CN113155730A - 评价集料与沥青黏附性的方法及确定抗剥落剂掺量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种评价集料与沥青黏附性的方法及确定抗剥落剂掺量的方法，属于沥青混凝土技术领域。所述评价集料与沥青黏附性的方法，包括以下步骤：S1、采用蒸汽吸附法和插板法获得集料表面能参数和沥青表面能参数；S2、根据步骤S1得到的所述集料表面能参数和所述沥青表面能参数获得沥青与集料在无水状态下的黏附功及在有水状态下的剥落功；S3、根据所述黏附功和所述剥落功的比值的绝对值判断集料与沥青黏附性的强弱，比值的绝对值越大，所述集料与所述沥青黏附性越强。本发明提出一种所述确定抗剥落剂掺量的方法。本发明提出的方法可通过黏附功与剥落功的比值的绝对值的大小判断集料与沥青黏附性的强弱。
Description
技术领域
本发明涉及沥青混凝土技术领域，具体涉及一种评价集料与沥青黏附性的方法及确定抗剥落剂掺量的方法。
背景技术
如果直接将集料用于沥青路面建设，在雨水与车辆荷载重复作用下，集料将与沥青剥离，路面发生水损害，严重影响沥青路面的使用寿命。
因此，很有必要了解集料与沥青的黏附性，特别是对于某些新开采的集料，在投入使用之前，需要获取集料与沥青的黏附性的强弱，随着我国高速公路的快速发展，用于公路建设的碱性石料日渐短缺，优质资源变得十分有限。部分地区受限于当地岩石矿山，产出的集料多呈酸性。酸性集料硬度高、耐磨性优良，有利于保障路面长期服役过程中的抗滑性，但是酸性集料与沥青同属酸性，黏附性较差，在水的侵害作用下，容易发生水损害，降低路面使用性能。
随着表面自由能理论在道路工程中的运用与发展，沥青与集料的黏附性可以被定量测定，且已被众多研究证明其可靠性。
但现有的黏附性评价方法多从宏观上进行评价，不能量化集料与沥青的黏附性进而比较集料与沥青的黏附性的强弱。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种评价集料与沥青黏附性的方法及确定抗剥落剂掺量的方法，解决现有技术中不能量化集料与沥青的黏附性进而比较集料与沥青的黏附性的强弱的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种评价集料与沥青黏附性的方法及确定抗剥落剂掺量的方法。
本发明提出一种评价集料与沥青黏附性的方法，包括以下步骤：
S1、采用蒸汽吸附法和插板法获得集料表面能参数和沥青表面能参数；
S2、根据步骤S1得到的所述集料表面能参数和所述沥青表面能参数获得沥青与集料在无水状态下的黏附功及在有水状态下的剥落功；
S3、根据所述黏附功和所述剥落功的比值的绝对值判断集料与沥青黏附性的强弱，比值的绝对值越大，所述集料与所述沥青黏附性越强。
进一步地，在步骤S1中，所述集料表面能参数由以下计算公式得到：
其中，πe表示集料对试剂蒸汽的饱和扩散压力，γL表示沥青的表面张力，
表示集料表面能参数的非极性分量，
表示沥青表面能参数的非极性分量，
表示集料表面能参数的极性酸分量，
表示集料表面能参数的极性碱分量，
表示沥青表面能参数的极性酸分量，
表示沥青表面能参数的极性碱分量。
进一步地，在步骤S1中，所述沥青表面能参数由以下公式计算得到：
其中θ表示沥青接触角，γL表示沥青的表面张力，
表示集料表面能参数的非极性分量，
表示沥青表面能参数的非极性分量，
表示集料表面能参数的极性酸分量，
表示集料表面能参数的极性碱分量，
表示沥青表面能参数的极性酸分量，
表示沥青表面能参数的极性碱分量。
进一步地，在步骤S3中，所述黏附功由以下公式计算得到：
其中，ΔGsa表示黏附功，
表示集料表面能参数的非极性分量，
表示沥青表面能参数的非极性分量，
表示集料表面能参数的极性酸分量，
表示集料表面能参数的极性碱分量，
表示沥青表面能参数的极性酸分量，
表示沥青表面能参数的极性碱分量。
进一步地，在步骤S3中，所述剥落功ΔGsaw由以下公式计算得到：
其中，ΔGsaw表示剥落功，
表示集料表面能参数的非极性分量，
表示沥青表面能参数的非极性分量，
表示集料表面能参数的极性酸分量，
表示集料表面能参数的极性碱分量，
表示沥青表面能参数的极性酸分量，
表示沥青表面能参数的极性碱分量，
表示水的极性酸分量，
表示水的极性碱分量。
进一步地，在步骤S1之前还包括将所述集料清洗干净并将所述集料在120-130℃下烘干。
进一步地，所述集料的粒径为2.36～4.75mm。
此外，本发明还提出一种确定抗剥落剂掺量的方法，包括以下步骤：
T1、采用蒸汽吸附法和插板法获得集料表面能参数和沥青表面能参数；
T2、根据步骤T1得到的所述沥青表面能参数和所述集料表面能参数获得抗剥落剂的掺量不同的改性沥青与集料在无水状态下的黏附功及在有水状态下的剥落功；
T3、根据所述黏附功和所述剥落功的比值的绝对值得到抗剥落剂的最佳掺量，比值的绝对值最大对应的抗剥落剂的掺量最佳。
进一步地，在步骤T3之后，还包括步骤T4、根据所述比值的绝对值和浸水残留稳定度比建立比值的绝对值和所述浸水残留稳定度的线性关系式，获得比值的绝对值的选取范围；和/或，还包括根据所述比值的绝对值和冻融劈裂强度比建立比值的绝对值和所述冻融劈裂强度比的线性关系式，获得比值的绝对值的选取范围。
进一步地，在步骤T2中，不同掺量的所述抗剥落剂的掺量分别为0.2％-0.25％、0.3％-0.35％、0.4％-0.45％、0.5％-0.55％、0.6％-0.65％。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：采用蒸汽吸附法和插板法获得集料表面能参数和沥青表面能参数；之后根据得到的所述集料表面能参数和所述沥青表面能参数获得沥青与集料在无水状态下的黏附功及在有水状态下的剥落功；之后根据所述黏附功和所述剥落功的比值的绝对值判断集料与沥青黏附性的强弱，比值的绝对值越大，所述集料与所述沥青黏附性越强，从而可通过黏附功与剥落功的比值的绝对值的大小判断集料与沥青黏附性的强弱。
另外采用蒸汽吸附法和插板法获得集料表面能参数和沥青表面能参数，之后根据得到的所述沥青表面能参数和所述集料表面能参数获得抗剥落剂的掺量不同的改性沥青与集料在无水状态下的黏附功及在有水状态下的剥落功；之后根据所述黏附功和所述剥落功的比值的绝对值得到抗剥落剂的最佳掺量，比值的绝对值最大对应的抗剥落剂的掺量最佳，从而实现了通过黏附功与剥落功的比值的绝对值的大小得到了抗剥落剂的最佳掺量。
附图说明
图1是本发明实施例1的级配曲线图；
图2是本发明实施例1中水稳定性指标与抗剥落剂掺量关系图。
图3是本发明实施例1中安山岩沥青混合料水稳定性指标与ER值的关系。
具体实施方式
本具体实施方式提出一种评价集料与沥青黏附性的方法，包括以下步骤：
S0、将所述集料清洗干净并将所述集料在120-130℃下烘烤3-4h至烘干；所述集料的粒径为2.36～4.75mm；
S1、采用蒸汽吸附法和插板法获得集料表面能参数和沥青表面能参数；
S2、根据步骤S1得到的所述集料表面能参数和所述沥青表面能参数获得沥青与集料在无水状态下的黏附功及在有水状态下的剥落功；
S3、根据所述黏附功和所述剥落功的比值的绝对值判断集料与沥青黏附性的强弱，比值的绝对值越大，所述集料与所述沥青黏附性越强。
进一步地，在本具体实施方式中，
步骤S1中，所述集料表面能参数由以下计算公式得到：
其中，πe表示集料对试剂蒸汽的饱和扩散压力，γL表示沥青的表面张力，
表示集料表面能参数的非极性分量，
表示沥青表面能参数的非极性分量，
表示集料表面能参数的极性酸分量，
表示集料表面能参数的极性碱分量，
表示沥青表面能参数的极性酸分量，
表示沥青表面能参数的极性碱分量；
所述沥青表面能参数由以下公式计算得到：
其中θ表示沥青接触角，其他字母含义在集料表面能参数的计算公式中已说明，此处不再重复说明。
进一步地，在本具体实施方式的步骤S3，所述黏附功由以下公式计算得到：
其中，ΔGsa表示黏附功，其他字母含义在集料表面能参数的计算公式中已说明，此处不再重复说明；
所述剥落功ΔGsaw由以下公式计算得到：
其中，ΔGsaw表示剥落功，
表示水的极性酸分量，
表示水的极性碱分量，其他字母含义在集料表面能参数的计算公式中已说明，此处不再重复说明。
本具体实施方式还包括一种确定抗剥落剂掺量的方法，包括以下步骤：
T1、采用蒸汽吸附法和插板法获得集料表面能参数和沥青表面能参数；
T2、根据步骤T1得到的所述沥青表面能参数和所述集料表面能参数获得抗剥落剂的掺量不同的改性沥青与集料在无水状态下的黏附功及在有水状态下的剥落功；所述抗剥落剂优选为非胺类AMRII型沥青抗剥落剂；不同掺量的所述抗剥落剂的掺量分别为0.2％-0.25％、0.3％-0.35％、0.4％-0.45％、0.5％-0.55％、0.6％-0.65％；所述改性沥青优选为SBS改性沥青；
T3、根据所述黏附功和所述剥落功的比值的绝对值得到抗剥落剂的最佳掺量，比值的绝对值最大对应的抗剥落剂的掺量最佳。
T4、根据所述比值的绝对值和浸水残留稳定度比建立比值的绝对值和所述浸水残留稳定度的线性关系式，根据规范要求SBS改性沥青混合料的浸水残留稳定度MS0不小于85，获得比值的绝对值的选取范围；和/或，还包括根据所述比值的绝对值和冻融劈裂强度比建立比值的绝对值和所述冻融劈裂强度比的线性关系式，根据规范要求SBS改性沥青混合料的冻融劈裂强度比TSR不小于80，获得比值的绝对值的选取范围。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，下述实施例中的非胺类AMRII型沥青抗剥落剂采购自重庆海木交通技术有限公司。
实施例1
为了研究酸性安山岩集料中抗剥落剂的最佳掺量，基于表面能原理，采用插板法和蒸汽吸附法测量SBS改性沥青和酸性安山岩集料的表面能参数，计算沥青与集料表面能黏附性指标ER值(ER值表示黏附功和剥落功的比值的绝对值)，确定添加的抗剥落剂最佳掺量；通过沥青混合料宏观水稳定性试验：浸水残留稳定度比和冻融劈裂强度比达到最大，从而验证了ER值指标的可靠性，并建立ER值与水稳定性指标的联系。主要包括以下几个步骤：
1)确定材料
本专利针对的集料对象为安山岩，在制备沥青混合料之前测试安山岩粗集料的表观相对密度、毛体积相对密度、压碎值、针片状含量；以及安山岩细集料的表观相对密度、砂当量、亚甲蓝。
采用的矿粉为石灰石矿粉，测试矿粉材料的表观相对密度、塑性指数、亲水系数、外观。
采用的沥青材料为SBS改性沥青，测试其性能：针入度、延度、软化点。
采用的抗剥落剂为非胺类AMRII型沥青抗剥落剂，这是一种有机高分子化合物，分散在沥青相中后，与酸性集料发生物理吸附或化学反应，形成化学键。测试抗剥落剂的相关性能密度、含水率、相容性。
确保上述集料、沥青、矿粉、抗剥落剂的性能均满足规范《公路沥青路面施工技术规范》(JYG F40-2004)的要求。
对于材料的选用方法如下：选用安山岩集料、不同比例掺加抗剥落剂之后的SBS改性沥青，石灰石矿粉和非胺类AMRII型沥青抗剥落剂进行材料基本性能试验，结果如下表1-5所示：
表1安山岩粗集料物理力学性能指标
表2安山岩细集料物理力学性能指标
表3石灰石矿粉物理力学性能指标
表4 AMRII型抗剥落剂基本指标
表5不同掺量抗剥落剂沥青性能指标
上述集料、沥青、矿粉、抗剥落剂的性能均满足规范《公路沥青路面施工技术规范》(JYG F40-2004)的要求，可以进行接下来的最佳掺量确定。
2)表面能试验
基于表面能理论，采用蒸汽吸附法和插板法测量集料与沥青的各个表面能参数，计算二者的黏附功与有水状态下的剥落功，定量评价沥青与集料的黏附性。
a.集料的表面能参数测试
筛选粒径为2.36～4.75mm的集料，用清水冲洗至没有灰尘，放入烘箱中120℃加热约4h，烘干集料中的水分。表面能参数采用蒸汽吸附法测试，测试试剂蒸汽在集料表面的逐阶饱和蒸汽吸附量，计算集料表面的扩散压力，进行至少三次平行试验，然后然如下述公式计算其表面能参数。
式中：πe是集料对试剂蒸汽的饱和扩散压力，γL是沥青的表面张力，
是集料表面能参数的非极性分量，
是沥青表面能参数的非极性分量，
是集料表面能参数的极性酸分量，
是集料表面能参数的极性碱分量，
是沥青表面能参数的极性酸分量，
是沥青表面能参数的极性碱分量。
b.不同抗剥落剂掺量的沥青的表面能参数测试
向SBS改性沥青中掺加不同比例的抗剥落剂，制备不同种类的沥青。掺加的改性剂比例分别为：0、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％。将不同抗剥落剂掺量的六种SBS改性沥青加热，用干净的玻片蘸取沥青，制备成为均匀的沥青涂膜玻片试样。每种沥青至少制备5个沥青玻片试样进行平行试验。
插板法通过测定接触角来计算沥青表面能参数，接触角包括前进接触角和后退接触角。前进接触角在计算沥青表面能参数时更加精确，因此选取前进接触角来进行沥青表面能参数的测定，每种沥青进行至少三次重复平行试验。将接触角代入下述公式计算表面能参数：
3)确定最佳改性剂掺量
采用第(2)步测得的集料表面能参数和不同改性剂掺量沥青的表面能参数计算无水状态下的黏附功ΔGsa和有水状态下的剥落功ΔGsaw。计算公式为：
沥青与集料之间黏附功ΔGsa和剥落功ΔGsaw比值的绝对值可以表征沥青与集料之间黏附性的好坏，计算公式为：
得到6种不同抗剥落剂掺量方案下的沥青与集料的ER值，ER值越大，沥青与酸性安山岩集料的黏附性越好，此时沥青中改性剂的掺量为最佳掺量。
现有规范建议采用水煮法、水浸法评价沥青与集料的黏附性能力，然而这种试验方法属于定性评价方法、主观因素大，容易受到试验环境，人为条件的影响。基于表面能理论，采用蒸汽吸附法和插板法测量集料与沥青的各个表面能参数，计算二者的黏附功与有水状态下的剥落功，定量评价沥青与集料的黏附性。对于材料的表面能参数测试，改性后的不同种沥青采用插板法，安山岩集料采用蒸汽吸附法测试，插板法采用表面张力仪K100，蒸气吸附法采用定制改装的磁悬浮重量平衡系统，得到沥青的表面能参数如表6所示，得到集料表面能参数如表7所示，得到不同抗剥落剂掺量的沥青对应的ER值如表8所示。
表6不同抗剥落剂含量沥青表面能参数
表7安山岩集料表面能参数
表8安山岩与沥青黏附性指标
由表8可知，随着抗剥落剂含量的增加，ER值先增大后减小。不掺加抗剥落剂时，ER值最小，为1.72，0.4％掺量时达到最大，ER值为2.18，相较于不掺加抗剥落剂，ER值增加了26.7％。当抗剥落剂掺量超过0.4％后，ER值逐渐减小，减小幅度较低。表8表明在有水的情况下，抗剥落剂掺量0.4％时，沥青与集料黏附性最好，由此确定安山岩沥青混合料中抗剥落剂最佳掺量为0.4％。
4)宏观试验的水稳定性验证
通过测算沥青与集料的表面能，对比黏附功和有水状态下的剥落功，确定了抗剥落剂的掺量对沥青-集料黏附性影响，为了验证其结果的准确性，进行6组混合料改性试验方案下的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来对表面能结果进行验证，并且建立微观表面能指标与宏观水稳定性指标的联系，验证最佳改性剂掺量条件下的沥青混合料抗水损害性能。
根据几种矿质材料的筛分结果，结合AC-20C沥青混合料矿料级配范围的要求，按照试配法对其进行了矿料组成设计。通过反复调整，最后确定矿料的合成级配曲线图见图1。
根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行试验，用马歇尔试验法确定最佳油石比。
采用合成级配制作油石比分别为3.5％、4.0％、4.5％、5.0％、5.5％的标准马歇尔试件，并测定试件的体积指标和马歇尔稳定度，试验结果如表9所示。
表9安山岩AC-20C沥青混合料不同油石比马歇尔试验结果
按照最佳合成级配和最佳油石比4.6％制作标准马歇尔试件，并进行体积指标和马歇尔试验测试，试验结果如表10所示。
表10安山岩AC-20C沥青混合料马歇尔试验结果
最后通过水稳定性验证：
为了评价沥青混合料水稳定性能与抗剥落剂的关系，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，通过浸水残留稳定度MS0和冻融劈裂强度比TSR指标验证安山岩沥青混合料水稳定性与抗剥落剂掺量的关系。
结合相关试验规范，进行多组平行试验，排除实验误差的干扰，取平均值作为最后的测试值，分别测定六个方案下试件的浸水残留稳定度比MS0和冻融劈裂强度比TSR，试验结果如图2所示。
可以看出：不掺加抗剥落剂时，试件浸水残留稳定度比MS0为83.3％，冻融劈裂强度比TSR为79.3％，均小于规范要求，随着抗剥落剂掺量的增加，沥青混合料试件的浸水残留稳定度比MS0和冻融劈裂强度比TSR先增加后降低，当抗剥落剂掺量0.4％时，MS0和TSR达到最大，分别是95.7％和90％，相较于不掺加抗剥落剂，增加了14.9％和13.5％，这与上面的表面能试验结果相一致。试验结果也表明，在实际工程中，抗剥落剂的含量并不是越多越好，过量的抗剥落剂反而会降低沥青路面的抗水损害性能。
根据所述比值的绝对值和浸水残留稳定度比建立比值的绝对值和所述浸水残留稳定度的线性关系式，获得比值的绝对值的选取范围；和/或，还包括根据所述比值的绝对值和冻融劈裂强度比建立比值的绝对值和所述冻融劈裂强度比的线性关系式，获得最优比值的绝对值的选取范围。
最后ER值和水稳定性试验的关系如图3所示，图3是沥青-集料ER值与沥青混合料水稳定性指标的关系。可以看出，ER值与浸水残留稳定度MS0和冻融劈裂强度比TSR具有较高的相关性，随着ER值的增大，MS0和TSR随之增大，因此可以通过ER值这个指标来表征沥青混合料的抗水损害性能。规范要求SBS改性沥青混合料的浸水残留稳定度MS0不小于85，ER值应不小于1.56；SBS改性沥青混合料的冻融劈裂强度比TSR不小于80，ER值应不小于1.70。
本发明提出的方法，研究了酸性安山岩集料中抗剥落剂的最佳掺量，基于表面能原理，采用插板法和蒸汽吸附法测量SBS改性沥青和酸性安山岩集料的表面能参数，计算沥青与集料表面能黏附性指标ER值，确定添加的抗剥落剂最佳掺量；通过沥青混合料宏观水稳定性试验：浸水残留稳定度比和冻融劈裂强度比达到最大，从而验证了ER值指标的可靠性，并建立ER值与水稳定性指标的联系。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种评价集料与沥青黏附性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用蒸汽吸附法和插板法获得集料表面能参数和沥青表面能参数；
S2、根据步骤S1得到的所述集料表面能参数和所述沥青表面能参数获得沥青与集料在无水状态下的黏附功及在有水状态下的剥落功；
S3、根据所述黏附功和所述剥落功的比值的绝对值判断集料与沥青黏附性的强弱，比值的绝对值越大，所述集料与所述沥青黏附性越强。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述集料表面能参数由以下计算公式得到：
其中，πe表示集料对试剂蒸汽的饱和扩散压力，γL表示沥青的表面张力，
表示集料表面能参数的非极性分量，
表示沥青表面能参数的非极性分量，
表示集料表面能参数的极性酸分量，
表示集料表面能参数的极性碱分量，
表示沥青表面能参数的极性酸分量，
表示沥青表面能参数的极性碱分量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述沥青表面能参数由以下公式计算得到：
其中，θ表示沥青接触角，γL表示沥青的表面张力，
表示集料表面能参数的非极性分量，
表示沥青表面能参数的非极性分量，
表示集料表面能参数的极性酸分量，
表示集料表面能参数的极性碱分量，
表示沥青表面能参数的极性酸分量，
表示沥青表面能参数的极性碱分量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述黏附功由以下公式计算得到：
其中，ΔGsa表示黏附功，
表示集料表面能参数的非极性分量，
表示沥青表面能参数的非极性分量，
表示集料表面能参数的极性酸分量，
表示集料表面能参数的极性碱分量，
表示沥青表面能参数的极性酸分量，
表示沥青表面能参数的极性碱分量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述剥落功ΔGsaw由以下公式计算得到：
其中，ΔGsaw表示剥落功，
表示集料表面能参数的非极性分量，
表示沥青表面能参数的非极性分量，
表示集料表面能参数的极性酸分量，
表示集料表面能参数的极性碱分量，
表示沥青表面能参数的极性酸分量，
表示沥青表面能参数的极性碱分量，
表示水的极性酸分量，
表示水的极性碱分量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括将所述集料清洗干净并将所述集料在120-130℃下烘干。
7.根据权利要求6所述的方法，所述集料的粒径为2.36～4.75mm。
8.一种确定抗剥落剂掺量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
T1、采用蒸汽吸附法和插板法获得集料表面能参数和沥青表面能参数；
T2、根据步骤T1得到的所述沥青表面能参数和所述集料表面能参数获得抗剥落剂的掺量不同的改性沥青与集料在无水状态下的黏附功及在有水状态下的剥落功；
T3、根据所述黏附功和所述剥落功的比值的绝对值得到抗剥落剂的最佳掺量，比值的绝对值最大对应的抗剥落剂的掺量最佳。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤T3之后，还包括步骤T4、根据所述比值的绝对值和浸水残留稳定度比建立比值的绝对值和所述浸水残留稳定度的线性关系式，获得比值的绝对值的选取范围；和/或，还包括根据所述比值的绝对值和冻融劈裂强度比建立比值的绝对值和所述冻融劈裂强度比的线性关系式，获得比值的绝对值的选取范围。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤T2中，不同掺量的所述抗剥落剂的掺量分别为0.2％-0.25％、0.3％-0.35％、0.4％-0.45％、0.5％-0.55％、0.6％-0.65％。
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