王体宏，李永振，王 鸽，时敬涛，樊 亮

(1.中石油燃料油有限责任公司研究院，北京 100010；2.山东省交通科学研究院，山东 济南 250102；3.山东公路技师学院，山东 济南 250104)

沥青路面因其行车舒适度高、建设速度快、修理方便等优点，在我国得到了大面积的推广应用[1-2]。沥青路面在服役的整个过程中，会受到外界环境和重载交通等因素的影响，出现一些早期破坏，比如车辙、水损害、拥包、开裂和坑洞，其中水损害是一种比较常见的早期破坏。水损害是指当沥青路面不能及时排水，在车辆荷载的反复作用下，形成动水压力，动水压力的反复作用将沥青膜从集料表面脱落，从而造成粘附性降低而发生水损害现象[3]。

美国学者[4-7]在上世纪 20 年代就已经开始研究评价沥青混合料水稳定性的试验方法，开发了水煮法、马歇尔稳定度以及冻融劈裂等试验方法。在中国，从“八五”期间开始研究沥青与集料的粘附性评价方法，研究成果确定了水煮法、水浸法作为评价沥青与集料粘附性的标准试验方法，马歇尔试验、冻融劈裂试验作为评价沥青混合料水稳定性的标准试验方法[8-9]。与此同时，国内许多专家学者如樊亮、袁俊[10-13]等人利用图像分析软件改善传统水煮法人为判断剥落面积的误差大的缺点。郝培文、彭余华、朱大章[14-16]等学者通过水煮法、水浸法、净吸附法和光电比色法等方法的比较研究，认为净吸附法与沥青混合料的水稳定性试验之间相关性最好。

综上所述：目前国内外均是基于单纯的水浸法、图像分析法、净吸附法等，对集料与沥青黏附性进行的理论研究，未对这几种方法的相关性和准确性进行对比和分析。因此本文将选取70号沥青和SBS改性沥青两种沥青，石灰岩、玄武岩、花岗岩三种集料，通过水浸法、净吸附法、接触角法和冻融劈裂试验，采用灰关联方法，对比分析三种粘附性试验方法与沥青混合料冻融劈裂强度比的相关性，研究沥青和集料界面粘结性能。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

沥青选取70号沥青和SBS改性沥青，技术指标见表1。石灰岩、玄武岩、花岗岩三种集料化学成分与元素含量见表2。

表1 沥青技术指标

表2 三种集料的化学成分与元素含量

由表2可知，石灰岩的SiO2含量为15.50%，为碱性集料；玄武岩的SiO2含量为53.99%，为中性集料；花岗岩的SiO2含量为72.77%，为酸性集料。

1.2 试验方案

1.2.1 水浸法

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[17]中的T0616-1993进行水浸法试验,然后利用相机进行拍照，对照片采用Photoshop进行分析，求出集料表面上沥青的剥落率。

1.2.2 净吸附法

参照美国SHRP规范中的净吸附法，通过紫外分光光度计测试沥青-甲苯溶液浓度变化前后的吸光度大小，通过公式计算得到粘附率。

1.2.3 接触角法

通过悬滴法测试不同温度下的沥青表面张力，通过躺滴法测试沥青与集料的接触角，通过公式计算粘附功。其中表面张力在同一温度点平行测定3次，取平均值。

1.2.4 冻融劈裂试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[17]中的T0729-2000试验方法进行沥青混合料的冻融劈裂试验。

2 试验结果分析

2.1 水浸法

表3 沥青与不同矿料的粘附剥落面积(像素法)

由表3可知，集料表面上的70号沥青剥落率石灰岩为2.05%，玄武岩为25.26%，花岗岩为34.15%；集料表面上的SBS改性沥青剥落率石灰岩为0.21%，玄武岩为1.38%，花岗岩为5.65%。两种沥青与集料的粘附性关系：石灰岩>玄武岩>花岗岩。分析原因是沥青呈弱酸性，石灰岩为碱性集料，玄武岩为中性集料，花岗岩为酸性集料，酸碱化学反应，故沥青与石灰岩的化学吸附力>玄武岩>花岗岩。

2.2 净吸附法

图1 70号沥青、SBS改性沥青与三种集料的黏附率

由图1可知，两种沥青与集料的粘附性关系：石灰岩>玄武岩>花岗岩，试验结果与水浸法的结果是一致的，说明沥青和化学性质不同的集料相互拌和时，它们之间的化学吸附力起作用。

2.3 接触角法

由图2可知，在150℃温度下，两种沥青与三种集料的粘附性大小关系：石灰岩>玄武岩>花岗岩；在相同集料情况下，粘附功的大小关系：70号沥青>SBS改性沥青。分析原因为SBS改性沥青在150℃温度下仍具有较大的黏度，而70号沥青已经处于充分流动状态，SBS改性沥青与集料的浸润性小于70号沥青。

图2 150℃温度下沥青与集料的粘附功

2.4 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验结果见表4。

表4 冻融劈裂试验结果

由表4可知，对70号沥青，相同的混合料级配下，不同集料的冻融劈裂强度比：石灰岩>玄武岩>花岗岩；对SBS改性沥青，相同的混合料级配下，不同集料的冻融劈裂强度比：石灰岩>玄武岩>花岗岩。

3 灰关联分析

采用灰关联方法，将沥青混合料的冻融劈裂强度比作为参考序列，试件空隙率、集料SiO2含量、水浸法黏附率、净吸附法黏附率、接触角黏附功、沥青的135℃黏度等作为参考序列。

表5 黏附性能分析数列的确定

确定好分析数列，首先对分析数列进行无量纲化处理，结果见表6。

表6 无量纲化处理结果

对无量纲数据进行求差和对差值取绝对值，具体数据见表7。

表7 求差序列、差值绝对值

根据以上数据的处理，得出各影响因素的关联系数及关联度，见表8。

表8 各影响因素的灰关联系数及灰关联度

图3 不同影响因素关联度

由表8及图3可知，参考数列的关联度大小顺序为5>4>6>1>2>3，其中黏附性试验方法中接触角测得的粘附功与冻融劈裂试验结果的关联度最高，其次是SHRP净吸附法，然后是水浸法。原材料中沥青的粘度对冻融劈裂的关联度大于集料的酸碱性。空隙率和沥青的粘度与冻融劈裂试验结果的相关性相同。接触角试验结果与沥青混合料冻融劈裂试验相关性最高，影响沥青混合料水稳定的主要因素为沥青混合料的成型温度及压实功，沥青的性质与沥青混合料冻融劈裂试验相关性大于集料的化学性质。

4 结论

(1)通过水浸法、净吸附法、接触角法三种粘附性测试方法，两种沥青与集料的粘附性关系：石灰岩>玄武岩>花岗岩，试验结果与水浸法的结果是一致的，说明沥青和化学性质不同的集料相互拌和时，它们之间的化学吸附力起作用。

(2)通过冻融劈裂试验，对70号沥青，相同的混合料级配下，不同集料的冻融劈裂强度比：石灰岩>玄武岩>花岗岩；对SBS改性沥青，相同的混合料级配下，不同集料的冻融劈裂强度比：石灰岩>玄武岩>花岗岩。

(3)通过灰关联分析方法，接触角试验结果与沥青混合料冻融劈裂试验相关性最高，影响沥青混合料水稳定的主要因素为沥青混合料的成型温度及压实功，沥青的性质与沥青混合料冻融劈裂试验相关性大于集料的化学性质。