沥青与集料粘附性评价方法对比研究

沥青与集料粘附性评价方法对比研究2016-12-29

【摘要】现行评价集料与沥青粘附性好坏的水煮法主观性大，导致产生的误差大。采用4种试验方法分别对石灰岩、砂岩、花岗岩和玄武岩与沥青的粘附性进行试验，比较每种试验方法测得沥青剥落率的大小。试验表明，NAT法能较好评价沥青与集料的粘附性。

【关键词】沥青；集料；粘附性；剥落率

自20世纪30年代以来，世界各国的道路工作者对沥青与集料的粘附性问题逐渐开始重视，并进行大量研究，提出很多理论来阐述沥青路面的水损害原因。这些理论认为，沥青混合料的水损害主要是水浸入沥青混合料的集料与沥青膜之间而产生两方面的破坏作用：（1）减少沥青对矿料的粘附力；（2）破坏沥青混合料相互之间的粘结力。影响集料与沥青粘附性的因素主要有沥青与集料的表面张力、沥青与集料的化学组成、沥青的粘度、集料表面纹理、多孔性和清洁度。沥青与集料的粘附性不好致使沥青混合料的抗水损害能力降低。

目前，沥青路面水损害是沥青路面最常见的破坏现象之一。因此，集料与沥青的粘附性试验非常重要，在粘附性不好的情况下应采用添加抗剥落剂的方法来尽量提高集料与沥青的粘附性。而现行试验方法中，基本上都采用水煮法来评价沥青与集料的粘附性。但是人们都认为水煮法的判断主观性大，导致误差大。笔者分别用水煮法、重量法、光电比色法和NAT试验方法来测定沥青与集料的粘附性，并对每种试验方法就同一沥青应用于同一集料上的剥落率进行比较。

1沥青与集料的粘附和剥落理论

粘附是指一种物体与另一种物体粘结时的物理作用。沥青与集料的粘附性机理主要用5种理论来解释[1]：（1）力学理论。集料表面通常是粗糙且多孔，从微观角度看集料表面高低不平。这种粗糙增加了骨料的表面积，使沥青与集料的粘合面积增加，提高了两者之间的粘结力。（2）化学反应理论。众所周知，碱性石料与沥青的粘附性好，酸性石料与沥青的粘附性不好，遇水极易剥落。这是因为沥青中的酸性成分与集料表面碱性活性成分发生反应的结果。（3）分子定向理论。该理论认为，沥青与集料之间的粘附性是由于沥青中的表面活性物质对集料表面的定向吸附而成的。（4）表面能理论。通常应用经典的润湿论来解析沥青膜在石料表面的铺展或为水所置换而剥落的过程。（5）表面构造理论。该理论从集料表面构造阐述了沥青―集料之间的粘附机理。在沥青与集料的粘附过程中还存在更多的粘附-剥落机理和物理及化学平衡。

2试验方法

2.1水煮法

我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ016-1993）规定[2]的水煮法是选用洁净干燥的9.5～13.2mm等粒径粗集料，浸入热沥青裹覆45s后取出冷却15min，冷却后浸入微沸的蒸馏水中煮沸3min，然后观察沥青在集料表面剥离的状态，以此来评价沥青与集料的粘附性。该方法的优点是可以快速确定沥青与集料的粘附性，但缺点亦显著，即缺乏定量指标，评定等级受人为因素影响较大，往往因人而异。

2.2重量法

本试验以《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ016-1993）中沥青与粗集料的粘附性试验方法为基础，主要试验步骤为：将5个形状规则的集料洗净，干燥，编号并称重G0；将沥青升温到165℃，把准备好的集料放在沥青中，45s后轻轻取出，在室温下冷却15min，称重G1；然后放入微沸的水中煮3min后，在室温下干燥24h，称重G2。沥青剥落率Rd为：

2.3光电比色法

光电比色法[3]是基于在沥青-水-集料的体系中，水对沥青的置换作用而使沥青自集料表面产生剥落现象，而应用染料作示踪作用，当染料跟随水进入沥青与集料的界面时，就会吸附于集料的表面。集料表面的染料吸附量随时间而增加，而溶液中的染料浓度越来越小，直至达到吸附平衡。

2.4NAT法

该试验方法源自美国公路战略研究计划（SHRP）沥青研究项目[4]。它是基于集料表面对沥青有吸附作用，以及遇水后对沥青膜的置换作用，将一定粒级的集料放在沥青-甲苯溶液中一段时间进行循环回流，则会有一部分沥青被吸附到集料表面。之后，向沥青-甲苯溶液中加入一定量的水，让水对吸附在集料表面的沥青进行置换。这一系列的过程会使沥青-甲苯溶液中沥青的浓度发生改变。利用光电分光光度计测定溶液的吸光度，可计算出集料对沥青的吸附量及加水后沥青的剥落量，还可计算出自集料表面剥落的沥青剥落率或吸附率。

吸附量：

净吸附值：

剥落百分比：

式中，V为试验用的沥青-甲苯溶液体积，L；C0为沥青-甲苯溶液中沥青的初始浓度，g/L；A0为沥青-甲苯溶液的初始吸光度值；A1为加水前沥青-甲苯溶液的吸光度值；A2为剥落后沥青-甲苯溶液的吸光度值。

3试验结果及分析

选用石灰岩、玄武岩、砂岩和花岗岩作为试验集料，沥青选用SK70#基质沥青，分别用以上4种方法进行粘附性试验。重量法、光电比色法和NAT法试验得出的沥青剥落率见表1。从表1数据可以看出：用这3种试验方法得到的沥青与集料的剥落率，除花岗岩试验结果差异较大外，砂岩、石灰岩和玄武岩的差异都不大。用水煮法测得的粘附性等级与其它试验方法所得剥落率的百分率对应关系见表2。由剥落率与粘附性等级的对应关系得出的几种试验方法的粘附等级见表3。

表1不同集料表面沥青剥落率试验结果

试验方法

砂岩

石灰岩

花岗岩

玄武岩

重量法

11.35

8.55

50.73

21.57

光电比色法

13.48

12.35

73.62

24.88

NAT法

10.36

9.55

72.67

16.90

表2粘附等级与剥落率的对照关系

试验方法不同等级下的剥落率/%

5

4

3

2

1

水煮法0-1515-3535-5555-7575-100

表3粘附等级对比

试验方法

砂岩

石灰岩

花岗岩

玄武岩

水煮法

5

5

2

4

重量法

5

5

3

4

光电比色法

5

5

1

4

NAT法

5

5

2

4

对照表1和表3，用4种试验方法得到的砂岩、石灰岩和玄武岩的粘附等级都一样，但3种集料沥青剥落率却不相同。现行的水煮法虽然不能精确评价集料与沥青的粘附性，但在确定粘附等级上还是正确的，因此一直得到广泛应用；重量法和光电比色法可能产生的误差较大。因此，在评价集料与沥青粘附性时，条件允许情况下最好选择精度较高的试验方法。

4结论

（1）水煮法简单，易操作，时间短，沥青剥落情况明显，但整个试验过程中人的主观性大，产生的误差大，不能定量分析沥青剥落率。

（2）重量法也比较简单，也能定量分析沥青剥落率，但在裹覆沥青和水煮时容易产生误差。若要较精