基于原子力顯微鏡的凝灰巖瀝青混合料水穩定性研究

羅干生，文 威，鞠昌兵，陳小兵，張 迪，張小瑞，趙 靜

（1. 寧波市城市基礎設施建設發展中心，浙江 寧波 315000； 2. 東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096；3. 南通市規劃設計院有限公司，江蘇 南通 226000）

引言

凝灰巖集料性能良好、開采簡單和運輸便利，緩解了傳統集料資源匱乏的問題，在東南沿海地區的道路工程建設中得到廣泛使用［1］。凝灰巖集料是一種酸性集料，與瀝青間的黏附性不足，凝灰巖瀝青路面在陽光、雨水等環境因素和行車荷載作用下容易出現水損害，甚至導致城市內澇［2］。

當前瀝青混合料的水穩定性試驗評價方法包括瀝青與集料的黏附性試驗和瀝青混合料整體的水穩定性試驗，結合微觀測試技術更好地揭示水損害作用機理［3］。瀝青混合料水穩定性改善方法包括瀝青改性、集料改性、優化級配等［4］。按密實級配原則構成的瀝青混合料空隙率小，但不能形成骨架使得內摩阻力較小，受瀝青材料性質的影響較大［5］。TAFPACK-Super（TPS）是高黏度改性瀝青混合料中應用最廣泛的改性劑，它能增大瀝青的稠度和黏度，增強瀝青與集料間的黏附作用，從而提高瀝青混合料的水穩定性，延長瀝青路面使用壽命［6］。

1 原材料

選用國產70#基質瀝青和凝灰巖集料，并將凝灰巖集料分為0 ～5 mm、5 ～10 mm、10 ～15 mm、15 ～20 mm 四種規格，試驗用高黏改性劑為日本技術生產的TPS 改性劑。

2 試驗方案

2.1 級配設計和試件成型

密級配瀝青混合料顆粒級配連續、相互嵌擠密實，能增強凝灰巖集料和瀝青之間的黏附作用，按照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）［7］規定的AC-16 級配類型對凝灰巖集料進行篩分，級配曲線見圖1。

圖1 AC-16 級配類型

選用合成級配作為瀝青混合料的設計級配，以外摻的方式加入基質瀝青質量3%、6%、12%的TPS改性劑，按馬歇爾試驗方法確定的凝灰巖瀝青混合料最佳油石比為4.7%，雙面擊實50 次后在室溫下養生24 h，得到基質瀝青混合料和TPS 改性瀝青混合料的標準馬歇爾試件。

2.2 凝灰巖瀝青混合料水穩定性試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）［8］對凝灰巖基質瀝青混合料和三種TPS 摻量的凝灰巖瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，然后計算浸水殘留穩定度和凍融劈裂抗拉強度比，作為凝灰巖瀝青混合料水穩定性的評價指標。

2.3 TPS 改性瀝青微觀性能試驗

為了分析TPS 改性劑對凝灰巖瀝青混合料的改善機理，通過高速剪切機制備TPS 改性瀝青，TPS摻量為基質瀝青質量的3%、6%、12%，借助原子力顯微鏡測試基質瀝青和TPS改性瀝青的掃描形貌圖，并導入AFM 附帶的專業離線軟件Nanoscope Analysis進行分析，可以獲得瀝青的二維形貌圖［9］。

3 試驗結果分析

3.1 浸水馬歇爾試驗結果分析

由圖2 可以看出，隨著TPS 摻量的提高，浸水0.5 h 穩定度和浸水48 h 穩定度均有所提高，且浸水48 h 穩定度的提升速率均比浸水0.5 h 穩定度的提升速率大，當TPS 摻量為12%時，浸水0.5 h 穩定度和浸水48 h 穩定度達到了10 kN 左右。這是由于摻入TPS 改性劑后能夠提高瀝青自身黏聚力，凝灰巖集料表面能吸附大量瀝青膜，改善了瀝青與集料之間的黏附作用，增強了凝灰巖瀝青混合料水穩定性。殘留穩定度隨著TPS 摻量的增加而提高，浸水48 h 后的基質瀝青混合料殘留穩定度＞80%，TPS 改性瀝青混合料殘留穩定度＞85%，滿足普通瀝青混合料和改性瀝青混合料的殘留穩定度要求，說明AC-16 級配的凝灰巖瀝青混合料中集料嵌擠密實，減小瀝青混合料的空隙率，具有良好的水穩定性。

圖2 浸水馬歇爾試驗結果

3.2 凍融劈裂試驗結果分析

由圖3 可知，瀝青混合料凍融前后的劈裂強度均隨著TPS 摻量的增加而變大，相比于基質瀝青混合料，3%TPS 改性瀝青混合料凍融前劈裂強度增加了6%，其凍融后劈裂強度增加了23%，說明摻入TPS 后瀝青與凝灰巖集料充分接觸，水分不易侵入瀝青-集料界面，加強了瀝青和集料之間的黏附作用。當TPS 摻量為12%時，瀝青混合料凍融前后的劈裂強度均大于0.7 MPa，提高了凝灰巖瀝青混合料水穩定性。基質瀝青混合料的凍融劈裂比＜75%，不滿足要求，TPS 改性瀝青混合的凍融劈裂比均大于80%，符合要求。說明加入TPS 明顯提高了瀝青混合料的凍融劈裂比，改善了瀝青混合料的水穩定性。

圖3 凍融劈裂試驗結果

由圖2 和圖3 得知，殘留穩定度和凍融劈裂比隨著TPS 摻量的增長率都逐漸減小，相比于TPS 摻量為6%，TPS 摻量為12%的凝灰巖瀝青混合料水穩定性提升效果不明顯。

3.3 瀝青表面微觀形貌

“蜂狀結構”為所有TPS 改性瀝青樣品共有特征結構，但蜂狀結構的形狀、數量和分布有差別，見圖4。瀝青各組分在納米尺度具有不同的相態，蜂狀結構由強極性的瀝青質為晶核并包裹蠟分子生長而成，瀝青中蜂狀結構的明亮部分為瀝青質，黯淡部分為烷烴、稠環芳烴類等輕質組分組成［10］。

圖4 基質瀝青和三種TPS 摻量改性瀝青的表面形貌

由圖4 可知，基質瀝青的蜂狀結構比較分散，形狀為細長型。加入TPS 后，蜂狀結構尺寸變小，數量變多，說明TPS 為聚合物改性劑，能吸收瀝青中的輕質組分，使瀝青中瀝青質組分比例增大，瀝青變得黏稠［11］。隨著TPS 摻量的提高，蜂狀結構交叉合并共同生長，出現了團聚現象，表明TPS 可以減小瀝青質分子受到飽和分的收縮阻力，打破了基質瀝青的平衡膠體結構，瀝青質所占比例變大，瀝青逐漸向凝膠型膠體過渡［12］。當TPS 摻量為12%時，TPS 改性劑充分溶脹，以膠團的形式溶解分散到瀝青當中，充分吸收瀝青內的輕質組分，形成了瀝青質和TPS 的兩相共混體系，瀝青的膠體結構轉變成凝膠型，且TPS 膠團對自由瀝青的流動產生了阻尼作用，極大地提高了瀝青的稠度和黏聚力，改善瀝青的黏附性能［13］。

4 結語

（1）密級配凝灰巖瀝青混合料高溫水穩定性差，低溫凍融水穩定性良好。（2）TPS 改性劑提高凝灰巖瀝青混合料的結構強度，改善凝灰巖瀝青混合料水穩定性。（3）TPS 改性劑可以改變瀝青表面微觀形貌，增大瀝青自身黏聚力和黏附性能。