凍融循環(huán)下瀝青-集料的黏附性試驗與評價方法

李 萍, 何 騰, 念騰飛, 毛 昱, 陳柯柯

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

隨著瀝青路面在高等級公路中的廣泛使用,瀝青路面早期破壞的問題也隨之出現(xiàn),其中水損害問題尤為突出,許多高等級公路在通車一年左右就出現(xiàn)了松散、坑槽和唧漿等現(xiàn)象.瀝青路面發(fā)生水損害的原因主要在于水穩(wěn)定性不足,尤其在遭受凍融循環(huán)之后，路面受到的損害更為嚴(yán)重.通過查閱文獻(xiàn)[1-3]發(fā)現(xiàn),瀝青與集料之間的黏附性與瀝青混合料的水穩(wěn)定性密切相關(guān),直接影響到瀝青路面的使用壽命.

目前,瀝青與集料之間黏附性的評價方法分為定性評價方法和定量評價方法.定性評價方法中的水煮法和水浸法已被納入JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的黏附性評價方法,這兩種方法由于操作簡單、耗時短,被廣泛使用,但是受人為主觀判斷等因素影響較大.李一鳴[4]通過新、老規(guī)程的對比,進(jìn)行了大量的黏附性試驗,指出了現(xiàn)行規(guī)范中水煮法的一些缺陷和異議,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施.殷埝榮等[5]分析了水浸法試驗的不足,并提出了一種新的評價方法.

定量評價方法包括接觸角法、光電比色法和SHRP凈吸附法等.CHENG D. X.等[6]進(jìn)一步完善了表面能的測試方法,并將黏附功與水穩(wěn)定性進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)瀝青與集料黏附功越大,瀝青混合料的水穩(wěn)定性越好,黏附功可以評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，A. BHASIN等[7]運(yùn)用表面能理論計算了瀝青-集料體系在不同狀態(tài)下的能量變化.M. KOC 等[8]、S. RAYUDU等[9]研究發(fā)現(xiàn)接觸角是一種較為客觀精確的測量表面能方法,能更好地評價瀝青與集料的黏附性.羅蓉等[10]基于表面能理論,建立了瀝青與集料的配伍率、黏附性等級和瀝青殘留率三者間的關(guān)系模型.陳燕娟等[11]基于表面能理論,采用接觸角法計算了多種瀝青與集料的表面能,并進(jìn)一步計算了瀝青與集料的黏附功和剝落功.表面能理論可以量化評價瀝青與集料的黏附性,也可以很好地表征瀝青與集料的黏附性.光電比色法[12-13]利用吸光度原理能夠?qū)r青在集料表面的剝落情況表現(xiàn)出來,已被證實能夠較好地量化評價瀝青與集料的黏附性.

綜上,由于在水煮法和水浸法的試驗評價過程中,通過目測剝落面積百分率很難做到準(zhǔn)確估計,不能直觀分辨集料表面瀝青膜剝落情況,且水煮法試驗技巧不容易掌握,對于微沸狀態(tài)的理解也因人而異.因此,在評價瀝青與集料的黏附性時,單一水煮法試驗結(jié)果或水浸法試驗結(jié)果缺乏量化評價指標(biāo).為此,筆者選用接觸角法和光電比色法試驗分別與水煮法試驗、水浸法試驗進(jìn)行相關(guān)性分析,研究各評價指標(biāo)之間的關(guān)系,為采用更好的黏附性評價方法提供參考.

1 原材料測定

1.1 瀝 青

本研究中選用的6種瀝青分別為SK 90號基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青(SK 90號基質(zhì)瀝青+20%橡膠粉改性劑)、SBS改性瀝青(SK 90號基質(zhì)瀝青+5%SBS改性劑)、1號瀝青(SK 90號瀝青+3‰Ⅰ型抗剝落劑)、2號瀝青(SK 90號瀝青+3‰Ⅰ型抗剝落劑+3‰Ⅱ型抗剝落劑)和3號瀝青(SK 90號瀝青+3‰Ⅱ型抗剝落劑).

依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，對瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測,各項檢測指標(biāo)均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求.SK 90號基質(zhì)瀝青、橡膠粉和抗剝落劑(有機(jī)高分子聚合物)的技術(shù)指標(biāo)見表1-3.SBS改性劑密度為0.78 g·cm-3,粒徑范圍為3～6 cm,熔點(diǎn)為142 ℃.

表1 SK 90號基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

表2 橡膠粉技術(shù)指標(biāo)

表3 抗剝落劑基本技術(shù)指標(biāo)

1.2 集 料

試驗用粗、細(xì)集料均為甘肅省蘭州市彭家坪料場生產(chǎn)的輝綠巖.按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》對集料進(jìn)行性能測試,各項物理力學(xué)指標(biāo)均滿足JTG F40—2004的要求.粗、細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表4.

表4 集料技術(shù)指標(biāo)

2 試驗方案

2.1 凍融循環(huán)試驗

凍融循環(huán)方法沿用本課題組自行設(shè)置的凍融循環(huán)方法進(jìn)行試驗[14].將制備好的松散瀝青混合料放在器皿中,用自來水浸泡6 h,然后倒掉器皿中的水,將放有松散瀝青混合料的器皿置于-20 ℃的凍融循環(huán)箱中冷凍12 h,結(jié)束后將該器皿取出,置于室溫下融化6 h.以上過程為1次凍融循環(huán)過程.本試驗共進(jìn)行18次凍融循環(huán),分別在凍融0,3,6,9,12,15和18次時對松散瀝青混合料進(jìn)行水煮法、水浸法、接觸角法和光電比色法試驗.

2.2 水煮法和水浸法試驗

水煮法和水浸法分別取粒徑13.2～19.0 mm和9.5～13.2 mm的形狀接近立方體的規(guī)則集料.取粒徑的形狀接近立方體的規(guī)則集料.按照J(rèn)TG E20—2011中T0616—1993《瀝青與粗集料的黏附性試驗》的方法進(jìn)行水煮法和水浸法試驗.

2.3 接觸角法試驗

試驗用接觸角儀為美國科諾SL200KB接觸角儀.滴液選擇甲酰胺、丙三醇和蒸餾水,因為這3種液體不溶于瀝青,具有較大的表面能.3種滴液表面能及其分量見表5.

表5 3種滴液的表面能及其分量 mJ·m-2

將干凈的干燥載玻片放到水平儀上調(diào)平,將按照規(guī)定溫度加熱過的瀝青滴在載玻片上,并平鋪于整個載玻片,之后連同載玻片一起放置于防塵裝置中,冷卻至室溫.冷卻后,采用重力滴落法,將滴液滴定于載玻片上,滴定不少于5滴.之后利用接觸角儀測定滴液與瀝青載玻片的接觸角,得出的平均值作為結(jié)果.圖 1為接觸角試驗過程.

圖1 接觸角試驗

接觸角試驗結(jié)果分析方法如下:

1) 根據(jù)已知的3種試劑表面能參數(shù),采用重力滴落法,測量3種試劑分別與6種瀝青載玻片的接觸角以及6種瀝青分別與石料的接觸角.

2) 運(yùn)用Young-Dupre方程,聯(lián)立方程組求得6種瀝青表面能參數(shù)[10],即

(1)

3) 瀝青表面能與各分量之間的關(guān)系為

(2)

4) 瀝青-集料體系的黏附功為

Wst=γA(cosθ′+1),

(3)

式中:θ′為瀝青與石料表面的接觸角.

2.4 光電比色法試驗

試驗用儀器選用上海菁華科技儀器有限公司生產(chǎn)的721型分光光度計.將制好的松散瀝青混合料浸于已知質(zhì)量濃度的酚藏花紅溶液中,60 ℃下水浴2 h后,瀝青將會從集料表面剝落,最終使酚藏花紅溶液的質(zhì)量濃度下降,酚藏花紅溶液質(zhì)量濃度的變化可由分光光度計測出,進(jìn)而通過下式計算出剝落度:

(4)

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 結(jié)果分析

3.1.1水煮法試驗

多次凍融循環(huán)下瀝青與集料黏附性等級如圖2所示.

圖2 多次凍融循環(huán)下瀝青-集料水煮法黏附性等級

由圖2可知:6種瀝青的黏附性等級均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,2號瀝青、3號瀝青和橡膠瀝青分別在凍融到第9,12和18次時黏附性等級降到4級,橡膠瀝青黏附性等級下降最慢;基質(zhì)瀝青、1號瀝青和SBS改性瀝青分別在凍融到第9,15和18次時黏附性等級降到3級,不能滿足工程實際中對黏附性等級的要求.總體來看,在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,對于輝綠巖而言,6種瀝青黏附性優(yōu)劣依次為橡膠瀝青、3號瀝青、2號瀝青、SBS改性瀝青、1號瀝青和基質(zhì)瀝青.因此,可優(yōu)先將橡膠瀝青廣泛應(yīng)用于我國溫差較大的西北地區(qū)高等級公路瀝青路面建設(shè)中,以提高瀝青路面的水穩(wěn)定性,進(jìn)而延長瀝青路面的使用壽命.

3.1.2水浸法試驗

多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料的黏附性等級如圖3所示.

圖3 多次凍融循環(huán)下瀝青-集料水浸法黏附性等級

由圖3可知:6種瀝青的黏附性等級均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,橡膠瀝青黏附性等級下降最慢,凍融到第12次時黏附性等級降為4級,而水煮法評價中橡膠瀝青是在凍融到第18次時黏附性等級降為4級;基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、1號瀝青、2號瀝青和3號瀝青分別凍融到第6,12,12,15和18次時黏附性等級降為3級,而水煮法評價中這5種瀝青分別凍融到第6,12,12,15和18次時黏附性等級降為4級.總體來看,在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,對于輝綠巖而言,6種瀝青的黏附性優(yōu)劣依次為橡膠瀝青、3號瀝青、2號瀝青、SBS改性瀝青、1號瀝青和基質(zhì)瀝青,這與水煮法的評價結(jié)果相同.相比較而言,水煮法評價的黏附性等級偏高,這是因為水煮法中集料的瀝青膜較厚,水煮時間較短,僅為3 min,即便造成裹覆在集料表面最外層的瀝青變軟流動,要使瀝青膜從集料表面剝落也不是很容易;水浸法中裹覆集料的瀝青膜厚度小于水煮法,且浸水時間較長,為30 min,因而瀝青膜更容易從集料表面剝落.

3.1.3接觸角法試驗

多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料黏附功變化曲線如圖4所示.

圖4 多次凍融循環(huán)下瀝青與集料的黏附功變化曲線

由圖4可知:6種瀝青與集料的黏附功均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小,基質(zhì)瀝青在凍融到第9～12次時黏附功下降速率較快,橡膠瀝青、SBS改性瀝青、1號瀝青、2號瀝青和3號瀝青均在凍融到第12～15次時黏附功下降速率較快,說明有機(jī)高分子的加入能有效增加瀝青與集料的黏附功,從而延緩瀝青從集料表面剝落的時間;相同凍融循環(huán)次數(shù)下,對于輝綠巖而言,6種瀝青的黏附功由大到小的順序與黏附性優(yōu)劣排序一致，這與水煮法、水浸法評價結(jié)果相同.接觸角法能夠精確計算瀝青黏附功,相對于水煮法、水浸法,接觸角法能夠更精確地評價瀝青與集料的黏附性優(yōu)劣.

3.1.4光電比色法試驗

多次凍融循環(huán)下6種瀝青的剝落度變化曲線如圖5所示.

圖5 多次凍融循環(huán)下瀝青的剝落度變化曲線

由圖5可知:6種瀝青的剝落度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大,橡膠瀝青在凍融到第6～9次時剝落度增大速率較快,基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、1號瀝青、2號瀝青和3號瀝青均在凍融到第0～3次時剝落度增大速率較快,6種瀝青在凍融到第12～18次時剝落度增大速率減慢,基本趨于平穩(wěn),凍融到第18次時,剝落度均達(dá)到90%以上;相同凍融循環(huán)次數(shù)下,對于輝綠巖而言,剝落度由小到大的順序與黏附性優(yōu)劣的排序一致,這與水煮法、水浸法和接觸角法評價結(jié)果相同.光電比色法能夠精確計算瀝青剝落度,相對于水煮法、水浸法和接觸角法,光電比色法也能夠更精確地評價瀝青與集料的黏附性優(yōu)劣.

一般而言,對同種集料,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,瀝青與集料的剝落度逐漸增大,黏附功逐漸減小,黏附性等級逐漸降低.添加抗剝落劑的改性瀝青黏附功和黏附性等級均大于未添加抗剝落劑瀝青,而添加抗剝落劑改性瀝青的剝落度小于未添加抗剝落劑瀝青;Ⅱ型抗剝落劑性能優(yōu)于Ⅰ型.

3.2 評價指標(biāo)間的相關(guān)性分析

3.2.1黏附功與水煮法黏附性等級

圖6為多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料的黏附功和水煮法黏附性等級之間的關(guān)系.由圖6可知,隨黏附功的減小,黏附性等級也隨之減小.多次凍融循環(huán)下,6種瀝青的黏附功與黏附性等級擬合線的R2均小于0.9,相關(guān)性較低.表6為黏附功與黏附性等級相關(guān)性公式.

圖6 黏附功與水煮法黏附性等級的相關(guān)性曲線

表6 黏附功與水煮法黏附性等級相關(guān)性公式

瀝青種類相關(guān)性公式R2 基質(zhì)瀝青y=0.000 50x2-0.001 2x+2.029 30.884 6橡膠瀝青 y=-0.000 10x2+0.024 0x+3.794 80.723 6SBS瀝青y=0.000 05x2+0.013 0x+3.092 10.778 01號瀝青y=0.000 02x2+0.014 4x+2.772 20.769 22號瀝青y=0.000 20x2-0.017 3x+4.267 30.738 03號瀝青y=0.000 05x2+0.003 9x+3.860 80.682 1

3.2.2剝落度與水煮法黏附性等級

圖7為多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料的剝落度與黏附性等級之間的關(guān)系曲線.可以看出,隨剝落度的增加,黏附性等級隨之減小.多次凍融循環(huán)下6種瀝青的剝落度與黏附性等級擬合線的R2均小于0.9,相關(guān)性較低.表7為剝落度與黏附性等級相關(guān)性公式.

圖7 剝落度與水煮法黏附性等級的相關(guān)性曲線

表7 剝落度與水煮法黏附性等級相關(guān)性公式

瀝青種類相關(guān)性公式R2基質(zhì)瀝青y=-0.007 8x2+1.250 3x-45.268 00.879 6橡膠瀝青y=-0.001 4x2+0.185 0x-0.903 40.526 0SBS瀝青y=-0.003 1x2+0.428 5x-9.382 30.827 41號瀝青y=-0.001 6x2+0.207 3x-1.660 40.827 92號瀝青y=-0.001 3x2+0.159 2x+0.155 80.736 33號瀝青y=-0.001 8x2+0.236 6x-2.377 70.849 8

3.2.3剝落度與水浸法黏附性等級

圖8為多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料的剝落度與水浸法黏附性等級之間的關(guān)系.由圖8可知,隨著剝落度的增加,黏附性等級隨之減小.多次凍融循環(huán)下6種瀝青的剝落度與黏附性等級擬合線的R2均大于0.9,相關(guān)性較好.表8為剝落度與黏附性等級相關(guān)性公式.

圖8 剝落度與水浸法黏附性等級的相關(guān)性曲線

表8 剝落度與水浸法黏附性等級的相關(guān)性公式

瀝青種類相關(guān)性公式R2基質(zhì)瀝青y=-0.009 9x2+1.667 4x-66.241 00.932 1橡膠瀝青y=-0.001 2x2+0.136 2x+1.056 60.906 4SBS瀝青y=-0.004 5x2+0.620 1x-15.837 00.965 21號瀝青y=-0.001 9x2+0.238 4x-2.643 50.906 82號瀝青y=-0.003 0x2+0.401 1x-7.713 00.927 13號瀝青y=-0.002 2x2+0.281 5x-3.633 00.907 1

3.2.4黏附功與水浸法黏附性等級

圖9為多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料的黏附功與水浸法黏附性等級的關(guān)系.由圖9可知,隨黏附功減小,黏附性等級也隨之減小.多次凍融循環(huán)下6種瀝青黏附功與黏附性等級擬合線的R2均小于0.9,相關(guān)性較低.表9為黏附功與黏附性等級的相關(guān)性公式.

圖9 黏附功與水浸法黏附性等級的相關(guān)性曲線

表9 黏附功與水浸法黏附性等級的相關(guān)性公式

瀝青種類相關(guān)性公式R2基質(zhì)瀝青y=0.000 20x2+0.008 5x+1.945 30.834 7橡膠瀝青y=0.000 07x2-0.004 1x+4.034 80.774 9SBS瀝青y=0.000 20x2-0.006 2x+2.960 10.876 81號瀝青y=0.000 40x2-0.022 4x+3.277 90.872 42號瀝青y=0.000 01x2+0.019 6x+2.522 90.898 23號瀝青y=0.000 10x2-0.012 6x+4.219 90.713 0

3.2.5剝落度與黏附功

圖10為多次凍融循環(huán)下6種瀝青與集料的剝落度與黏附功之間的關(guān)系曲線.由圖10可知,隨著剝落度的增大,黏附功隨之減小.多次凍融循環(huán)下6種瀝青的黏附功與剝落度擬合線的R2均大于0.9,相關(guān)性較好.表10為剝落度與黏附功的相關(guān)性公式匯總表.

圖10 剝落度與黏附功的相關(guān)性曲線

表10 剝落度與黏附功的相關(guān)性公式

瀝青種類相關(guān)性公式R2基質(zhì)瀝青y=-0.417 2x2+71.758x-2 999.400.993 4橡膠瀝青y=-0.133 2x2+16.119x-329.150.905 9SBS瀝青y=-0.154 3x2+21.147x-584.870.903 81號瀝青y=-0.207 7x2+31.032x-1 034.200.952 52號瀝青y=-0.125 4x2+16.247x-384.610.913 83號瀝青y=-0.147 8x2+18.535x-416.330.908 1

4 結(jié) 論

1) 對于輝綠巖而言,6種瀝青黏附性優(yōu)劣依次為橡膠瀝青、3號瀝青、2號瀝青、SBS改性瀝青、1號瀝青和基質(zhì)瀝青;隨凍融循環(huán)次數(shù)增加,瀝青與集料黏附功減小,黏附性等級降低,剝落度增大.

2) 加入抗剝落劑有助于增大瀝青黏附功,減小剝落度,Ⅱ型抗剝落劑性能優(yōu)于Ⅰ型抗剝落劑.

3) 相較于水浸法試驗,水煮法評價黏附性等級偏大,在工程中安全性較低,而光電比色法和接觸角法能夠更準(zhǔn)確地量化評價瀝青與集料的剝落度和黏附功.

4) 通過對各評價指標(biāo)間的相關(guān)性分析,剝落度與水浸法黏附性等級、黏附功之間的相關(guān)性較其他評價指標(biāo)更好,建議采用光電比色法與水浸法相結(jié)合或采用光電比色法與接觸角法相結(jié)合的組合評價方法對瀝青與集料進(jìn)行黏附性評價.