基于數字圖像技術的瀝青與集料黏附性影響因素研究

王體宏1，李永振，王鴿3，時敬濤1，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，濟南 250102；3.山東公路技師學院，濟南 250104）

瀝青路面在使用過程中極易產生水損害，水損害產生過程復雜，因素主要包括瀝青性質、集料性質、界面黏附力、瀝青混合料體系指標[1-6]等。其中，瀝青與集料的界面黏附作用與瀝青和集料的性質息息相關，提高瀝青路面的工程使用質量關鍵是提高其抗水損害能力[7-14]。國內外學者多采用工程使用效果評價方法研究瀝青與集料的黏附性能，其中應用最廣泛的是水煮法與水浸法。我國現行交通部規程方法水煮法和水浸法的優點是簡單快捷直觀，缺點是水煮法溫度設置不明確，結果判斷主觀因素影響大，不能定量表征粘結性能。短期老化試驗（TFOT）是模擬瀝青混合料在運輸過程中產生的瀝青老化，但水浸法和水煮法是采用新鮮瀝青判定黏附性好壞，并未考慮瀝青的老化程度對黏附性的影響。瀝青的黏度與黏附性之間的正相關關系，是公路行業的傳統認知，但具體關系是否正相關，并未有明確的論斷。

針對交通部規程水煮法與水浸法在定量表征溫度、老化程度、黏度等方面的不足，本文選用水浸法測試不同瀝青與集料的黏附性，提出基于數字圖像處理技術的計算方法，運用Photoshop 處理技術計算剝落面積比，從溫度、老化程度、黏度等方面研究瀝青與集料的黏附性能。

1 試驗部分

1.1 瀝青

試驗選擇石灰巖、玄武巖、花崗巖三種集料。選擇50 號、70 號、90 號及SBS 改性瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[15]檢測瀝青指標，結果見表1。

由表1可知，試驗結果均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）[16]要求。

1.2 試驗方法

水浸法相對水煮法，水浴溫度控制更嚴格，試驗時間更長，故本文選用水浸法。具體試驗步驟參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[15]中的瀝青與粗集料黏附性試驗方法。

表1 瀝青的指標檢測結果

1.3 數字圖像處理技術

為計算集料表面的瀝青黏附面積，采用圖像處理法，圖像處理方法比人眼觀察更為準確。Photoshop 是功能強大的圖像處理工具，能夠對圖像進行編輯處理和測量，本次試驗的具體試驗步驟按照王鴿[17]學者的試驗方法。

2 結果與討論

2.1 溫度的影響

為開展研究，水浸法試驗選用70 號瀝青、SBS 瀝青，水浴溫度40 ～80 ℃，步長為10 ℃。試驗結果如圖1、2 所示。

圖1 集料表面的70 號瀝青黏附率

圖2 集料表面的SBS 瀝青黏附率

由圖1及圖2可知，對于70 號瀝青，從40 ℃水浴溫度開始，三種集料表面上瀝青黏附率即出現差別，首先在花崗巖表面脫落，其次玄武巖，然后石灰巖；對于SBS 瀝青，當水浴溫度大于80 ℃后，差別才開始出現，首先在花崗巖表面脫落，其次玄武巖，然后石灰巖。結果說明溫度升高對石灰巖表面的瀝青黏附率影響不大，幾乎不剝落，在80 ℃水浴溫度時開始出現差別，70 號瀝青先開始脫落，其次是SBS 瀝青。溫度升高后，玄武巖表面的瀝青黏附率降低；在70 ℃之后瀝青開始剝落。花崗巖表面的瀝青黏附率受溫度影響最明顯，相對其它兩種集料，在60 ℃時SBS 瀝青即在花崗巖表面剝落。

試驗結果表明：在不同的集料表面，瀝青開始出現剝落的溫度不同，溫度越高，黏附率越低，相對于70 號瀝青，SBS 瀝青在集料表面剝落時的溫度更高，說明其在集料表面的黏附更好。通過上述分析，建議水浸法試驗的水浴溫度設置為90 ℃以上。

2.2 老化的影響

對70 號瀝青和SBS 改性瀝青先進行老化試驗，再與集料進行黏附性試驗，運用Photoshop處理技術計算剝落面積，得到黏附率，結果見圖3～5。

由圖3～5 可知，對于三種集料，瀝青老化時間增加，在集料表面的黏附率減小，均為原樣＞短期老化＞長期老化。瀝青與集料之間界面粘結力由瀝青的自身黏聚力和瀝青與集料間的作用力組成，瀝青老化后四組分含量和分子結構改變，同時改性劑的性能降低，使瀝青組分結構重新組合，表面活性降低，浸潤作用減小，導致瀝青與集料間的作用力減小，粘結力減小，黏附性降低[18]。

圖3 石灰巖表面上的瀝青黏附率

圖4 玄武巖表面上的瀝青黏附率

圖5 花崗巖表面的瀝青黏附率

2.3 黏度的影響

圖6為不同老化程度的瀝青黏度值，由圖6可知，老化時間增加，兩種瀝青的黏度逐漸增大。由老化試驗后的黏附性試驗結果知道，瀝青老化時間逐漸增加，與集料間的黏附率逐漸減小。說明隨著瀝青黏度的增加，瀝青與集料間的黏附性并未增大。由圖7可知，對于不同的基質瀝青，135 ℃黏度為50 號＞70 號＞90 號，而與玄武巖的黏附率為70 號＞50 號＞90 號，進一步說明并不是瀝青的黏度增加，瀝青與集料的黏附性隨之增大，瀝青與集料的黏附是由瀝青與集料之間的作用力、界面上的化學吸附及瀝青組分在集料表面的選擇性擴散作用過程組成[19]，而瀝青的性質只是兩者之間黏附性的好壞影響因素中的一個。根據集料的酸堿性區分，石灰巖呈堿性，玄武巖呈中性，花崗巖呈酸性，而據現有研究[20]知道瀝青呈酸性，所以除溫度、老化及黏度等影響因素外，集料的化學性質對黏附性的影響，仍需進一步研究。

圖6 不同老化程度的瀝青黏度值

圖7 瀝青的黏度與黏附率的關系

3 結論

a）在不同的集料表面，瀝青開始出現剝落的溫度不同，溫度越高，黏附率越低，建議水浸法試驗的水浴溫度設置為90 ℃以上。

b）瀝青老化時間逐漸增加，與集料的作用力逐漸減小，與集料的粘結力逐漸減小，黏附性降低。

c）瀝青黏度增加，集料表面的瀝青黏附率并未增大，除溫度、老化及黏度等影響因素外，集料的化學性質對黏附性的影響仍需進一步研究。