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关于使用粘结强度试验来评估改性沥青粘附性和自愈合性能的研究

Weidong Huang a, Quan Lv b,, Feipeng Xiao

创新点：

1. 发现一种存在于粘结强度（BBS）试验中的薄膜厚度与加载速率之间的等价关系；
2. 不同的添加剂都明显地改变了沥青的粘附性能和自愈合性能；
3. 油降低了SBS改性沥青的粘结强度，然而PPA和硫能提高它的粘结强度；
4. 沥青的复合模量对于BBS试验的结果有着双重的影响；
5. BBS试验的结果可以用来反映混合料的抗水害性能；

摘要：沥青和集料之间的粘结强度是用来评估粘结剂抵抗水危害能力的重要参数。一种新的BBS试验应用于本次研究，影响粘结强度的因素包括拉伸速率和沥青薄膜的厚度被用以研究以得到更合理的试验方法。试验结果表明拉伸速率和薄膜厚度之间有一种相对应的等价关系。此外，不同添加剂对两种沥青（SBS改性沥青和基质沥青）的粘结性能和自愈合性能的影响通过拉伸试验进行研究。

实验结果表明：SBS、PE、PPA、硬沥青、EBS和橡胶加工用油这些添加剂对SBS改性沥青和基质沥青的粘结性能和自愈合性能都有着重大的影响。尽管BBS试验和汉堡车辙（HWTD）试验的结果比较证实了粘结强度试验可以用来反映混合料抵抗水侵害的能力，但是，BBS试验和DSR试验的结果对比表明沥青的复合模量对于BBS试验有着双重的影响。

关键词：沥青；集料；粘结；自愈合；脱落试验；复合模量；汉堡车辙试验

1、简介

尽管在过去二十年里一直有重要的研究工作在进行，但是水损害一直是沥青路面一个普遍和复杂的问题。不少努力付出在发展并提出简单而可信的用以确定沥青与集料之间的抗水损害能力的试验方法上。

水损害可以被多种机理解释，例如：沥青与集料间的粘结失效，沥青内部或集料内部的粘结失效，沥青的乳化作用，冻结化水。两种主要诱发水损害的机理分别是沥青与集料间的粘结失效和沥青粘结剂内部的粘结失效。

目前，已经有许多方法被用来评估沥青的粘结性能，其中包括BBS试验 。BBS试验这种技术属于脱落试验的范畴，脱落试验被广泛应用于涂层工业。BBS试验这种评估方法也在ASTM D 4541 中被详细指明[1]。脱落试验已经被改进并且被用来测试沥青的粘附性能以及沥青内部的粘结性能[2-4]。其中，气动粘结拉伸（PATTI）试验是一种典型的脱落试验。

聚合物已经成功地被用来改善粘结剂的性能，它不仅可以改变粘结剂的微观结构，同时还可以增强沥青混合物的流变性和抵抗危害的能力。Nazimuddin[5]通过使用 PATTI来进行一种改进的脱落试验以研究有机添加剂（Sasobit）和LOF对沥青性能的影响。研究的结果表明:1%LOF 6500的掺量对抵抗水损害是没有作用的；有机添加剂（Sasobit）尽管可以改变混合物的失效方式，但并不能提高其强度。

通过使用BBS试验，Moraes[6]明确PPA可以很好地提高沥青——集料系统的抗水侵害能力，尤其是对于含有酸性集料的系统。此外，Aguiar–Moya[7]发现当添加SBR改性剂时，混合料的脱落拉伸强度有所降低。

沥青可以被归类为热致自愈合材料。在沥青混合物中，有两种形式的自愈合是可以发生的：沥青与集料界面的粘附愈合和粘弹性沥青粘结剂自身的愈合[8]。不管沥青混合发生的是何种类型的愈合，沥青的自愈合性能对于沥青和集料的粘结强度有着重要的影响。然而，目前并没有使用脱落试验来研究沥青粘结剂的自愈合性能。

本文使用一种改进的脱落试验来研究薄膜的厚度和POTS上的加载速率的影响，并企图 研究这两因素之间的关系。不同种类的改性剂和添加剂被加到基质沥青和SBS改性沥青中进行改性，然后在POTS上进行研究不同改性剂和添加剂的影响。三种新的指标被用来评估这一性能。使用DSR来研究复合模量对粘结强度的影响。最后，对于混合料在干燥和潮湿环境下的水敏感性，一套分析方法被用来比较脱落试验结果和汉堡试验结果。

1. 材料和实验

2.1 材料

在本研究中，为了评估不同添加剂和改性剂对于沥青和集料间的粘结强度的影响，SBS、PE、PPA、硬沥青、废胶粉、EBS被选择用来添加到同一种基质沥青中进行改性。

由于SBS和沥青的不相容性，SBS改性沥青的储存稳定性通常会比较差。据报道，硫的添加可以提高聚合物改性沥青的稳定性[9]。在本文中，除了对照组外，所有的SBS改性沥青都额外地添加了质量比为0.15%的硫。作为一种改性剂，油可以被用来提高沥青粘结剂的低温性能，因为油的添加不仅降低了沥青的劲度，而且还加速了应力的松弛[10]。为了研究油对于沥青和集料间的粘结强度的影响，在本次研究中一种橡胶加工用油被用来对SBS改性沥青的进一步改性。这种油是一种填充油。

厂拌掺和（TB）橡胶改性沥青是一种新型的橡胶粉末改性沥青。在TB过程中，细网格废橡胶粉与沥青混合在一个炼油厂或终端产生被传递到热的均匀的粘结剂混合植物生成最终的混合。在本研究中，TB沥青制备根据专利[11]并且是由一个商业沥青生厂商提供。

表1列出了被用来评估的材料：在国内，除了废胶粉外，其他的添加剂都是以质量比的形式加入基质沥青中进行改性。一般来说，其中的一些改性剂非常稠，一般不用于沥青路面。然而，所有的改性沥青在实际应用中都被划分为统一类别，而本文的观点主要在于评估不同添加剂和改性剂对沥青粘结强度的影响，因此，为了表现出不同添加剂和改性剂的不同，本文中添加剂的量可能会多一点。

由于实际应用中花岗岩和玄武岩的广泛应用，本研究中用它们来做集料的基层。更为重要的是以下的结果仅仅限于该沥青——集料体系。

2.2试验方法

1. 试样根据AASHTO TP-91 [12] 来制备。脱落试验在由ASTM D4541 推荐的Positest AT-A（图1a）仪器上进行。根据AASHTO 的建议，仪器的加载速率为0.7MPa/s，并且沥青的厚度控制在0.2mm。

（2）集料底层首先被清除的超声波清洗机，然后在烤箱 150 ℃ 干燥并拉出存根和沥青 （改性沥青在 170 ℃ 加热） 至少 1 小时的作用。

（3）事先先准备好中间有21mm直径圆孔（为了方便倒入热沥青和轴的应用 (图1b和c)、厚度为1mm的硅制模具。薄膜的厚度通过改进的轴控制(图1d)。

（4）在试验之前，试样先在室温下放置一小时进行自愈合，然后再置于40℃的水中保温24h，最后再置于室温下1h让其自然冷却至室温（室温控制在25℃）。

（5）在试验之前，为了研究沥青自愈合性能的影响，提拉棒的初始位置被标记。试验之后，棒子应立即移至初始位置（无压力作用），并置于25℃的水中24h。恢复粘结强度（RBS）在试样冷却1h至室温后再进行测试。在本次研究中，脱落强度（POCS）和粘结强度的恢复率分别通过以下公式计算：

脱落强度（POCS）=POTS RBS （1）

恢复率=RBS/POTS （2）

图1 BBS试验示意图和测试样品:(a)Positest AT-A表面;(b)(c)样品制备,(d)从不同深度的槽口取出残渣

1. 试验参数的测试

在本次研究中，BBS试验中的不同影响因素的影响的研究通过不同沥青和基层来实现。在本文中，一组样里有三个试样被测试。除了一些样的粘结的结合失效外，本研究中试样的主要失效形式为粘附失效。

3.1 在BBS试验中薄膜厚度和加载速率的影响

在之前的研究中，一致认为薄膜的厚度是研究脱落行为的一个临界因素[13]。然而，目前为止并没有关于薄膜的厚度标准要求，并且薄膜的厚度一般控制在0.1—0.8mm。此外，目前关于薄膜的厚度对BBS试验的影响的原因并没有集中地研究。在本次研究中，同种沥青PG 64—22 在不同薄膜厚度和加载速率的情况下进行了试验，试验结果如 图2 所示。

由图2 可知，POTS的值随着薄膜厚度的增加而减小，而在相同薄膜厚度的情况下，POTS的值随着加载速率的增加而增加。试验结果表明沥青薄膜厚度和加载速率在BBS试验中对POTS值有着相反的影响。这种趋势的原因可以总结为以下几点。

1. 从粘弹性的机理来看，沥青在室温下是粘弹性材料。由于改性沥青具有很高的粘度，推迟弹性形变可以影响到试样的受力状态。厚的沥青薄膜意味着延迟弹性形变可以起着很重要的作用，这可以延长加载时间。
2. 从弹性的机理来看，当在不同厚度的试样上施加相同的力时，0.1mm厚的薄膜产生的变形（Delta;x1, 由图3知）比0.8mm厚（Delta;x2; 如果沥青时理想的弹性材料，那么Delta;x2 = 8Dx1）的要小，这也可以延长加载时间。

这台仪器的加载过程可以分成两个阶段。

阶段1：加载逐渐由0增加到0.7MPa（液压泵自动适应于连续光滑的脱落压力）。该阶段的加载模式为抛物线。

阶段2：当加载压力达到0.7MPa后，加载装置开始以使用者设定的加载方式加载。然而，由于沥青的粘弹性，加载速率只能接近设定的加载速率，而不能恰好为设定的加载速率。该阶段的加载模式为直线。

由于原因1和2导致的加载时间延迟都可以对减少加载时间产生相同的影响，因此，在POTS中，沥青薄膜厚度和加载速率有着相反的影响。这表明在BBS试验中，沥青薄膜厚度和加载速率有着等价的关系。

在试验过程中，很容易发现，当沥青薄膜相对较薄时，失效很容易发生在沥青与集料的界面上，例如，粘结失效。但是，当沥青薄膜较厚时，失效发生在沥青粘结剂内部或者是在轴与沥青接触的界面，这都不是想要的结果。因此，薄点的沥青薄膜被建议用来减小沥青粘弹性的影响。然而，对于薄的沥青薄膜来说，在评估粘结强度时，改性剂和废胶粉的尺寸可以影响到BBS试验准确性（因为在用DSR来确定橡胶沥青的PG等级时，用2mm的断口取代了1mm的断口），并且，当薄膜比较薄时，失效发生在轴与沥青粘结剂之间。因此，0.1mm厚的薄膜应该被禁止使用。在本研究中，沥青薄膜的厚度控制在0.2mm，加载速率为0.7MPa/S。

4、结果与讨论

由于该部分使用的集料类型为玄武岩，因此以下的结果仅仅适用于该种沥青—集料体系。

4.1 不同添加剂对基质沥青的粘结强度的影响

图4 列出了基质沥青和不同种添加剂改性改性沥青的POTS、RBS、愈合率的值。每个试样的POTS和RBS的值绘制在柱形图上，而粘结强度恢复率的值则在折线图上。

对于POTS值，18% AR 的粘结强度最小。废胶粉与沥青粘结剂之间作用机理是影响粘结强度的主要因素。导致该结果的原因是废胶粉并不是粘性材料，而且在基质沥青中，并没有完全地解聚合。废胶粉的这种性质降低了沥青粘结剂的均一性，因此，粘结强度也减小了。此外，废胶粉的尺寸对于使用BBS试验来评估沥青薄膜（0.2mm）的粘结强度有一定的影响，正如使用DSR来评估橡胶沥青的PG等级一样，用2mm的断口取代标准的1mm断口。通过本次研究，使用BBS试验来评估橡胶沥青的粘结强度的准确性有待进一步的确认。

由图4 可知，由于EBS中的蜡可以降低沥青与集料之间的粘结作用，因此热的EBS添加剂的的加入降低了粘结剂的强度。此外，通过对比可知，SBS，PPA，PE，硬沥青的加入可以增加沥青与集料之间的粘结作用。特别地，相对于其他改性剂，PE和硬沥青对于增强粘结强度的作用更为显著。有趣的是，4.5%的SBS（不添加硫）的POTS值与基质沥青的POTS值很接近，这与开始预想的结果相反。该现象将在下文中进行讨论。

在沥青自愈合性能方面，粘结强度的恢复率随着POTS的增加而减小。自愈合试验中试样的主要失效形式还是粘结失效。18.0%的AR和2%的EBS改性沥青表现出很强的自愈合性能，并且恢复率接近44.25%；相反地，具有比较大的POTS值得PE和硬沥青改性沥青的恢复率接近于0。该结果表明，一旦这些混合料在雨水或交通荷载的作用下开始脱落，粘结强度不可能恢复。

4.2不同添加剂度SBS改性沥青粘结强度的影响

SBS改性沥青在全世界使用特别广泛。因此，本研究者打算通过添加其他改性剂对SBS改性沥青进一步改性。图5中列出了不同添加剂对SBS改性沥青改性后的POTS、RBS以及恢复率的值。

由图5可知，当橡胶加工用油加入SBS改性沥青后，POTS的值是减小的。一般的来说，油的成分与石油沥青得到成分很相似，并且，油中芳香分的含量相对来说要高一些。因此，油与集料表面的粘附比沥青与集料的要弱好多。

由图5也可知，PPA和硫都能增强SBS改性沥青的粘结强度，并且硫对于POTS的影响比PPA要强。导致该结果的原因是由于硫的加入，不仅使沥青质减少，而且使SBS改性沥青的分散性更好，更均匀。聚合物的兼容性促进了沥青中弹性网络的形成。因此，硫的加入产生了一个很好的粘弹性网络，并且也从根本上提高了沥青与集料之间的粘结。此外，10TB 3.0% SBS 的POTS和RBS的值都比4.5%的要高，这表明SBS与废旧胶粉改性沥青有很好的粘结性。

4.3 SBS改性沥青的不同含量的对粘结强度的影响

图6列出了不同含量的SBS改性沥青的POTS、RBS、恢复率的值。结果表明，尽管低含量（3%）的SBS改性沥青的POTS的值比PG64-22的要低，但是POTS的值还是随着SBS改性沥青的含量的增加而增加。S

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