温拌沥青混合料是一类使用特定的技术或降黏剂对混合料在较低的温度下进行拌和、摊铺及压实，拌和温度介于热拌沥青混合料(150~180 ℃)和冷拌(30~50 ℃)沥青混合料之间，性能达到(接近)热拌沥青混合料的新型路面材料的统称^[1]。温拌沥青混合料在高温稳定性、低温抗裂性能等方面与相同级配的热拌沥青混合料相当，但其劈裂强度及水稳定性稍逊^[2]，沥青混合料水稳性能采用TSR表征，冻融劈裂强度比。为了比较研究石灰岩和花岗岩作为集料的温拌沥青混合料的劈裂强度和水稳定性，笔者先通过躺滴法测定不同Sasobit^®温拌剂掺量(0%,2%,2.5%,3%,3.5%,4%)条件下沥青的表面自由能(Surface Free Energy，SFE)；然后对应成型不同Sasobit^®温拌剂掺量的沥青混合料马歇尔试件，并测定试件劈裂强度、冻融劈裂强度，最后分析不同Sasobit^®温拌剂掺量条件下，沥青表面自由能与沥青混合料劈裂强度之间的关系、黏附功与劈裂强度的关系以及比较冻融劈裂强度比TSR(Tensile Strength Ratio，TSR)。

采用高速剪切机分别制备Sasobit^®掺量为0%，2%，2.5%，3%，3.5%，4%的沥青样品并加热至163 ℃，将3 cm×6 cm薄铝板置于烘箱中，60 ℃条件下预热2 h后将其蘸入沥青，并悬挂冷却至室温后(图 1)，将其置于干燥环境中，24 h后可进行接触角测试。试验环境温度为25 ℃。

图1 沥青试样 Fig.1 Asphalt samples

图选项

表面自由能为在真空条件下分开固体或液体并产生一个新的界面所需要的功^{[3, 4]}。依据Fowkes^[5]以及Owens^[6]的研究理论，将沥青表面自由能表示如下：

点击浏览公式

沥青的色散分量与极性分量的计算可依据Young角度方程^[7]理论进行测定。而黏附功主要存在于有水状态和无水状态，考虑实际工程中，集料和沥青是有水状态，有水状态计算公式如下^[8]：

点击浏览公式

为保证不同沥青混合料试件空隙率相近，先将拌和后的沥青混合料统一放置于130 ℃条件下恒温2 h 后进行击实，采用标准击实仪双面击实各50次成型混合料试件。试件分两组，一组置于25 ℃水浴中2 h后测其劈裂强度；另一组依据规范^[9]对其进行冻融循环，并测其冻融劈裂强度。

石灰岩、花岗岩的沥青混合料冻前冻后劈裂强度、沥青表面自由能随Sasobit^®温拌剂掺量的变化规律见图 2、图 3。

图 2 沥青表面自由能与劈裂强度变化趋势 Fig. 2 Variation trends of SFE and slipping strength of asphalt

图选项

图 3 表面自由能与劈裂强度线性回归 Fig. 3 Linear regressions between SFE and splitting strength

图选项

由图 2可知：(1)无论石灰岩还是花岗岩，沥青表面自由能较大时，则沥青混合料的劈裂强度、冻融劈裂强度较大，且沥青表面自由能变化规律与对应的混合料冻融前、后劈裂强度变化规律相似。(2)石灰岩与花岗岩劈裂强度和冻融劈裂强度都随着Sasobit^®温拌剂掺量的增加，整体上呈现先下降再上升的趋势，而石灰岩的劈裂强度总体上大于花岗岩。(3)无论石灰岩还是花岗岩，冻前、冻后的劈裂强度与沥青表面自由能呈正相关。

矿料与沥青之间的黏附性能直接关系到沥青混合料的抗裂性能、疲劳性能等，而黏附功是矿料与沥青黏附性能的量化表征。不同矿料的沥青混合料冻前冻后劈裂强度、沥青与矿料黏附功随Sasobit^®温拌剂掺量的变化规律见图 4。

图 4 黏附功与劈裂强度变化趋势 Fig. 4 Variation trends of adhesion work and splitting strength

图选项

由图 4可知：(1)随着Sasobit^®温拌剂掺量的增加，黏附功与对应混合料冻融前、后劈裂强度变化规律相似。(2)在相同矿料条件下，沥青与矿料黏附功较大则沥青混合料劈裂强度也较大，黏附功较小则劈裂强度较小。(3)石灰岩与沥青的黏附功比花岗岩与沥青的小。

图 5为黏附功与劈裂强度线性回归图，分析图 5可知：(1)沥青与石灰岩、花岗岩的黏附功越大，其劈裂强度越大，进一步说明黏附功可较好解释混合料劈裂强度。(2)无论石灰岩还是花岗岩的冻前和冻后的劈裂强度，都与黏附功呈正相关。

图 5 黏附功与劈裂强度线性回归 Fig. 5 Linear regressions between adhesion work and splitting strength

图选项

试验过程中采用真空饱水、冻融和高温水浴将水损害的过程强化。采用的指标为冻融劈裂强度比TSR(Tensile Strength Ratio，TSR)来表征沥青混合料水稳性能，其计算公式如下：

点击浏览公式

图 6 TSR Fig. 6 TSR

图选项

为了较好地解释石灰岩与沥青的黏附功比花岗岩与沥青的小，但石灰岩混合料劈裂强度较大以及石灰岩的TSR明显大于花岗岩，笔者通过物理作用和化学作用两个方面进行分析。

对细集料、矿粉、粗集料进行BET吸附试验，比表面积SSA(Specific Surface Area，SSA)测定试验结果见图 7。

图 7 比表面积 Fig. 7 SSA

图选项

分析图 7可知：(1)随着粒径的增加，石灰岩和花岗岩的SSA值都呈现出下降。(2)无论粗集料，细集料和矿粉，石灰岩的SSA值都比花岗岩的SSA值明显高出。(3)材料比表面积SSA值一定程度上反映出材料表面粗糙程度，SSA值越大，其表面越不平整或空隙发育越多，相同粒径的石灰岩SSA值至少为花岗岩SSA值的1.4倍，石灰岩与沥青具有较大的黏附面积。

集料由多种化学成分组成，石灰岩的主要成分是CaCO₃ 和MgCO₃,而花岗岩的主要成分是SiO₂；石灰岩是典型的碱性集料，花岗岩则是典型的酸性集料。沥青是弱酸性有机化合物，根据路易斯酸碱理论，沥青易与CaO,MgO等碱性物质发生化学反应^[10]，酸碱中和反应是放热反应，促进反应的进行，其化学反应如下：

这些盐容易吸附在集料的表面，黏附性好，而SiO₂的晶体结构是原子晶体，空间类型是正四面体空间网状结构，化学性质很稳定，不容易与酸发生化学反应，水稳定性差，很容易被破坏^{[11, 12]}。

综上所述石灰岩的黏附功小于花岗岩，而其劈裂强度和水稳定性优于花岗岩。

(1)无论石灰岩还是花岗岩，沥青表面自由能和黏附功与对应混合料冻融前、后劈裂强度变化规律相似，能够较好反映劈裂强度的波动性。

(2)石灰岩与沥青的黏附功比花岗岩与沥青的小，但石灰岩混合料劈裂强度较大。

(3)石灰岩的TSR与Sasobit^®的掺量很大程度上呈现出负相关，而花岗岩则很大程度上呈现正相关且石灰岩的TSR明显优于花岗岩的TSR。

(4)相同粒径的石灰岩SSA至少为花岗岩SSA的1.4倍，石灰岩与沥青具有较大的黏附面积。