基于灰關聯理論的瀝青與集料黏附性能研究

王體宏，李永振，王 鴿，時敬濤，樊 亮

(1.中石油燃料油有限責任公司研究院，北京 100010；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250102；3.山東公路技師學院，山東 濟南 250104)

瀝青路面因其行車舒適度高、建設速度快、修理方便等優點，在我國得到了大面積的推廣應用[1-2]。瀝青路面在服役的整個過程中，會受到外界環境和重載交通等因素的影響，出現一些早期破壞，比如車轍、水損害、擁包、開裂和坑洞，其中水損害是一種比較常見的早期破壞。水損害是指當瀝青路面不能及時排水，在車輛荷載的反復作用下，形成動水壓力，動水壓力的反復作用將瀝青膜從集料表面脫落，從而造成粘附性降低而發生水損害現象[3]。

美國學者[4-7]在上世紀 20 年代就已經開始研究評價瀝青混合料水穩定性的試驗方法，開發了水煮法、馬歇爾穩定度以及凍融劈裂等試驗方法。在中國，從“八五”期間開始研究瀝青與集料的粘附性評價方法，研究成果確定了水煮法、水浸法作為評價瀝青與集料粘附性的標準試驗方法，馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗作為評價瀝青混合料水穩定性的標準試驗方法[8-9]。與此同時，國內許多專家學者如樊亮、袁俊[10-13]等人利用圖像分析軟件改善傳統水煮法人為判斷剝落面積的誤差大的缺點。郝培文、彭余華、朱大章[14-16]等學者通過水煮法、水浸法、凈吸附法和光電比色法等方法的比較研究，認為凈吸附法與瀝青混合料的水穩定性試驗之間相關性最好。

綜上所述：目前國內外均是基于單純的水浸法、圖像分析法、凈吸附法等，對集料與瀝青黏附性進行的理論研究，未對這幾種方法的相關性和準確性進行對比和分析。因此本文將選取70號瀝青和SBS改性瀝青兩種瀝青，石灰巖、玄武巖、花崗巖三種集料，通過水浸法、凈吸附法、接觸角法和凍融劈裂試驗，采用灰關聯方法，對比分析三種粘附性試驗方法與瀝青混合料凍融劈裂強度比的相關性，研究瀝青和集料界面粘結性能。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

瀝青選取70號瀝青和SBS改性瀝青，技術指標見表1。石灰巖、玄武巖、花崗巖三種集料化學成分與元素含量見表2。

表1 瀝青技術指標

表2 三種集料的化學成分與元素含量

由表2可知，石灰巖的SiO2含量為15.50%，為堿性集料；玄武巖的SiO2含量為53.99%，為中性集料；花崗巖的SiO2含量為72.77%，為酸性集料。

1.2 試驗方案

1.2.1 水浸法

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)[17]中的T0616-1993進行水浸法試驗,然后利用相機進行拍照，對照片采用Photoshop進行分析，求出集料表面上瀝青的剝落率。

1.2.2 凈吸附法

參照美國SHRP規范中的凈吸附法，通過紫外分光光度計測試瀝青-甲苯溶液濃度變化前后的吸光度大小，通過公式計算得到粘附率。

1.2.3 接觸角法

通過懸滴法測試不同溫度下的瀝青表面張力，通過躺滴法測試瀝青與集料的接觸角，通過公式計算粘附功。其中表面張力在同一溫度點平行測定3次，取平均值。

1.2.4 凍融劈裂試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)[17]中的T0729-2000試驗方法進行瀝青混合料的凍融劈裂試驗。

2 試驗結果分析

2.1 水浸法

表3 瀝青與不同礦料的粘附剝落面積(像素法)

由表3可知，集料表面上的70號瀝青剝落率石灰巖為2.05%，玄武巖為25.26%，花崗巖為34.15%；集料表面上的SBS改性瀝青剝落率石灰巖為0.21%，玄武巖為1.38%，花崗巖為5.65%。兩種瀝青與集料的粘附性關系：石灰巖>玄武巖>花崗巖。分析原因是瀝青呈弱酸性，石灰巖為堿性集料，玄武巖為中性集料，花崗巖為酸性集料，酸堿化學反應，故瀝青與石灰巖的化學吸附力>玄武巖>花崗巖。

2.2 凈吸附法

圖1 70號瀝青、SBS改性瀝青與三種集料的黏附率

由圖1可知，兩種瀝青與集料的粘附性關系：石灰巖>玄武巖>花崗巖，試驗結果與水浸法的結果是一致的，說明瀝青和化學性質不同的集料相互拌和時，它們之間的化學吸附力起作用。

2.3 接觸角法

由圖2可知，在150℃溫度下，兩種瀝青與三種集料的粘附性大小關系：石灰巖>玄武巖>花崗巖；在相同集料情況下，粘附功的大小關系：70號瀝青>SBS改性瀝青。分析原因為SBS改性瀝青在150℃溫度下仍具有較大的黏度，而70號瀝青已經處于充分流動狀態，SBS改性瀝青與集料的浸潤性小于70號瀝青。

圖2 150℃溫度下瀝青與集料的粘附功

2.4 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗結果見表4。

表4 凍融劈裂試驗結果

由表4可知，對70號瀝青，相同的混合料級配下，不同集料的凍融劈裂強度比：石灰巖>玄武巖>花崗巖；對SBS改性瀝青，相同的混合料級配下，不同集料的凍融劈裂強度比：石灰巖>玄武巖>花崗巖。

3 灰關聯分析

采用灰關聯方法，將瀝青混合料的凍融劈裂強度比作為參考序列，試件空隙率、集料SiO2含量、水浸法黏附率、凈吸附法黏附率、接觸角黏附功、瀝青的135℃黏度等作為參考序列。

表5 黏附性能分析數列的確定

確定好分析數列，首先對分析數列進行無量綱化處理，結果見表6。

表6 無量綱化處理結果

對無量綱數據進行求差和對差值取絕對值，具體數據見表7。

表7 求差序列、差值絕對值

根據以上數據的處理，得出各影響因素的關聯系數及關聯度，見表8。

表8 各影響因素的灰關聯系數及灰關聯度

圖3 不同影響因素關聯度

由表8及圖3可知，參考數列的關聯度大小順序為5>4>6>1>2>3，其中黏附性試驗方法中接觸角測得的粘附功與凍融劈裂試驗結果的關聯度最高，其次是SHRP凈吸附法，然后是水浸法。原材料中瀝青的粘度對凍融劈裂的關聯度大于集料的酸堿性。空隙率和瀝青的粘度與凍融劈裂試驗結果的相關性相同。接觸角試驗結果與瀝青混合料凍融劈裂試驗相關性最高，影響瀝青混合料水穩定的主要因素為瀝青混合料的成型溫度及壓實功，瀝青的性質與瀝青混合料凍融劈裂試驗相關性大于集料的化學性質。

4 結論

(1)通過水浸法、凈吸附法、接觸角法三種粘附性測試方法，兩種瀝青與集料的粘附性關系：石灰巖>玄武巖>花崗巖，試驗結果與水浸法的結果是一致的，說明瀝青和化學性質不同的集料相互拌和時，它們之間的化學吸附力起作用。

(2)通過凍融劈裂試驗，對70號瀝青，相同的混合料級配下，不同集料的凍融劈裂強度比：石灰巖>玄武巖>花崗巖；對SBS改性瀝青，相同的混合料級配下，不同集料的凍融劈裂強度比：石灰巖>玄武巖>花崗巖。

(3)通過灰關聯分析方法，接觸角試驗結果與瀝青混合料凍融劈裂試驗相關性最高，影響瀝青混合料水穩定的主要因素為瀝青混合料的成型溫度及壓實功，瀝青的性質與瀝青混合料凍融劈裂試驗相關性大于集料的化學性質。