李 昇， 張 巖， 焦 凱

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安710054； 2.中國水利水電第三工程局有限公司， 陜西 西安 710016)

1 研究背景

瀝青與集料的黏附性不良而發(fā)生瀝青從集料表面剝落是造成水工瀝青混凝土水損害的根本原因[1]。為了讓水工瀝青混凝土具有良好的耐久性，改善水工瀝青混凝土的黏附性成為提高水工防滲結(jié)構(gòu)水穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題。目前評價瀝青黏附性的方法種類較多，有水煮法、水浸法、光電比色法等。最常用的水煮法操作簡單但有兩個缺陷，一是缺乏定量指標(biāo)，受主觀因素影響較大；二是無法準(zhǔn)確評價改性瀝青與集料的黏附性[2-4]。余國紅等[5]采取延長水煮時間的方法并通過質(zhì)量損失率定量評價了瀝青黏附性的強弱。樊亮等[6]采用圖像分析軟件計算水煮法與水浸法的剝落面積，定量研究了瀝青的黏附性。但這些方法和指標(biāo)忽略了瀝青混合料水損害的機理。

實際上，瀝青混合料的水損害可以通過表面能理論來解釋，隨著表面能理論的發(fā)展，越來越多的學(xué)者開始用表面能來表征瀝青與集料間的黏附性。2002年，Cheng等[7]通過測定不同瀝青、集料的表面自由能，采用有水和無水狀態(tài)下體系吉布斯自由能的變化量絕對比值作為表征瀝青與集料黏附性優(yōu)劣的指標(biāo)，結(jié)果表明該指標(biāo)評價結(jié)論與混合料加速水損害的試驗結(jié)論基本一致。2007年，肖慶一等[8]根據(jù)潤濕-吸附理論，通過水煮實驗、電鏡掃描(sanning electron microscope, SEM)試驗以及接觸角試驗研究了瀝青與集料的黏附性與黏附力的關(guān)系，結(jié)果表明黏附功結(jié)果與水煮法結(jié)果一致，而SEM只能做出定性評價，研究結(jié)果證明了采用黏附功表征瀝青與礦料黏附性關(guān)系的可行性。2010年，劉亞敏等[9]測定了70A、SBS(styrene-butadiene-styrene)改性瀝青與角閃片麻巖、石灰?guī)r的表面能參數(shù)，以有水、無水情況下表面能的絕對比值作為評價指標(biāo)，比較了不同系統(tǒng)的黏附性，結(jié)果表明SBS-角閃片麻巖的黏附性最佳。2014年，陳燕娟等[10]測定了2種瀝青與4種集料的表面自由能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)添加抗剝落劑后表面自由能中的極性分量增加，酸性集料的剝落功要大于堿性集料的剝落功，并發(fā)現(xiàn)剝落功表征的水穩(wěn)定性的優(yōu)劣與凍融劈裂試驗TSR(indirect tensile strength ratio)表征結(jié)果基本一致。2015年，Hamedi等[11]通過拉伸試驗和表面能試驗確定了4種定量指標(biāo)的參數(shù)，結(jié)果表明無水條件下瀝青-骨料界面表面能和無水與有水條件下瀝青-骨料界面表面能差值的比值與抗拉強度之間相關(guān)性最好。2017年，王嵐等[12]研究了老化前后CM(composite modified asphalt)、CRM(rubber crumb modified asphalt)、SBSM(styrene-butadiene-styrene modified asphalt)3種復(fù)合改性瀝青和石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖的表面能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)瀝青老化后與集料的界面黏結(jié)特性發(fā)生改變，瀝青的黏附性和抗水損害能力逐漸減弱。2017年，甘新立等[13]基于浸潤參數(shù)和表面能理論測定了不同溫度下瀝青的表面張力，并結(jié)合理論分析建立了瀝青表面張力與溫度的關(guān)系模型。2017年，羅蓉等[14]采用插板法和蒸汽吸附法分別測定了瀝青與集料的表面能參數(shù)，用表面能匹配性指標(biāo)來評價不同瀝青集料組合的黏附性能并通過水煮法驗證了表面能評價體系的可靠性。2020年，韓森等[15]基于表面能理論分析了6種不同瀝青摻消石灰對其黏附性的影響，結(jié)果表明在摻入消石灰后6種瀝青的表面能參數(shù)均減小，但極性分量增大，黏附性能提高。2021年，董仕豪等[16]比較了不同目數(shù)和不同摻量石灰對瀝青黏附性的影響，并通過拉拔試驗進(jìn)行了論證，研究發(fā)現(xiàn)摻量10%石灰對花崗巖-瀝青的黏附性提升效果最好，拉拔試驗結(jié)果與表面能試驗結(jié)果具有良好的相關(guān)性。

由以上研究可以看出，現(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者對表面能理論的研究仍以定性分析為主，并未定量分析表面能評價指標(biāo)與水煮法黏附性評價指標(biāo)的關(guān)系，且對于添加不同改性劑的瀝青與不同集料的黏附性缺乏系統(tǒng)性研究。本文基于表面能理論，通過接觸角試驗測定不同集料與改性前后瀝青的接觸角大小，經(jīng)過計算得到瀝青和集料的表面能參數(shù)、瀝青與集料間的黏附功以及瀝青-集料體系的剝落功，采用黏附功與剝落功的絕對比值作為表征瀝青與集料黏附性優(yōu)劣的指標(biāo)，結(jié)合改進(jìn)水煮法的瀝青質(zhì)量損失率建立兩者之間的關(guān)系，進(jìn)一步研究不同瀝青與集料之間的黏附性的量化指標(biāo)。為準(zhǔn)確量化不同改性劑的改善效果，準(zhǔn)確評價不同瀝青與不同集料之間的黏附性提供了思路。

2 表面能理論

在表面能理論[17]中，對于固液界面，其界面表面能為：

(1)

根據(jù)表面物理化學(xué)理論，固液表面潤濕性的優(yōu)劣可采用黏附功作為評價指標(biāo)，黏附功越大表明材料間的黏附性能越好?？梢詫⒈砻婺芾碚撨\用于瀝青-集料系統(tǒng)當(dāng)中，則瀝青與集料發(fā)生黏附作用產(chǎn)生的表面能變化量為黏附功Was，其表達(dá)式為：

Was=γa+γs-γas

(2)

式中：γa為瀝青的表面能，mJ/m2；γs為集料的表面能，mJ/m2；γas為瀝青與集料的界面能，mJ/m2。

將公式(1)代入公式(2)中得出：

(3)

當(dāng)瀝青混合料發(fā)生水損害時，這一過程可以看作是瀝青與集料界面分離，并形成瀝青-水、集料-水新界面。此過程表面能產(chǎn)生的變化量為剝落功Waws，其表達(dá)式為：

(4)

式中：Waws為剝落功，mJ/m2；Waw為瀝青與水之間的黏附功，mJ/m2；Wsw為集料與水之間的黏附功，mJ/m2。

利用計算出的Was和Waws可分別評價在無水和有水條件下瀝青與集料的黏附性能和抗剝落性能，但并不能綜合評價水對瀝青-集料系統(tǒng)的影響[18]。Bhasin等[19]研究發(fā)現(xiàn)，采用黏附功與剝落功的絕對比值ER作為評價瀝青混合料水穩(wěn)定性是可行的，其表達(dá)式如下：

(5)

式中：ER為評價瀝青-集料系統(tǒng)的匹配性指標(biāo)，即水穩(wěn)定指標(biāo)，ER值的大小與瀝青混合料的水穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系。

3 材料與試驗方法

3.1 試驗材料

試驗選用石灰?guī)r、花崗巖、輝綠巖3種粗骨料，通過化學(xué)成分分析根據(jù)SiO2含量得知其分別為堿性、酸性、中性巖石，其技術(shù)指標(biāo)滿足《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5363—2016)中的瀝青混凝土骨料標(biāo)準(zhǔn)。瀝青選取70A、90A及SBS 3種類型，其相關(guān)指標(biāo)滿足《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5363—2016)中的瀝青指標(biāo)要求，抗剝落劑選用PA-1型胺類，選用的水泥、消石灰等性能指標(biāo)也均滿足規(guī)范要求。試驗采用的瀝青和集料類型及其編號見表1。

表1 試驗采用的瀝青和集料類型及其編號

3.2 試驗方法

3.2.1 接觸角試驗 集料的制備采用SCQ-1型巖石切片機，將巖石切割成大小約為10 mm×10 mm×8 mm的長方體，依次使用細(xì)度由粗到細(xì)的砂紙打磨拋光，以保證巖塊兩面光滑。將試驗所選取的9類瀝青(表1)分別加熱至熔融狀態(tài)，并澆筑在清洗過的載玻片上，然后放入160 ℃的烘箱中懸掛放置2 min使瀝青在載玻片上自由流淌形成薄層，制備成瀝青試件。每種瀝青平行制備3組，最后將載玻片放入干燥器中12 h后使用。

采用躺滴法測定接觸角，選用JC2000DM型接觸角測量儀，選取3種探針液分別測定表1中各類瀝青與集料的接觸角，通過表面能理論公式計算3種集料與不同瀝青黏附作用的大小。探針液選取蒸餾水、丙三醇和甲酰胺3種，其表面能參數(shù)如表2所示。試驗溫度控制為25 ℃，用注射器將探針液緩慢滴在樣品表面，通過量角法測量液滴的左接觸角和右接觸角，每組試驗重復(fù)測試5次，以其平均值作為該次測量最終的接觸角。

表2 3種探針液的表面能參數(shù)

3.2.2 改進(jìn)水煮法 為了改進(jìn)水煮法試驗結(jié)果不易觀察的缺點，同時減少人為因素的影響，本文在我國現(xiàn)行《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5362—2018)中的試驗方案基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。本試驗以連續(xù)性試驗(3、6、10、15 min)方法測定瀝青-集料在水煮剝落過程中瀝青剝落質(zhì)量隨時間的變化。針對花崗巖、輝綠巖與改性前后90A瀝青的黏附性進(jìn)行試驗研究，每種集料各分為5組，并以90A-石灰?guī)r作為對照組，具體試驗方案如表3所示。按照公式(6)計算得到質(zhì)量損失率F(%)，結(jié)合黏附性分級指標(biāo)表評價瀝青-集料之間的黏附性能。瀝青的黏附性分級指標(biāo)如表4所示。

(6)

式中：M1為骨料樣品質(zhì)量，kg；M2為裹覆瀝青的樣品冷卻后質(zhì)量，kg；M3為水煮后樣品干燥24 h至恒重的質(zhì)量，kg。

表3 水煮法試驗方案

4 結(jié)果與分析

4.1 以表面能評價瀝青-集料的黏附性

圖1為通過表面能理論中的接觸角計算公式得到的12組瀝青與集料樣品在25 ℃條件下的表面能參數(shù)結(jié)果。由圖1可知，3種瀝青的色散分量數(shù)值遠(yuǎn)大于極性分量，充分說明瀝青為弱極性材料，其中SBS改性瀝青表面自由能要大于70A、90A基質(zhì)瀝青，說明SBS改性瀝青具有更大的內(nèi)聚力，原因是SBS吸附了瀝青中的芳香分、飽和分等非極性物質(zhì)，將其轉(zhuǎn)換為極性強、黏度大的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，使得極性分量增加；改性后的90A表面能相較于90A減少了2.5%～6.2%，且極性分量增加，色散分量減小，其中摻抗剝落劑后的極性分量增加最多，究其原因，添加消石灰和水泥可促使化學(xué)吸附產(chǎn)生，改善了集料表面性質(zhì)，添加抗剝落劑后降低了集料表面的張力并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，均使得瀝青極性增大；老化后瀝青的極性分量和自由能總量均減小，其中70R和90R的極性分量分別減小了63.5%和57.4%，究其原因主要是瀝青發(fā)生了氧化老化反應(yīng)，導(dǎo)致其極性和色散分量均減小，老化后瀝青的膠質(zhì)含量減少，瀝青質(zhì)含量增加，總表面能減小[21]。從3種集料的表面能參數(shù)可以看出，集料的表面能參數(shù)較大，屬于高表面能材料。

表4 瀝青的黏附性分級指標(biāo)表[20]

將表面能參數(shù)結(jié)果依次代入公式(3)、(4)、(5)中，可得到相應(yīng)瀝青-集料組合的Was、Waws和ER的試驗結(jié)果，如表5所示。由表5可知，Was和Waws均為正值，說明黏附過程與剝落過程均為放熱反應(yīng)過程，其中改性后的90A瀝青的黏附功相較改性前增大，說明無水條件下瀝青集料的黏附性能提高。

為了更為直觀地分析瀝青-集料系統(tǒng)對水穩(wěn)定性指標(biāo)的影響，繪制不同瀝青-集料組合的ER值關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)瀝青類型相同、集料種類不同時，ER值大小順序為：瀝青-石灰?guī)r>瀝輝綠巖>瀝青-花崗巖；當(dāng)集料種類相同、瀝青種類為90A基質(zhì)時，ER值大小順序為：90PA-集料>90HC-集料>90H-集料≈90C-集料>90A-集料。比較瀝青改性前后ER值的變化：與90A-集料相比較，90C-集料的ER值增大了1.9%～5.8%，90H-集料ER值增大了2.1%～5.8%；90HC-集料的ER值增大了3.2%～7.0%；90PA-集料的ER值增大了3.9%～7.8%?？傮w來看，摻不同改性劑后瀝青-集料組合的ER值均有所增大，黏附性和抗水損害能力增強，摻抗剝落劑對ER的影響最大，其原因可能是抗剝落劑的添加改善了瀝青與集料之間的潤濕性，并增強了兩者之間的黏結(jié)力。比較瀝青老化前后ER值的變化：老化后的瀝青-集料較老化前的ER值分別減少了8.7%～9.2%和4.3%～5.3%，說明老化會不同程度減弱瀝青的抗水損害能力。

圖1 不同瀝青類型和集料的表面能參數(shù)

表5 各瀝青-集料組合的表面能指標(biāo)

圖2 各瀝青-集料組合的ER值

4.2 以水煮法評價瀝青-集料的黏附性

表6為水煮法測得的瀝青-集料的黏附性試驗結(jié)果。由表6可知，傳統(tǒng)水煮法水煮時間為3 min時，各組合黏附性等級均在8級及其以上且差距不明顯，理論上滿足《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》要求。隨著水煮時間的加長，各組合質(zhì)量損失率增大，黏附等級均有所下降且差距逐漸增大，水煮時間為15 min的各組合差距最為明顯。各類型瀝青與集料的黏附等級大小排序為90PA>90HC>90C≈90H>90A，其中90A-花崗巖在水煮時間為15 min時的黏附等級最低，為1級，而90PA-花崗巖在水煮時間15 min時的黏附等級達(dá)到了6級，相較于90A-花崗巖的F值減少了50.25%，表明抗剝落劑的添加使得瀝青-集料組合的黏附性顯著提高。90A-輝綠巖在水煮時間為15 min時的黏附等級為4級，而90PA-輝綠巖相應(yīng)的黏附等級為6級，相較于90A-輝綠巖的F值減少了18.01%。

表6 各瀝青-集料組合的黏附性水煮法試驗結(jié)果

上述結(jié)果表明，不同改性劑的添加使得瀝青-集料的黏附能力增強程度不同。究其原因，是因為水泥中的硅酸鹽屬于堿性物質(zhì)，消石灰是一種強堿，與瀝青發(fā)生酸性物質(zhì)反應(yīng)生成具有一定吸附能力的產(chǎn)物，同時水泥和消石灰具有較強的極性，吸附在膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的表面，使瀝青的總表面能增加，從而增強了瀝青-集料的黏附力；而PA-1型抗剝落劑中的胺族能與集料表面發(fā)生反應(yīng)生成具有連接作用的結(jié)合物，有效地增強了瀝青與集料間的黏附力，因而改性機理有所不同。當(dāng)瀝青類型相同時，瀝青-石灰?guī)r的黏附性最佳，瀝青-輝綠巖的黏附性次之，瀝青-花崗巖的黏附性最差，這是由集料本身的性質(zhì)決定的。

4.3 瀝青質(zhì)量損失率與水穩(wěn)定指標(biāo)的關(guān)系

圖3、4分別為瀝青-花崗巖、瀝青-輝綠巖不同水煮時間下的F值與ER值的關(guān)系。由圖3、4可知，兩種巖石與瀝青組合的F值與ER值均呈線性負(fù)相關(guān)，且線性擬合優(yōu)度均大于0.95，表明了表面能理論運用于瀝青-集料黏附機理的準(zhǔn)確性；當(dāng)同一種類巖石與瀝青組合時，ER值越大，則F值越小，黏附性能也越好，隨著水煮時間的加長，F(xiàn)值不斷增大。因此，綜合考慮不同瀝青與集料組合的ER值與F值可知，改性劑的添加對瀝青與集料之間的黏附性與抗水損害能力有著不同程度的提高，瀝青種類對抗水損害能力的大小排序依次為90PA>90HC>90C≈90H>90A。

圖3 不同水煮時間下瀝青-花崗巖的F值與ER值的關(guān)系 圖4 不同水煮時間下瀝青-輝綠巖的F值與ER值的關(guān)系

5 結(jié) 論

(1)基于表面能理論建立的水穩(wěn)定指標(biāo)ER與水煮法的質(zhì)量損失率F之間具有線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，可以有效評價瀝青-集料系統(tǒng)的黏附性能及瀝青混合料的抗水損害能力。

(2)通過表面能試驗，3種原樣瀝青的色散分量遠(yuǎn)大于極性分量，表明瀝青為弱極性材料；摻入改性劑后的90A瀝青表面能總量減小了2.5%～6.2%，瀝青極性變大，使瀝青-集料之間的潤濕性增加，增強了兩者之間的黏結(jié)力；瀝青老化后總表面能減小，極性減小，黏附性能減弱。

(3)采用水穩(wěn)定指標(biāo)ER定量評價瀝青-集料的黏附性強弱，結(jié)果表明集料相同時摻改性劑的90A瀝青黏附性大小排序為90PA>90HC>90C≈90H>90A，瀝青相同時黏附性大小排序為瀝青-石灰?guī)r>瀝青-輝綠巖>瀝青-花崗巖。該評價方法相對于水煮法更為準(zhǔn)確客觀，能夠有效減小試驗過程的主觀因素影響。

(4)通過改進(jìn)水煮法，在一定時間范圍內(nèi)，連續(xù)水煮時間越長，越容易比較出不同類型瀝青與集料之間黏附性的差異，通過比較得出抗剝落劑的改性效果最好。