基于原子力顯微鏡的TPS 改性瀝青與凝灰?guī)r集料間的黏附性能研究

羅干生，文 威，陳小兵，張 迪，張小瑞，趙 靜

（1.寧波市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心，浙江 寧波 315000；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

引言

凝灰?guī)r集料在浙江省儲量豐富，易于開采加工且具有抗壓耐磨的優(yōu)點。但凝灰?guī)r為酸性集料，與瀝青之間的黏附性較差[1]，用凝灰?guī)r集料生產(chǎn)的瀝青混合料水穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致瀝青路面較早出現(xiàn)松散、坑洞等水損害，嚴(yán)重影響瀝青路面使用壽命。

目前對瀝青-集料黏附作用評價的試驗方法主要有水煮法、水浸法及浸水拉拔試驗等[2]。相比于傳統(tǒng)的宏觀測試方法，原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，簡稱AFM）技術(shù)基于表面能理論，不僅可通過AFM 輕敲模式掃描采集瀝青的表面形貌，而且通過AFM 納米尺度力學(xué)性能量化模塊可以直接測試瀝青混合料試件中瀝青與集料間的楊氏模量和黏附力[3-5]。提升瀝青混合料水穩(wěn)定性的關(guān)鍵是改善瀝青與集料間的黏附性能，可以通過對瀝青進行改性、對集料表面進行改性、添加高黏改性劑等方法實現(xiàn)[6]。采用TAFPACK-Super（簡稱TPS）改性劑提高瀝青與集料間的黏附性能是一種較好的方法[7]。

1 原材料

采用國產(chǎn)70 號基質(zhì)瀝青，粗集料采用凝灰?guī)r，技術(shù)指標(biāo)見表1、表2。采用TPS 高黏改性劑，外觀為黃色的顆粒。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 凝灰?guī)r技術(shù)指標(biāo)

2 試驗方法

2.1 宏觀試驗方法

2.1.1 制備TPS 改性瀝青

采用高速剪切機制備TPS 改性瀝青，TPS 改性劑摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的3%、6%、12%。制備步驟：（1）稱取三份基質(zhì)瀝青置于金屬容器中，每份500 g，然后在165 ℃的烘箱中加熱1 h；（2）根據(jù)摻配比例，分別稱取15 g、30 g、60 g TPS 改性劑；（3）向基質(zhì)瀝青中逐漸加入TPS 改性劑，同時用玻璃棒進行攪拌，待TPS 改性劑無明顯的顆粒狀時，用高速剪切機進行剪切，先以2 000 r/min 的低轉(zhuǎn)速剪切10 min，然后以4 500 r/min 的高轉(zhuǎn)速剪切45 min，攪拌和剪切溫度保持在170±5 ℃范圍內(nèi)；（4）制備完成后的TPS 改性瀝青，TPS 改性劑應(yīng)全部溶解且分布均勻，瀝青表面及內(nèi)部無顆粒狀TPS 改性劑。

為了消除高速剪切對試驗結(jié)果的影響，按照流程加工一份不摻入TPS 改性劑的基質(zhì)瀝青作為對比組瀝青，質(zhì)量為500 g。

2.1.2 水煮法測試黏附性

首先取粒徑為13.2～19 mm 且形狀接近立方體的規(guī)則集料若干個，并按集料表面狀態(tài)分為三類，即洗凈凝灰?guī)r（洗凈并烘干的集料）、含泥凝灰?guī)r（未清洗但烘干的集料）、飽水凝灰?guī)r（洗凈并浸水24 h 的集料）。采用水煮法試驗，測試基質(zhì)瀝青及三種摻量TPS 改性瀝青與三種狀態(tài)凝灰?guī)r集料間的黏附性。

2.2 微觀試驗方法

AFM 測試采用德國布魯克Dimension Icon 原子力顯微鏡，探針型號為RTESPA-150，彈性常數(shù)為5 N/m，共振頻率為150 kHz，曲率半徑為8 nm，掃描范圍20μm×20μm。原子力顯微鏡使用懸臂上的探針在樣品表面進行掃描，并用激光跟蹤探針針尖表面與樣品表面相互作用時懸臂發(fā)生的偏移，從而獲取樣品表面納米級的微觀形貌、黏附力、楊氏模量等材料行為參數(shù)[8]。

為定量分析TPS 摻量對改性瀝青黏附性能的影響，采用AFM 接觸模式測試瀝青微觀力學(xué)特性，在掃描獲得的瀝青表面形貌圖上選擇10～12 點位獲得瀝青力曲線，取黏附力為評價指標(biāo)。AFM 測試瀝青力曲線的最低點與水平線之間的差值為黏附力的大小，見圖1。接觸力學(xué)中的Johnson-Kendall-Roberts（以下簡稱JKR）理論認(rèn)為黏附力作用在接觸表面的局域，不考慮塑形和黏彈性效應(yīng)，適用于高黏體系，通過黏附功模型計算得到的結(jié)果更符合實際[9]。TPS 改性瀝青作為高黏彈性材料，可采用JKR理論計算其黏附功：

圖1 瀝青力曲線

式中：Fad—黏附力，nN；R—探針針尖的當(dāng)量曲率半徑，nm；W—黏附功，mJ/m2。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 宏觀試驗結(jié)果分析

3.1.1 黏附性等級評價

水煮法試驗結(jié)果見圖2。分析可知，當(dāng)不摻加TPS 時，洗凈凝灰?guī)r和含泥凝灰?guī)r與基質(zhì)瀝青間的黏附性等級約為4 級，而飽水凝灰?guī)r集料表面瀝青膜剝落面積大，黏附性等級＜4 級。當(dāng)TPS 摻量＞6%時，飽水凝灰?guī)r集料黏附性等級＞4 級，能滿足規(guī)范的要求[10]。當(dāng)TPS 摻量為12%時，黏附性等級達到5 級，TPS 改性瀝青膜牢牢黏附在凝灰?guī)r集料表面。三種凝灰?guī)r集料與TPS 改性瀝青黏附性等級的排序：洗凈凝灰?guī)r＞含泥凝灰?guī)r＞飽水凝灰?guī)r。

圖2 水煮法試驗結(jié)果

3.1.2 黏附性能分析

泥土、灰塵等雜質(zhì)填充在集料表面空隙時，會減小集料和瀝青的黏附面積[11]，同時泥土遇水膨脹時會破壞集料和瀝青的黏附作用，因此，洗凈凝灰?guī)r與TPS 改性瀝青的黏附性等級比含泥凝灰?guī)r高。飽水凝灰?guī)r集料與瀝青黏附性等級低的原因主要是水的極性較強，對于集料的潤濕作用強于瀝青，浸水后的集料與瀝青黏附面積小，而且熱瀝青會與集料表面水發(fā)生乳化反應(yīng)[12]，降低瀝青和集料的黏附性能。

因此，為了提高凝灰?guī)r集料與瀝青之間良好的黏附性能，以及提升凝灰?guī)r瀝青混合料的水穩(wěn)定性，應(yīng)在施工中控制凝灰?guī)r集料的含泥量與含水率。另外，三種集料與瀝青的黏附性等級均隨TPS 摻量的增加而提高，添加TPS 能夠明顯改善瀝青和凝灰?guī)r集料之間的黏附性能，提高凝灰?guī)r瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3.2 微觀試驗結(jié)果分析

TPS 摻量對瀝青表面黏附力及黏附功的影響結(jié)果見圖3。

圖3 TPS 摻量對瀝青表面黏附力及黏附功的影響

由圖3 分析可知：黏附力隨著TPS 摻量的增加而增加，數(shù)據(jù)離散度呈現(xiàn)減小的趨勢，3%、6%、12% TPS 摻量的改性瀝青表面黏附力分別比基質(zhì)瀝青增加了8%、20%、25%，表明加入TPS 可以有效地增大瀝青表面黏附力。黏附功與TPS 摻量呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)TPS 摻量為12%時，瀝青表面黏附功接近250 mJ/m2，相比于基質(zhì)瀝青增加33%，從能量角度表明TPS 改性劑可以增大瀝青的黏附性能。當(dāng)TPS 摻量＞6%時，黏附功增加緩慢。因此，綜合考慮經(jīng)濟性及材料性能，建議TPS 改性劑的摻量為6%～8%。

4 結(jié)語

（1）凝灰?guī)r集料的表面狀態(tài)對其與瀝青之間的黏附性等級影響很大，制備凝灰?guī)r瀝青混合料時，應(yīng)控制凝灰?guī)r集料的含泥量和含水率。（2）TPS 改性劑能顯著提高瀝青與凝灰?guī)r集料間的黏附性等級，降低水對瀝青和凝灰?guī)r集料間黏附作用的破壞。（3）TPS 改性劑增大了瀝青的黏附性能，微觀黏附力和黏附功可以用于評價瀝青的黏附性能。（4）建議TPS摻量為6%～8%，可充分改善瀝青的黏附性能，提升凝灰?guī)r瀝青混合料的水穩(wěn)定性。