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(chǔ)量豐富，易于開(kāi)采加工且具有抗壓耐磨的優(yōu)點(diǎn)。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(duì)瀝青-集料黏附作用評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法主要有水煮法、水浸法及浸水拉拔試驗(yàn)等[2]。相比于傳統(tǒng)的宏觀測(cè)試方法，原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，簡(jiǎn)稱(chēng)AFM）技術(shù)基于表面能理論，不僅可通過(guò)AFM 輕敲模式掃描采集瀝青的表面形貌，而且通過(guò)AFM 納米尺度力學(xué)性能量化模塊可以直接測(cè)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(guò)對(duì)瀝青進(jìn)行改性、對(duì)集料表面進(jìn)行改性、添加高黏改性劑等方法實(shí)現(xiàn)[6]。采用TAFPACK-Super（簡(jiǎn)稱(chēng)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(guó)產(chǎn)70 號(hào)基質(zhì)瀝青，粗集料采用凝灰?guī)r，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)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(yàn)方法

2.1 宏觀試驗(yàn)方法

2.1.1 制備TPS 改性瀝青

采用高速剪切機(jī)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(chēng)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(chēng)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(shí)用玻璃棒進(jìn)行攪拌，待TPS 改性劑無(wú)明顯的顆粒狀時(shí)，用高速剪切機(jī)進(jìn)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(wú)顆粒狀TPS 改性劑。

為了消除高速剪切對(duì)試驗(yàn)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(duì)比組瀝青，質(zhì)量為500 g。

2.1.2 水煮法測(cè)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(gè)，并按集料表面狀態(tài)分為三類(lèi)，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(yàn)，測(cè)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(yàn)方法

AFM 測(cè)試采用德國(guó)布魯克Dimension Icon 原子力顯微鏡，探針型號(hào)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(jìn)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(shí)懸臂發(fā)生的偏移，從而獲取樣品表面納米級(jí)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(duì)改性瀝青黏附性能的影響，采用AFM 接觸模式測(cè)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(diǎn)位獲得瀝青力曲線，取黏附力為評(píng)價(jià)指標(biāo)。AFM 測(cè)試瀝青力曲線的最低點(diǎn)與水平線之間的差值為黏附力的大小，見(jiàn)圖1。接觸力學(xué)中的Johnson-Kendall-Roberts（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)黏附功模型計(jì)算得到的結(jié)果更符合實(shí)際[9]。TPS 改性瀝青作為高黏彈性材料，可采用JKR理論計(jì)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(yàn)結(jié)果分析

3.1 宏觀試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1.1 黏附性等級(jí)評(píng)價(jià)

水煮法試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。分析可知，當(dāng)不摻加TPS 時(shí)，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(jí)約為4 級(jí)，而飽水凝灰?guī)r集料表面瀝青膜剝落面積大，黏附性等級(jí)＜4 級(jí)。當(dāng)TPS 摻量＞6%時(shí)，飽水凝灰?guī)r集料黏附性等級(jí)＞4 級(jí)，能滿(mǎn)足規(guī)范的要求[10]。當(dāng)TPS 摻量為12%時(shí)，黏附性等級(jí)達(dá)到5 級(jí)，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(jí)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(yàn)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(shí)，會(huì)減小集料和瀝青的黏附面積[11]，同時(shí)泥土遇水膨脹時(shí)會(huì)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(jí)比含泥凝灰?guī)r高。飽水凝灰?guī)r集料與瀝青黏附性等級(jí)低的原因主要是水的極性較強(qiáng)，對(duì)于集料的潤(rùn)濕作用強(qiáng)于瀝青，浸水后的集料與瀝青黏附面積小，而且熱瀝青會(huì)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(jí)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(yàn)結(jié)果分析

TPS 摻量對(duì)瀝青表面黏附力及黏附功的影響結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 TPS 摻量對(duì)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(shì)，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(shí)，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(shí)，黏附功增加緩慢。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及材料性能，建議TPS 改性劑的摻量為6%～8%。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）凝灰?guī)r集料的表面狀態(tài)對(duì)其與瀝青之間的黏附性等級(jí)影響很大，制備凝灰?guī)r瀝青混合料時(shí)，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(jí)，降低水對(duì)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(píng)價(jià)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。