地提高了沥青的稠度和黏聚力，改善沥青的黏附性能［13］。