李仁君,王麗靜,黃婷婷,胡芙蓉,羅 蓉

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院 湖北 武漢 430063；2.湖北省公路工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢 430063；3.湖北長(zhǎng)江路橋股份有限公司 湖北 武漢 430212)

0 引言

我國(guó)道路建設(shè)發(fā)展迅速，瀝青路面已成為主要的鋪裝形式。然而大部分瀝青路面在修建初期就出現(xiàn)坑槽、松散、唧漿等水損害問(wèn)題，嚴(yán)重影響道路服役質(zhì)量。水損害產(chǎn)生的根本原因是有水存在的條件下，瀝青內(nèi)部發(fā)生內(nèi)聚破壞或者瀝青與集料界面發(fā)生黏附破壞，進(jìn)而產(chǎn)生工程可見(jiàn)的水損害[1-3]。因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青與集料之間的黏附性能，從而優(yōu)選出具有良好黏附性的瀝青-集料組合，對(duì)提高瀝青混合料抵抗水損害性能具有重要意義。

目前評(píng)價(jià)瀝青與集料之間黏附性的方法可以分為定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)兩類(lèi)。定性評(píng)價(jià)類(lèi)包括水煮法、水浸法，定量評(píng)價(jià)類(lèi)包括凈吸附試驗(yàn)、光電比色法等。水煮法、水浸法這類(lèi)定性評(píng)價(jià)的方法，雖然操作簡(jiǎn)單，但受人為主觀判斷影響較大，無(wú)法精確評(píng)價(jià)瀝青與集料之間的黏附性能[4-8]。尤其當(dāng)不同瀝青與集料組合黏附等級(jí)相同時(shí)，無(wú)法進(jìn)一步區(qū)別出黏附性能更優(yōu)的瀝青-集料組合。而凈吸附試驗(yàn)是一種能夠定量評(píng)價(jià)瀝青與集料黏附性的試驗(yàn)方法，該方法相比于其他定性試驗(yàn)方法，受人為主觀因素影響較小，試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者所廣泛采用[9-10]。同時(shí)，凈吸附試驗(yàn)相比于現(xiàn)在國(guó)際上推薦使用的表面能理論，具有速度快、成本低等優(yōu)勢(shì)[11-12]。但現(xiàn)階段在進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)時(shí)并未明確指出應(yīng)該在何種波長(zhǎng)下進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)，通常采用經(jīng)驗(yàn)值。實(shí)際上在某些波長(zhǎng)區(qū)段下，當(dāng)溶液濃度變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的吸光度變化不明顯，這樣就會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。因此確定在何種波長(zhǎng)下進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果精確度的影響至關(guān)重要。

針對(duì)上述不足之處，本文首先采用多種波長(zhǎng)測(cè)試不同濃度下瀝青-甲苯溶液的吸光度，通過(guò)對(duì)相鄰濃度溶液的吸光度差值進(jìn)行研究，分析確定出凈吸附試驗(yàn)中最佳試驗(yàn)波長(zhǎng)值。然后采用最佳試驗(yàn)波長(zhǎng)對(duì)中山玄武巖、角閃巖與50#基質(zhì)瀝青、90#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青及高黏瀝青進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)，判斷不同瀝青-集料組合的黏附性，并與水煮法試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該方法的合理性和可行性。最后，總結(jié)全文主要結(jié)論。

1 確定凈吸附試驗(yàn)最佳試驗(yàn)波長(zhǎng)

1.1 試驗(yàn)原理

凈吸附試驗(yàn)的原理是通過(guò)制備固定濃度的瀝青-甲苯溶液，將集料置于瀝青-甲苯溶液中，采用紫外分光光度計(jì)在一定波長(zhǎng)下測(cè)量加入蒸餾水前后的瀝青-甲苯-集料體系中瀝青-甲苯溶液濃度的變化，并以此濃度變化為依據(jù)，計(jì)算集料對(duì)瀝青的吸附量以及遇水后集料表面瀝青的殘留量[13-14]，來(lái)準(zhǔn)確量化瀝青-集料之間的黏附性能。其中，吸附量是指單位質(zhì)量集料表面遇水前吸附的瀝青質(zhì)量，殘留量是指單位質(zhì)量集料表面遇水后集料表面殘留的瀝青質(zhì)量。水分子置換集料表面瀝青分子過(guò)程如圖1所示。

圖1 水分子置換集料表面瀝青分子示意圖

在進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)時(shí)，紫外分光光度計(jì)將某一特定波長(zhǎng)的光連續(xù)照射到一定質(zhì)量濃度的樣品溶液，得到與波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度，即吸光度，通過(guò)吸光度來(lái)確定溶液濃度，故可以通過(guò)某一波長(zhǎng)下溶液吸光度的變化來(lái)反映該溶液濃度的變化情況。但是在某些波長(zhǎng)區(qū)段下，當(dāng)溶液濃度變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的吸光度變化不明顯，這樣就會(huì)直接影響試驗(yàn)結(jié)果。因此為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，減小試驗(yàn)誤差，首先需確定出一個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域，使得在此波長(zhǎng)區(qū)域下測(cè)量得到的吸光度能夠顯著反映溶液的濃度變化。下面以50#基質(zhì)瀝青為例，利用紫外分光光度計(jì)確定合理試驗(yàn)波長(zhǎng)。

1.2 試驗(yàn)儀器及過(guò)程

1.2.1試驗(yàn)材料及儀器

試驗(yàn)以50#基質(zhì)瀝青作為研究對(duì)象，試驗(yàn)中所需要的儀器設(shè)備包括：紫外分光光度計(jì)，比色皿，振蕩器，25 ml容量瓶、100 ml錐形瓶、50 ml錐形瓶、玻璃棒等玻璃器皿若干，移液槍1支。凈吸附試驗(yàn)中所需要的儀器設(shè)備與波長(zhǎng)確定試驗(yàn)中的試驗(yàn)儀器相同，具體如圖2所示。

圖2 凈吸附試驗(yàn)儀器示意圖

1.2.2試驗(yàn)過(guò)程

a.瀝青-甲苯溶液配置：使用高精度電子天平分別稱量7.2、9.6、12.8、15.2、17.6、19.2、21.6、24.0 mg的50#瀝青，分別溶于100 ml純甲苯溶液，使用振蕩器振蕩4 h，此時(shí)初始溶液濃度分別為0.072、0.096、0.128、0.152、0.176、0192、0.216、0.240 mg/ml，并分別裝至30 ml錐形瓶中(圖3)。

圖3 瀝青-甲苯溶液配置示意圖

b.吸光度測(cè)量：分別將步驟a.中配置好的不同濃度的瀝青-甲苯溶液采用移液槍將4 ml瀝青-甲苯溶液移入潔凈的25 ml空容量瓶中，使用純甲苯溶液稀釋至25 ml并均勻混合，使用移液槍將稀釋后的瀝青-甲苯溶液移至比色皿中，采用紫外分光光度計(jì)測(cè)量在不同波長(zhǎng)下溶液的吸光度。已知該儀器可以測(cè)得190～1 100 nm波長(zhǎng)下的吸光度，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同波長(zhǎng)下的吸光度示意圖

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為確定合理的試驗(yàn)波長(zhǎng)，通過(guò)計(jì)算相鄰濃度溶液的吸光度差值進(jìn)行分析。相鄰溶液濃度的吸光度差值圖如圖5所示。其中差值為零的區(qū)域需要舍棄，是因?yàn)椴煌瑵舛鹊娜芤涸谙嗤ㄩL(zhǎng)下對(duì)應(yīng)的吸光度應(yīng)該不同，而差值為零代表不同的溶液濃度在相同波長(zhǎng)下的吸光度相同。同時(shí)若不同濃度溶液吸光度差值過(guò)小，試驗(yàn)結(jié)果容易受到試驗(yàn)誤差的影響，導(dǎo)致偏離真實(shí)吸光度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大。此外，不同濃度溶液吸光度差值越大，越難受到試驗(yàn)誤差的影響，試驗(yàn)結(jié)果能夠反映出真實(shí)吸光度。

圖5 相鄰濃度溶液的吸光度差值圖

通過(guò)以上分析可以將瀝青-甲苯溶液吸光度分為3個(gè)階段：

a.OA段(190～330 nm波段)：當(dāng)設(shè)定波長(zhǎng)小于330 nm時(shí)，測(cè)量的溶液濃度從0.072 mg/ml變化到0.24 mg/ml時(shí)，該區(qū)段存在差值為零的情況，且吸光度差值變化較小，容易導(dǎo)致各溶液濃度下測(cè)量的吸光度不準(zhǔn)確；

b.AB段(330～550 nm波段)：當(dāng)波長(zhǎng)處于330 nm至550 nm的范圍內(nèi)時(shí)，隨著溶液濃度的變化，各溶液濃度下對(duì)應(yīng)的吸光度變化顯著，濃度的變化會(huì)引起較大的吸光度變化，該區(qū)段能反映出溶液真實(shí)吸光度；

c.BC段(550～1 100 nm波段)：由于試驗(yàn)精度控制在0.05 mg/g，當(dāng)波長(zhǎng)大于500 nm時(shí)，相鄰濃度差均小于0.05 mg/g，此時(shí)容易受到試驗(yàn)誤差的影響，導(dǎo)致測(cè)量值偏離真實(shí)吸光度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，所以不選用波長(zhǎng)大于500 nm的區(qū)段進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)。

因此，在進(jìn)行凈吸附試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)波長(zhǎng)應(yīng)在AB段(330～550 nm波段)中選擇。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)波長(zhǎng)為340 nm時(shí)，不同濃度瀝青-甲苯溶液的吸光度變化最明顯，故建議采用的波長(zhǎng)為340 nm進(jìn)行試驗(yàn)。

2 采用凈吸附試驗(yàn)分析瀝青與集料黏附性

2.1 試驗(yàn)材料及準(zhǔn)備

a.試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用2種集料，分別為中山玄武巖和角閃巖，瀝青選用4種常見(jiàn)瀝青，分別為50#基質(zhì)瀝青、90#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青及高黏瀝青，水煮法試驗(yàn)采用的集料和瀝青與凈吸附試驗(yàn)相同，以便更為直觀地與凈吸附試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。試驗(yàn)材料見(jiàn)圖6。

(a)中山玄武巖

b.試驗(yàn)準(zhǔn)備

由1.3節(jié)可知紫外分光光度計(jì)在340 nm波長(zhǎng)下測(cè)量出的溶液的吸光度相對(duì)最準(zhǔn)確，所以本次試驗(yàn)在340 nm波長(zhǎng)下進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)紫外分光光度計(jì)對(duì)測(cè)試溶液的質(zhì)量濃度比較嚴(yán)苛[15]：必須保證配置的瀝青-甲苯溶液為1 mg/ml。所以本次試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)按照最優(yōu)配置進(jìn)行試驗(yàn)，

2.2 試驗(yàn)步驟

凈吸附試驗(yàn)的具體試驗(yàn)步驟可以簡(jiǎn)述如下：

a.集料準(zhǔn)備：使用蒸餾水清洗集料并烘干，烘干時(shí)間約15 h，待降溫至室溫后進(jìn)行試驗(yàn)。

b.瀝青-甲苯溶液配置：使用高精度電子天平稱量100 mg瀝青，溶于100 ml純甲苯溶液，初始濃度為1 mg/ml，使用振蕩器振蕩4 h，使其溶解均勻，并分裝至3個(gè)錐形瓶中，每個(gè)錐形瓶中瀝青-甲苯溶液30 ml。

c.測(cè)量瀝青-甲苯-1溶液吸光度A1：將步驟b中配置的瀝青-甲苯溶液記為瀝青-甲苯-1，使用移液槍將4 ml瀝青-甲苯-1移入潔凈25 ml容量瓶(錐形瓶中剩余26 ml瀝青-甲苯-1)，使用純甲苯溶液稀釋至25 ml并混合均勻，此時(shí)的稀釋溶液記為瀝青-甲苯-1-d，使用移液槍將瀝青-甲苯-1-d移至比色皿，采用紫外分光光度計(jì)測(cè)量得到瀝青-甲苯-1-d吸光度A1，用以反映純?yōu)r青-甲苯溶液濃度。

d.測(cè)量集料吸收瀝青后的瀝青-甲苯溶液吸光度A2：將15 g±0.001g的集料試樣放入配置好的瀝青-甲苯-1溶液中，得到瀝青-甲苯-集料體系，使用振蕩器充分振動(dòng)17 h，使集料充分吸收瀝青分子，此時(shí)的瀝青-甲苯溶液記為瀝青-甲苯-2，同樣使用移液槍將4 ml瀝青-甲苯-2溶液移入25 ml容量瓶，加入純甲苯溶液稀釋至25 ml后得到瀝青-甲苯-2-d，測(cè)量得到瀝青-甲苯-2-d的吸光度為A2，用以反映混合液中瀝青分子被集料吸附后的瀝青-甲苯-2溶液濃度。

e.測(cè)量水分子置換集料表面瀝青分子后的瀝青-甲苯溶液吸光度A3：使用移液槍將6 ml蒸餾水注入瀝青-甲苯-集料體系，采用振蕩器充分振動(dòng)6 h，此時(shí)的瀝青-甲苯溶液記為瀝青-甲苯-3，使用移液槍將4 ml瀝青-甲苯-3溶液移入25 ml容量瓶，加入純甲苯稀釋至25 ml后得到瀝青-甲苯-3-d，測(cè)量得到瀝青-甲苯-3-d的吸光度為A3，用以反映吸附在集料表面的瀝青分子被水分子替代后的瀝青-甲苯-3溶液濃度。

瀝青-甲苯溶液在不同步驟中的吸光度變化如圖8所示，每種集料-瀝青組合設(shè)置3組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)中變異系數(shù)控制在3%以內(nèi)。

圖7 瀝青-甲苯溶液在不同階段的濃度變化示意圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)前述試驗(yàn)中獲得的了瀝青-甲苯-集料體系在加水前后，瀝青-甲苯溶液濃度變化的吸光度數(shù)據(jù)，基于上述數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析水分子對(duì)吸附在集料表面瀝青分子的置換情況，具體計(jì)算過(guò)程如下：

a.計(jì)算初始吸附量Mi，即為單位質(zhì)量集料表面初始吸附的瀝青質(zhì)量：

(1)

式中：M0為單位質(zhì)量集料表面吸附的瀝青質(zhì)量，mg/g；V為初始錐形瓶中瀝青-甲苯溶液的體積，在本研究中為30 ml，ml；C為瀝青-甲苯溶液的初始濃度，即瀝青-甲苯-1的濃度，本研究中初始濃度為1 mg/ml；M為集料重量，g；其余A1、A2含義同前文。

b.計(jì)算凈吸附量Mn，即為被水分子置換后殘留在集料表面的瀝青質(zhì)量：

(2)

式中：Mn為單位質(zhì)量集料表面殘留的瀝青質(zhì)量，mg/g；Vr為2.2節(jié)步驟d中錐形瓶中的瀝青-甲苯-2體積，為26 ml；其余字母含義同前文。

c.瀝青殘留率R，即殘留在集料表面的瀝青占全部吸附瀝青的質(zhì)量百分率：

(3)

根據(jù)集料表面瀝青殘留率R大小，可以將瀝青-集料黏附性分為3個(gè)等級(jí)，如表1所示，若黏附性在同一個(gè)等級(jí)范圍內(nèi)，可以根據(jù)瀝青殘留率R的大小進(jìn)行比較，瀝青殘留率R越大，說(shuō)明瀝青與集料之間黏附性越好。

表1 瀝青與集料的黏附等級(jí)Table1 AdhesiongradeofasphaltandaggregateR/%瀝青與集料黏附性能判定﹥70好55～70一般﹤55差

根據(jù)上述計(jì)算步驟，分別計(jì)算Mi、Mn以及R，并將水煮法試驗(yàn)得到的結(jié)果同時(shí)列于表中，結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 凈吸附試驗(yàn)指標(biāo)與水煮法試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果Table2 Netadsorptiontestindicatorsandresultsofboilingtesttestindicators集料類(lèi)型瀝青類(lèi)型凈吸附試驗(yàn)指標(biāo)Mi/(mg·g-1)Mn/(mg·g-1)R/%瀝青與集料黏附性能判定水煮法黏附等級(jí)50#瀝青0.1030.04644.66差3角閃巖90#瀝青0.0410.01434.15差3SBS改性瀝青0.0590.03254.24差4高黏瀝青0.5620.43777.76好550#瀝青0.3230.17253.25差4中山玄武巖90#瀝青0.2330.13658.37一般4SBS改性瀝青0.2950.23077.97好5高黏瀝青0.7640.65886.13好5

表2可直觀的對(duì)兩種試驗(yàn)方法中集料-瀝青黏附性進(jìn)行比較。其中，水煮法試驗(yàn)結(jié)果為：中山玄武巖與4種瀝青的黏附等級(jí)均比角閃巖好；角閃巖與4種瀝青黏附等級(jí)排序?yàn)椋焊唣r青>SBS改性瀝青>90#瀝青=50#瀝青；中山玄武巖與4種瀝青黏附等級(jí)排序?yàn)椋焊唣r青=SBS改性瀝青>90#瀝青=50#瀝青。凈吸附試驗(yàn)結(jié)果為：中山玄武巖的4種瀝青黏附性均優(yōu)于角閃巖，中山玄武巖較角閃巖與瀝青黏附性更佳；角閃巖的4種瀝青黏附性排序?yàn)椋?0#瀝青<50#瀝青

水煮法試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法進(jìn)一步篩選出瀝青與集料的黏附性順序，但凈吸附試驗(yàn)結(jié)果可以更加準(zhǔn)確的確定出具體的瀝青—集料黏附性的排序組合。例如水煮法試驗(yàn)中，中山玄武巖與50#瀝青、90#瀝青的黏附等級(jí)均為4級(jí)，此時(shí)無(wú)法通過(guò)水煮法確定的黏附等級(jí)進(jìn)行瀝青選擇。而凈吸附試驗(yàn)可以得到在相同水煮法黏附等級(jí)下瀝青與集料黏附性能的排序，對(duì)于中山玄武巖，90#瀝青的殘留率R為58.37%，50#瀝青的殘留率R為53.25%，表明90#瀝青較50#瀝青與中山玄武巖黏附性更好。通過(guò)凈吸附試驗(yàn)，可以準(zhǔn)確量化出瀝青與集料之間的黏附性能。

由凈吸附試驗(yàn)可知，8種集料-瀝青組合黏附性排序?yàn)椋航情W巖-90#基質(zhì)瀝青<角閃巖-50#基質(zhì)瀝青<中山玄武巖-50#基質(zhì)瀝青<角閃巖-SBS改性瀝青<中山玄武巖-90#基質(zhì)瀝青<角閃巖-高黏瀝青<中山玄武巖-SBS改性瀝青<中山玄武巖-高黏瀝青，如圖8所示。其中角閃巖+高黏瀝青、中山玄武巖+SBS改性瀝青、中山玄武巖+高黏瀝青組合均有很好的黏附性能，中山玄武巖+90#瀝青組合黏附性一般，剩余集料-瀝青組合黏附性較差。凈吸附試驗(yàn)準(zhǔn)確量化了瀝青-集料之間黏附性能，判斷出50#瀝青、90#瀝青、SBS改性瀝青以及高黏瀝青與角閃巖、中山玄武巖之間黏附性優(yōu)劣，相比與傳統(tǒng)水煮法試驗(yàn)，更具有可行性。

圖8 8種集料-瀝青組合瀝青殘留率R變化示意圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)進(jìn)行不同波長(zhǎng)下不同濃度溶液的吸光度測(cè)量試驗(yàn)，確定出試驗(yàn)最佳試驗(yàn)波長(zhǎng)。通過(guò)最佳試驗(yàn)波長(zhǎng)下的凈吸附試驗(yàn)準(zhǔn)確量化了瀝青-集料之間的黏附性能，判斷出50#瀝青、90#瀝青、SBS改性瀝青以及高黏瀝青與角閃巖、中山玄武巖之間的黏附性優(yōu)劣，結(jié)論如下：

a.試驗(yàn)確定出適用于凈吸附試驗(yàn)的最佳試驗(yàn)波長(zhǎng)：當(dāng)波長(zhǎng)處于330～550 nm的范圍內(nèi)時(shí)，隨著溶液濃度的變化，各溶液濃度下對(duì)應(yīng)的吸光度變化顯著，該區(qū)段能反映出溶液真實(shí)吸光度。同時(shí)，當(dāng)波長(zhǎng)為340 nm時(shí)，不同濃度瀝青-甲苯溶液的吸光度變化最明顯，為減小試驗(yàn)誤差，提高凈吸附試驗(yàn)的精準(zhǔn)度，推薦使用340 nm波長(zhǎng)開(kāi)展凈吸附試驗(yàn)。

b.相比于水煮法試驗(yàn)，凈吸附試驗(yàn)結(jié)果與水煮法試驗(yàn)結(jié)果一致，證明凈吸附試驗(yàn)具有合理性。凈吸附試驗(yàn)可以得到在相同水煮法黏附等級(jí)下瀝青與集料黏附性能的排序，能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青與集料之間的黏附性能，優(yōu)選出具有良好黏附性的瀝青-集料組合。

c.凈吸附試驗(yàn)結(jié)果顯示角閃巖與4種瀝青之間的黏附性排序?yàn)椋?0#瀝青<50#瀝青#

d.凈吸附評(píng)價(jià)方法在宏觀上是通過(guò)物質(zhì)變化對(duì)黏附性能進(jìn)行的評(píng)價(jià)，微觀上反映出加水前后瀝青-集料界面之間能量的轉(zhuǎn)移與守恒，能夠量化集料-瀝青黏附性能從不同角度揭示了集料-瀝青界面黏附機(jī)理，因此凈吸附試驗(yàn)可為開(kāi)展界面的黏附失效研究做貢獻(xiàn)。