馬 峰,富志鵬,傅 珍,陳斌華

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西西安710064;2.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司,陜西西安710075; 3.長安大學(xué)材料學(xué)院,陜西西安710064)

基于光電比色法的天然瀝青改性瀝青與集料黏附性研究

馬 峰1,富志鵬2,傅 珍3,陳斌華1

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西西安710064;2.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司,陜西西安710075; 3.長安大學(xué)材料學(xué)院,陜西西安710064)

為了研究天然瀝青與集料之間的黏附性，選用2種基質(zhì)瀝青與3種集料，在基質(zhì)瀝青中分別摻入不同劑量的天然瀝青，采用光電比色法測試瀝青與集料的黏附性，并與水煮法試驗結(jié)果作對比，建立兩種方法對應(yīng)的黏附率與黏附等級的聯(lián)系，同時通過浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗研究了瀝青混合料的水穩(wěn)定性.試驗結(jié)果表明，光電比色法可以定量分析瀝青與集料的黏附性，并且從黏附性角度能更為精確地確定天然瀝青的最佳摻量;在基質(zhì)瀝青中摻入天然瀝青能明顯增加瀝青與集料的黏附性能，但不同的基質(zhì)瀝青與集料在添加天然瀝青后對其黏附性的提高程度各異;水煮法試驗、浸水馬歇爾試驗及其凍融劈裂試驗的結(jié)果驗證了光電比色法試驗結(jié)果的可靠性.

道路工程;天然瀝青;集料，光電比色法，黏附性

0 引言

水損害嚴(yán)重影響瀝青路面的質(zhì)量和使用壽命,而水穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一是瀝青與集料界面茹附力的強弱.因此,國內(nèi)外提出了一些方法來評價瀝青與礦料的茹附性［1-7］,如水煮法、水浸法、光電比色法、SHRP凈吸附法等,各種評價瀝青與集料茹附性的方法試驗條件各不相同,結(jié)果各有優(yōu)劣.其中水煮法與水浸法試驗簡單,易操作,但試驗結(jié)果受人為因素影響大;光電比色法與SHRP凈吸附法為定量評價方法,試驗結(jié)果準(zhǔn)確,但試驗復(fù)雜,不易掌握［3-6］.同時很多學(xué)者就此開展了相關(guān)研究,郝培文等通過水煮法、水浸法、光電比色法和凈吸附法研究了不同類型瀝青和集料之間的茹附性［3］.周衛(wèi)峰用灰關(guān)聯(lián)理論分析了不同的瀝青與集料茹附性試驗方法與瀝青混合料水穩(wěn)性的相關(guān)關(guān)系［4］.肖慶一等以潤濕吸附理論為基礎(chǔ),采用茹附試驗分析了瀝青礦料表面潤濕性能對界面粘結(jié)強度的影響［5］.彭余華等以SHRP凈吸附法和水煮法為研究對象,建立了兩類試驗方法之間的聯(lián)系［6］.傅珍等采用三角形坐標(biāo)系研究了瀝青組分與茹度、茹附性之間的關(guān)系,利用灰關(guān)聯(lián)方法分析了瀝青組分對茹度及茹附性能影響［7-9］.陳實等以礦料堿值、表面電荷作用以及瀝青基本特性為研究對象,分析了這些性質(zhì)與茹附性的關(guān)系［10］.余國紅等以礦料表面裹覆瀝青的質(zhì)量損失率作為評價指標(biāo)探討了巖石和瀝青茹附能力與瀝青混合料水穩(wěn)定性間的內(nèi)在關(guān)系［11］.

相關(guān)研究對瀝青與集料茹附性做了大量工作,但多數(shù)集中在瀝青與集料茹附性定性及其他定量評價方法與影響因素方面,而針對光電比色法定量評價天然瀝青與集料茹附性的研究還較少.光電比色法運用吸光度的原理,通過計算瀝青膜的茹附率來定量評價茹附性好壞,人為因素影響較小.經(jīng)比選后,筆者選擇2種基質(zhì)瀝青分別摻人不同劑量的天然瀝青分別與石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖3種集料,采用光電比色法測定瀝青與礦料的茹附性,并結(jié)合水煮法試驗、浸水馬歇爾試驗及其凍融劈裂試驗對光電比色法試驗結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗證,以便對工程實踐起到比較好的指導(dǎo)作用.

1 原材料性質(zhì)與試驗方法

1.1 原材料性質(zhì)

(1)基質(zhì)瀝青.試驗所用的基質(zhì)瀝青選擇西石化70#和90#瀝青,測試基質(zhì)瀝青的指標(biāo),實驗結(jié)果見表1.表中數(shù)據(jù)表明,試驗所用的基質(zhì)瀝青各項數(shù)據(jù)均符合規(guī)范要求.

(2)天然瀝青.天然瀝青采用四川天然巖瀝青,等差摻人基質(zhì)瀝青中,分別制備2%、4%、6%不同摻量的天然瀝青改性瀝青.該種天然瀝青是以分子量高達(dá)10 000的瀝青質(zhì)作為其最主要化學(xué)成分,其化學(xué)構(gòu)成為碳占81.7%、氫7.5%、氧2.3%,以及少量的其他元素.幾乎每個瀝青質(zhì)大分子中都含有較高的氧元素、氮元素、硫元素等較強的極性官能團(tuán),在巖石表面將產(chǎn)生極為強勁的吸附力.

(3)集料.集料選用石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖三種石料.由于堿值是礦料的重要性質(zhì)之一,其酸堿性對于瀝青和礦料的茹附性有重要影響,所選用集料的堿值分別為:石灰?guī)r為0.97;玄武巖為0.64,輝綠巖為0.58.堿值從大到小的排序為石灰?guī)r＞玄武巖＞輝綠巖.一般而言,堿值的大小與集料與瀝青的茹附性直接對應(yīng),堿值越大茹附性越強,堿值越小茹附性越弱.

1.2 試驗方法

(1)光電比色法與水煮法.采用上海菁華科技儀器有限公司生產(chǎn)的721型分光光度計,溶劑選用酚藏花紅染料.選用了兩種基質(zhì)瀝青分別摻加2%、4%、6%的天然瀝青,將改性后的瀝青分別與石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖均勻拌合,測定其茹附率.試驗基本過程為:配置一定濃度的酚藏花紅染料的水溶液,再將一定質(zhì)量的瀝青混合料樣品放人其中,然后將混合溶液浸水,水溫為60℃,時間為2 h,而石料可以吸附溶液中的酚藏花紅染料.所以在瀝青混合料中,如果瀝青膜剝落,石料裸露出來后,溶液的濃度就會降低.使用分光光度計可快速有效地測得溶液濃度的變化,從而反映出瀝青與集料間的茹附性.

為與光電比色法進(jìn)行對比分析,同時采用我國目前規(guī)范中采取的傳統(tǒng)方法(水煮法)對同樣的試樣進(jìn)行試驗,將兩者對比.

(2)瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗.通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來分析兩種基質(zhì)瀝青的水穩(wěn)定性,以此間接評價瀝青與集料的茹附性,并將結(jié)果與光電比色法試驗作對比分析.試驗選取最大粒徑為16 mm的石灰?guī)r,礦料級配如表2所示,分別和70#、90#瀝青依據(jù)規(guī)定要求制作成標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行試驗.

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)性質(zhì)Tab.1 Properties of base asphalt binders

表2 馬歇爾試驗的礦料級配Tab.2 Aggregate grade of Marshall test

在確定了混合料的級配之后,選用3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%這5個油石比分別制作馬歇爾試件,根據(jù)以上瀝青混合料不同油石比下的各項物理指標(biāo)的數(shù)據(jù),可得出70#瀝青的最佳油石比為4.5%,90#瀝青的最佳油石比為4.3%.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 光電比色法試驗結(jié)果

根據(jù)試驗數(shù)據(jù),歸納、總結(jié)出各標(biāo)號的基質(zhì)瀝青在天然瀝青的不同摻量改性下對各種礦料的茹附率,繪制出在同種基質(zhì)瀝青、不同摻量的天然瀝青改性后對不同礦料的茹附率變化情況,如圖1所示.

由圖1可知,對于同一種瀝青與不同集料混合,茹附率由高到低排序為:石灰?guī)r＞玄武巖＞輝綠巖,這與礦料性質(zhì)如石料的酸堿性等諸多因素影響茹附性的工程實踐相符合.同時,瀝青的不同摻量對同一種巖石與瀝青的茹附性也有影響.

由于天然瀝青的摻人,瀝青與不同集料的茹附率都有不同程度的提升.由于天然瀝青的加人提高了石油瀝青中瀝青質(zhì)+膠質(zhì)的相對含量,相當(dāng)于向基質(zhì)瀝青中加人了有機(jī)酸,提高了改性瀝青的酸值,使改性瀝青的茹附性明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青［12-13］.

對于同一種巖石,不同摻量天然瀝青的茹附率變化也有不同的趨勢,整體趨勢為:隨著天然瀝青摻量的增加,瀝青與礦料的茹附率先上升,達(dá)到一個極值即天然瀝青的最佳摻量,然后緩慢下降.例如,90#基質(zhì)瀝青和堿值較高的石灰?guī)r組合,在當(dāng)天然瀝青含量為4%時石灰?guī)r的茹附率達(dá)到最優(yōu)狀態(tài).

圖1 摻入天然瀝青后黏附率的變化Fig.1 Adhesion ratio variation after mixing natural asphalt

天然瀝青中含有酰胺類等較強的極性官能團(tuán),該官能團(tuán)可以促進(jìn)石油瀝青交聯(lián)聚合的有機(jī)鏈,使得摻人天然瀝青的石油瀝青分子的排列方式和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)得以改變,增強瀝青內(nèi)聚力及抗拉斷力,從而改善了石油瀝青與集料的茹附性.

2.2 水煮法試驗結(jié)果

分別對基質(zhì)瀝青與摻人不同劑量天然瀝青的改性瀝青進(jìn)行水煮法試驗,得到的茹附等級結(jié)果見表3,其中茹附等級為水煮法試驗得到的結(jié)果,茹附率為前述光電比色法試驗的結(jié)果.

表3 水煮法試驗結(jié)果及與光電比色法對比Tab.3 Test result of boiling method and comparison with photoelectric colorimetric method

由表3的水煮法試驗得到的茹附等級可以看出,對于同一種基質(zhì)瀝青摻加不同劑量的天然瀝青后,茹附性得到改善.對于同一種瀝青,茹附性等級從高到低排序為石灰?guī)r＞玄武巖＞輝綠巖.對于相同的集料,瀝青的性質(zhì)以及摻加改性劑后對瀝青與集料的茹附性有較大的影響.從表3可知,在加人天然瀝青后石灰?guī)r與瀝青的茹附性等級由4變成5,說明天然瀝青的加人對提高石灰?guī)r與瀝青的茹附性起到了積極作用,玄武巖和輝綠巖的茹附性同樣也因為天然瀝青的加人而得到了提高.

2.3 光電比色法與水煮法試驗結(jié)果對比分析

從表3數(shù)據(jù)表明,在同一茹附等級下的情況,水煮法試驗無法判斷更細(xì)微的差別,但光電比色法便可以做出定量的判斷,能進(jìn)一步判斷出在同一茹附等級下的細(xì)微差別.該試驗敏感性強,試驗結(jié)果更直觀,同水煮法相比較,光電比色法雖然試驗過程較為繁瑣,但能定量反映瀝青與集料的茹附性能.

綜上所述,水煮法簡單,易操作,時間短,瀝青剝落情況明顯,但整個試驗過程中操作人員的主觀性大,產(chǎn)生的誤差大,不能定量分析瀝青剝落率.光電比色法操作較復(fù)雜,但能定量分析瀝青與集料的茹附性.同時需要注意的是,溶液中的藏花紅也會茹附在瀝青上,試驗結(jié)果常常偏大,故在試驗中應(yīng)考慮此影響因素.

2.4 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗分析

分別對70#和90#添加2%、4%、6%天然瀝青的瀝青混合料進(jìn)行了浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗,試驗結(jié)果如圖2、圖3所示.

從圖2可知,兩種基質(zhì)瀝青70#、90#在未添加天然瀝青的情況下其殘留穩(wěn)定度相差不大.其中70#瀝青其殘留穩(wěn)定度為86.39%,而90#瀝青的殘留穩(wěn)定度為84.51%.可以看出,70#瀝青的抗水損害能力稍強一些,但是由于兩者的試驗結(jié)果差值較小.因此,若要單以浸水馬歇爾試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果來評價兩種瀝青的茹附性好壞并不十分合理.

圖2 70#及90#瀝青浸水馬歇爾試驗Fig.2 Immersion Marshall test of 70#and 90#asphalt

圖3 70#及90#瀝青凍融劈裂試驗Fig.3 Freeze-thaw splitting test of 70#and 90#asphalt

從圖3可知,在未添加天然瀝青時70#瀝青的TSR值為91.26%,90#瀝青的TSR值為84.93%,因此,70#瀝青的水穩(wěn)定性要優(yōu)于90#瀝青.結(jié)合前面水煮法及其光電比色法試驗的結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)3種評價方法的結(jié)果是一致的,因此,常用的幾種評價瀝青與集料茹附性的方法證明了光電比色法試驗結(jié)果的可靠性.

3 結(jié)論

(1)光電比色法通過使用分光光度計測試溶液中特定染料濃度的變化而計算瀝青與集料間茹附率,可以定量分析瀝青與集料的茹附性,試驗過程雖然較水煮法復(fù)雜,但試驗結(jié)果受主觀因素影響小,更為客觀,并且從茹附性角度能更為精確地確定天然瀝青的最佳摻量.

(2)在基質(zhì)瀝青中摻人天然瀝青能明顯增加瀝青與集料的茹附性能,但不同的基質(zhì)瀝青與集料在添加天然瀝青后對其茹附性的提高程度各異.對于同一種瀝青與不同集料,茹附率由高到低排序為:石灰?guī)r＞玄武巖＞輝綠巖.但天然瀝青改性瀝青對堿值較低的輝綠巖茹附性提高幅度最大.

(3)浸水馬歇爾試驗及其凍融劈裂試驗表明天然瀝青的加人提高了瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR值,即增強了瀝青混合料的水穩(wěn)定性,這也驗證了光電比色法試驗結(jié)果的可靠性.

［1］ MORAES R,VELASQUEZ R,BAHIA H.Measuring the Effect of moisture on asphalt-aggregate bond with the bitumen bond strength test［J］.Transportation Research Record,2011,22(9):70-81.

［2］ BHASIN A,LITTLE DALLAS N.Application of microcalorimeter to characterize adhesion between asphalt binders and aggregates［J］.Journal of Materials in Civil Engineering,2009,21(6):235-43.

［3］ 郝培文,李瑜,劉建強.瀝青集料混合料水敏感性的評價［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報,2003,25(3):13 -16.

［4］ 周衛(wèi)峰.瀝青混合料水穩(wěn)性與粘附性實驗方法相關(guān)性的灰關(guān)聯(lián)分析［J］.公路交通科技2004,21(5): 18-20.

［5］ 肖慶一,郝培文,徐鷗明,等.瀝青與礦料茹附性的測定方法［J］.長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,27 (1):19-22.

［6］ 彭余華,王林中,于玲.瀝青與集料茹附性試驗新方法［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009, 25(2):282-285.

［7］ 傅珍,延西利,蔡婷,等.瀝青組分與茹度的灰關(guān)聯(lián)分析［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2014,35(3):102 -105.

［8］ 傅珍,延西利,蔡婷,等.三角形坐標(biāo)下瀝青組分與粘度、粘附性關(guān)系［J］.交通運輸工程學(xué)報,2014, 14(3):1-7.

［9］ 傅珍,延西利,蔡婷,等.瀝青組分對茹附性能影響的灰關(guān)聯(lián)分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報,2014,36 (1):68-73.

［10］余國紅,袁萬杰,孫長新.礦料與瀝青茹附性評價技術(shù)研究［J］.公路工程,2010,35(2):140-143 +146.

［11］陳實,雷宇,李剛,等.集料與瀝青的性質(zhì)對瀝青與集料粘附性的影響［J］.中外公路,2010,30(6): 226-230.

［12］趙可,原健安.聚合物改性瀝青與礦料的茹附性研究［J］.中國公路學(xué)報,2000,13(2):8-12.

［13］韓森,劉亞敏,徐鷗明,等.材料特性對瀝青-集料界面粘附性的影響［J］.長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,30(3):6-9.

Adhesion Between Asphalt Modified with Natural Asphalt and Aggregate Based on Photoelectric Colorimetric Method

MA Feng1,FU Zhi-peng2,FU Zhen3,CHEN Bin-hua1
(1.School of Highway,Chang'an University,Xian 710064,China;2.CCCC First Highway Consultant Co.,Ltd;3.School of Materials Science and Engineering,Chang'an University,Xian 710064,China)

In order to know the adhesion between natural asphalt and aggregate,two types of base asphalts and three kinds of typical aggregates were selected.The adhesion between asphalt and aggregate were tested using photoelectric colorimetric method with different doses of natural asphalt into base asphalt.The test resultswere compared with that of boiling method.And the relation between adhesion rate and adhesion level was established.Meanwhile water stability of asphaltm ixture through immersion Marshall test and freeze-thaw sp litting test were studied.Test results indicate that asphalt-aggregate adhesion can be analyzed quantitatively by photoelectric colorimetric method,and the optimal dosage of natural bitumen can be determined more accurately from the standpoint of adhesion.The adhesion may be improved significantly after base asphaltmixed with natural asphalt.But the improving degree is differentwith different base asphalt and aggregate.The test results of boiling method,immersion Marshall test and freeze-thaw sp litting test verified the reliability of photoelectric colorimetric method.

road engineering;natural asphalt;aggregate;photoelectric colorimetric method;adhesion

U416.217

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.03.017

1671-6833(2015)03-0077-05

2015-01-08;

2015-03-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(51108038,51108039);陜西省科技計劃項目(2013KW24,2013kjxx-94).

馬峰(1978-),男,安徽宿州人,長安大學(xué)副教授,博士,主要研究方向為道路結(jié)構(gòu)與材料,E-mail:mafeng @chd.edn.cn.