基于表面能理論的瀝青-集料體系的粘附特性研究

陳燕娟 高建明 陳華鑫

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189)(2東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189)(3長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710061)

基于表面能理論的瀝青-集料體系的粘附特性研究

陳燕娟1，2高建明1，2陳華鑫3

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189)
(2東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189)
(3長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710061)

摘 要:基于表面自由能理論，采用接觸角法測定2種瀝青與4種集料的表面自由能參數(shù)，分別計(jì)算出各種瀝青-集料體系的粘附功和剝落功，以表征瀝青-集料體系的粘附性優(yōu)劣;并采用凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明:石灰?guī)r集料與SK70改性瀝青的粘附功最大，剝落功最小;花崗巖集料與SK基質(zhì)瀝青的粘附功最小，剝落功最大.此外，剝落功表征的瀝青-集料體系的粘附性能與凍融劈裂試驗(yàn)表征的粘附性能基本一致;且瀝青-集料體系的剝落功更能直觀地定量評價(jià)瀝青-集料體系的粘附性能.

關(guān)鍵詞:道路工程;表面自由能;接觸角法;黏附功;剝落功

水損害已成為高速公路瀝青面層一種最常見的破壞形式，嚴(yán)重影響了行車安全以及舒適性.水損害的本質(zhì)是瀝青與集料之間的黏結(jié)性降低甚至喪失，最終造成瀝青膜逐漸從礦料表面剝離.目前，評價(jià)水損害的方法主要分為定性方法和定量方法兩大類.定性方法主要有水煮法等，操作簡單易行，但受主觀影響較大;定量方法主要包括凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和浸水車轍試驗(yàn)等，但這些方法都是間接方法，現(xiàn)場再現(xiàn)性差、理論依據(jù)不充分.因此，有必要探求一種理論依據(jù)較充分、更接近實(shí)際使用狀況的水損害評價(jià)方法.

近年來，國內(nèi)外越來越多的學(xué)者用瀝青、集料的表面自由能來表征瀝青與集料間的黏附性［1-3］.本文以表面自由能為依據(jù)，從更為接近水損害本質(zhì)的黏附性角度出發(fā)，采用接觸角法，測定瀝青與集料的表面參數(shù)，計(jì)算瀝青-集料體系的黏附功和剝落功，以衡量瀝青-集料體系的黏附性能和抗水損害性能.

1 理論分析

1.1 瀝青與集料的黏附功

當(dāng)瀝青與集料進(jìn)行熱拌合時(shí)，等效為液體對固體的潤濕作用，固液之間形成界面層，液體與固體之間存在接觸角，并處于固、液、氣三相平衡狀態(tài).通過測量接觸角以及瀝青的表面能即可計(jì)算瀝青與集料之間的黏附功.

當(dāng)瀝青裹覆集料并處于固、液、氣三相平衡時(shí)，由于瀝青膜的吸附作用使固體的表面張力降低，降低量為 πe［4］，即

式中，γsv為處于三相平衡狀態(tài)時(shí)的固-氣界面張力;γs為固體在真空狀態(tài)下假想的界面張力，且固體與自身蒸氣平衡的界面張力γso接近于γs，即

Young方程［5］描述了固、液、氣三相各界面表面能之間的關(guān)系，即

式中，γsl，γlv分別表示處于三相平衡狀態(tài)時(shí)固-液界面張力和液-氣界面張力;θ為在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角.

將式(3)代入式(2)可得

由于瀝青、集料屬于低表面能物質(zhì)［6］，πe可以忽略不計(jì).此時(shí)Young方程可以簡化為

由于黏附功可表示為［4］

將式(4)代入式(6)，可得

因πe可忽略，則

將瀝青與集料的接觸角和瀝青的表面自由能(表面張力)代入式(8)，即可計(jì)算瀝青與集料之間的黏附功.將瀝青在空氣中的界面張力γlv簡化為瀝青的界面張力γl，將瀝青-集料系統(tǒng)在空氣中的黏附功Wslv簡化為瀝青-集料系統(tǒng)的黏附功Wsl，即

同理，可分別推導(dǎo)出瀝青與水、集料與水、瀝青與集料的黏附功Waw，Wsw和Was.

1.2 瀝青與集料的剝落功

水的表面自由能大于瀝青的表面自由能，一旦水與集料接觸，便吸附在集料上，使瀝青不斷地從集料表面剝落.因此，瀝青路面在雨水的浸泡和行車荷載的反復(fù)作用下，水分逐漸滲透瀝青膜和空隙，使瀝青從集料表面脫落，從而造成水損害.這一過程可以看作是黏附的逆過程——剝落過程［7］.即由原先的瀝青-集料體系變成瀝青-水和集料-水2個體系，用公式表示為

將式(9)代入式(10)可得剝落功計(jì)算式為

式中，γw，γa分別為水、瀝青的界面張力;θ1，θ2，θ3分別為水與瀝青、水與集料、瀝青與集料的接觸角.

1.3 瀝青的表面自由能

表面張力可以分解成各種分子間作用力的分量，包括非極性力分量γd(倫敦色散力)和極性力分量γp(偶極作用力、誘導(dǎo)力、氫鍵)，其表達(dá)式為［8-10］

式中，上標(biāo)d和p分別表示表面能的色散分量和極性分量;γ0s為固體在真空中的比表面能.結(jié)合Young方程

2 原材料與試驗(yàn)

2.1 原材料及其性能

本文選用4種集料(分別為花崗巖、輝長巖、粗閃長巖、石灰?guī)r)的化學(xué)成分和2種瀝青(SK70#基質(zhì)瀝青和添加抗剝落劑的SK70#改性瀝青)的性能指標(biāo)分別如表1、表2所示.測試材料選取3種不溶于瀝青的測試液體(蒸餾水、丙三醇和甲酰胺［12］)，其表面自由能及其分量從《物理學(xué)常用數(shù)表》［13］中查得，如表 3所示，測試溫度為室溫(25℃).

按常規(guī)酸堿性集料分類方法，二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于52%的為堿性集料，52% ～65%的為中性集料，大于65%的為酸性集料.可見石灰?guī)r與輝長巖為堿性集料，粗閃長巖為中性集料，花崗巖為酸性集料.

表1 不同集料的化學(xué)成分 %

表2 瀝青技術(shù)性能指標(biāo)

表3 3種試劑的表面自由能及分量 mJ/m2

2.2 原材料表面參數(shù)試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用KRUSS的DSA1接觸角測試儀測定3種測試液體在瀝青表面的接觸角，測試結(jié)果如表4所示，測試溫度為室溫(25℃).

利用接觸角測試儀測出160℃時(shí)瀝青(瀝青混合料的拌合溫度為160℃左右)在打磨平整的集料(集料徹底清洗，并在130℃的烘箱中充分烘干)表面的接觸角，以及蒸餾水在集料表面上的接觸角(室溫下測得)，測試結(jié)果如表5所示.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 瀝青表面自由能的計(jì)算

表4 瀝青與測試試劑的接觸角 (°)

表5 瀝青在集料上的接觸角 (°)

表6 y與x關(guān)系表

作x關(guān)于y的散點(diǎn)圖，并進(jìn)行線性擬合，若得到的曲線不呈線性關(guān)系，說明測試的接觸角不夠準(zhǔn)確，需要重新進(jìn)行測試［13］.

圖1中擬合直線斜率的平方為瀝青表面能的極性分量γps，截距的平方為瀝青表面能的色散分量γds.由此可以得出2種瀝青的表面能及其分量，如表7所示.

圖1 瀝青的表面自由能分量

表7 瀝青的表面能及其分量 mJ/m2

由表7可知，無論基質(zhì)瀝青還是改性瀝青，瀝青表面自由能中的色散分量都顯著大于極性分量;添加抗剝落劑改性后，瀝青的表面能有所增加，主要表現(xiàn)為瀝青表面張力中極性分量的增加.

3.2 瀝青-集料黏附功的計(jì)算

將已經(jīng)計(jì)算出的瀝青表面自由能和已經(jīng)測出的瀝青在集料表面的接觸角(見表5)代入式(9)，計(jì)算出瀝青與集料的黏附功，結(jié)果如表8所示.

表8 瀝青在集料表面的黏附功 mJ/m2

由表8結(jié)合表1可以看出，二氧化硅含量最低的石灰?guī)r，其與瀝青的黏附功最大高達(dá)96.728 mJ/m2;其次是粗閃長巖和輝長巖;二氧化硅含量最高的花崗巖與瀝青的黏附功最小，僅為79.680 mJ/m2.因此，隨集料酸性成分的增加，集料與瀝青的黏附功逐漸減少.而添加抗剝落劑改性后，瀝青與集料的黏附功都呈現(xiàn)出不同程度的增加，說明抗剝落劑能較顯著地改善瀝青與集料的黏附性.

3.3 瀝青-集料剝落功的計(jì)算

將已測出的瀝青表面自由能，水與瀝青的接觸角(見表4)，瀝青、蒸餾水與集料的接觸角(見表5)，以及蒸餾水的表面自由能(由《物理學(xué)常用數(shù)表》查得25℃時(shí)，水的表面自由能為72.1 mJ/m2)代入式(11)，計(jì)算出瀝青與集料的剝落功，結(jié)果如表9所示.

表9 瀝青在集料表面的剝落功 mJ/m2

由表9結(jié)合表1可以看出，二氧化硅含量最高的花崗巖，其與瀝青的剝落功最大高達(dá)130.731 mJ/m2;其次是輝長巖、粗閃長巖;二氧化硅含量最低的石灰?guī)r與瀝青的剝落功最小，僅為92.827 mJ/m2.說明隨集料酸性成分的增加，瀝青與集料的剝落功呈現(xiàn)增加的趨勢，而添加抗剝落劑改性后，瀝青-集料體系的剝落功均有不同程度的減小.

4 瀝青-集料體系的剝落功與水穩(wěn)性之間的關(guān)系

剝落功表征的是有水存在的情況下水-集料-瀝青3個體系的作用過程，而黏附功只表征瀝青與集料在干燥無水的狀態(tài)下黏附力的大小.因此，剝落功更為接近水損害的本質(zhì)，更能有效地表征水穩(wěn)性的優(yōu)劣.將上述各種瀝青-集料體系之間的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果(見表10)與表9進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖2所示.

表10 瀝青與集料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖2 剝落功與凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)關(guān)系圖

由圖2可知，在同一瀝青不同集料所組成的瀝青-集料體系中，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)隨體系剝落功的增加而減小，宏觀上表現(xiàn)為瀝青混合料的抗水損害能力減弱.其中，添加抗剝落劑的瀝青-集料體系的TSR隨剝落功的變化較未添加抗剝落劑的瀝青-集料體系的敏感性小，表現(xiàn)為曲線斜率更大.對同一瀝青而言，剝落功的大小體現(xiàn)了瀝青混合料抗凍融損害性能的優(yōu)劣.

5 結(jié)論

1)添加抗剝落劑改性后瀝青的表面自由能較改性前有所增加，原因在于表面自由能中的極性分量增加較多.

2)對同一種集料而言，改性瀝青與集料的黏附功要大于基質(zhì)瀝青的黏附功;對于同一種瀝青而言，各種集料的黏附功為:石灰?guī)r＞粗閃長巖＞輝長巖＞花崗巖.

3)同種瀝青之間，集料的剝落功為:石灰?guī)r＜粗閃長巖＜輝長巖＜花崗巖，即酸性集料的剝落功要大于堿性集料的剝落功.對同一種酸性集料而言，添加抗剝落劑改性后瀝青的剝落功小于未添加抗剝落劑改性瀝青的剝落功.

4)剝落功表征的瀝青混合料的水穩(wěn)性優(yōu)劣，與凍融劈裂試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果(TSR)表征的同一種瀝青混合料的水穩(wěn)定性基本一致.

［1］Zollinger C J.Application of surface energy measurements to evaluate moisture susceptibility of asphalt and aggregates［D］.Texas，USA:Texas A ＆ M University，2005.

［2］Bhasin A，Masad E，Little D N，et al.Limits on adhesive bond energy for improved resistance of hot-mix asphalt to moisture damage［J］.Transportation Research Record，2006，19(70):3-13.

［3］Copeland R A.Influence of moisture on bond strength of asphalt-aggregate systems［D］.Tennessee，USA:Vanderbilt University，2007.

［4］王勇.基于表面能理論的瀝青與集料黏附性研究［D］.長沙:湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，2010.

［5］胡福增.材料表面與界面［M］.上海:華東理工大學(xué)出版社，2008:218-239.

［6］趙國璽.表面活性劑作用原理［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2003:511-513.

［7］王海軍，戈龍華，夏曉慧，等.瀝青粘結(jié)料表面自由能試驗(yàn)研究［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2008，38(51):113-117.

Wang Haijun，Ge Longhua，Xia Xiaohui，et al.Research on surface free energy of asphalt binder［J］.Journal of Shandong University:Engineering Science，2008，38(51):113-117.(in Chinese)

［8］Hefer A W，Little D N，Herbert B E.Bitumen surface energy characterization by inverse gas chromatography［J］.Journal of Testing and Evaluation，2006，35(3):1-7.

［9］Hefr A W，Bhasin A，Little D N.Bitumen surface energy characterization using a contact angle approach［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2006，18(6):759-767.

［10］魏建明，張玉貞，Youtcheff's John.多磷酸對瀝青表面自由能的影響［J］.石油學(xué)報(bào):石油加工，2011，27(2):281-285.

Wei Jianming， ZhangYuzhen， Youtcheff's John.Effect of polyphosphoric acid on the surface free energy of asphalt binders［J］.Acta Petrolei Sinica:Petroleum Processing Section，2011，27(2):281-285.(in Chinese)

［11］魏建明，張玉貞，Youtcheff's John.躺滴法表征瀝青的表面自由能［J］.石油學(xué)報(bào):石油加工，2009，25(2):207-215.

Wei Jianming，Zhang Yuzhen，Youtcheff's John.Determination of the surface free energy of asphalt binders by sessile drop method［J］.Acta Petrolei Sinica:Petroleum Processing Section，2009，25(2):207-215.(in Chinese)

［12］鄭曉光，王集，楊群.運(yùn)用表面自由能理論分析瀝青混合料水穩(wěn)定性［J］.中外公路，2004，24(5):88-91.

［13］飯?zhí)镄抟?物理常用數(shù)表［M］.曲長芝，譯.北京:科學(xué)出版社，1987:18-23.

Research on adhesion in asphalt-aggregate systems based on surface energy theory

Chen Yanjuan1，2Gao Jianming1，2Chen Huaxin3

(1School of Materials Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)
(2Key Laboratory of Civil Engineering Materials of Jiangsu Province，Southeast University，Nanjing 211189，China)
(3School of Materials Science and Engineering，Chang'an University，Xi'an 710061，China)

Abstract:Based on the surface energy theory，surface energy parameters of two kinds of asphalt and four kinds of aggregate were obtained by a static contact angle method，and the adhesive work and the exfoliated work of different asphalt-aggregate systems were calculated to determine whether the adhesion between different asphalt-aggregate systems was good or not.Meanwhile，a freeze-thaw splitting test was used for verification.The results suggest that in a modified asphalt-limestone system，it has the highest value of adhesive work and the lowest exfoliated work.As for the asphaltgranite system，the results are the opposite compared to the asphalt-limestone system.In addition，the adhesion between different asphalt-aggregate systems characterized by the exfoliated work is consistent with the results of the freeze-thaw splitting test;therefore，exfoliated work can characterize the adhesion between different asphalt-aggregate systems more intuitively and quantitatively.

Key words:road engineering;surface energy;contact angle method;adhesion;exfoliated work

中圖分類號:U214.103

A

1001－0505(2014)01-0183-05

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.033

收稿日期:2013-05-30.

陳燕娟(1986—)，女，博士生;高建明(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，101000879@seu.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278096).

陳燕娟，高建明，陳華鑫.基于表面能理論的瀝青集料體系的黏附特性［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，44(1):183-187.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.033］