利用表面自由能法對添加消石灰的WMA水穩(wěn)定性的研究

韋琴

（四川交通職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都 611130）

0 引言

溫拌瀝青混合料（WMA）技術(shù)由于具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。但是WMA的拌合溫度較低水汽沒有充分釋放，所以水穩(wěn)定性較差[1]。在WMA中添加熟石灰可以改善混合料的粘結(jié)性和抗水損害性能[2]。然而，盡管已經(jīng)有一些關(guān)于熟石灰對WMA的影響的研究報道，但是仍沒完全揭示消石灰對WMA影響的機理。

由于缺乏統(tǒng)一的測試方法來評估水損害，而且傳統(tǒng)的實驗室測試與現(xiàn)場狀況缺乏關(guān)聯(lián)性，所以研究大都集中在測量不同瀝青結(jié)合料和集料的表面能[3]。根據(jù)熱力學理論，表面自由能（SFE）的熱力學變化與兩個因素有關(guān):瀝青與集料之間的界面斷裂和結(jié)合鍵的斷裂。因此，通過估算瀝青與集料的表面自由能來計算附著力和粘聚力的作用比較合理。

在研究中，通過表面自由能法對消石灰對溫拌瀝青混合料抗水損壞的機理進行了研究。實驗采用了兩種類型的集料和兩種類型的溫拌劑確定了集料的表面自由能。研究了集料、瀝青結(jié)合料和抗剝落劑系統(tǒng)對WMA的抗水損害性能影響，研究了熟石灰對溫拌瀝青混合料抗水損害作用機制。

1 試驗

1.1 實驗材料

實驗采用石灰?guī)r和花崗巖兩種類型的集料。集料級配采用公稱最大粒徑為13.2mm的密級配集料。瀝青采用70號瀝青，溫拌劑采用Asphamin[4-5]。

消石灰比其他抗剝落劑的性能更好，因而得到了廣泛應(yīng)用。該實驗在混合料中添加石灰漿來提高混合料的抗水損害性能。經(jīng)過初步測試確定了消石灰的最佳含量。根據(jù)JTG E20-2011規(guī)范[6]對樣品的水穩(wěn)定性進行了試驗分析。

1.2 樣品制備與分析

1.2.1 混合設(shè)計

瀝青混合料（密級配）的設(shè)計按照馬歇爾法進行，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004[7]，在圓柱形樣品的每一側(cè)擊實75次。溫拌瀝青混合料的混合和壓實溫度為120～125℃。

1.2.2 LW-AB法表面自由能分析

瀝青混合料的水穩(wěn)定性和疲勞開裂性能可以通過附著力和粘聚力進行分析[8]，利用LW—AB法可以分析集料和瀝青的界面在有水和無水情況下的表面自由能。

如公式①所示，對于任何一個相的總表面自由能可以由非極性的Lifshitz—van der waals作用分量γLW和極性分量γAB組成，而極性的酸堿作用分量γAB可以通過電子受體分量γ+和電子給體分量γ-的幾何平均值來表示（公式②）。

①與②同Young方程結(jié)合可以得到公式③[9]，由式③可以看出它包含3個未知數(shù)，分別為所以固體表面張力分量可以通過測量3種已知表面張力分量的液體在其表面的接觸角計算得到。

2 結(jié)果討論

2.1 混合設(shè)計和熟石灰含量

通過混合設(shè)計試驗確定石灰?guī)r和花崗巖集料制成的樣品中最佳瀝青含量分別是5.3%和5.0%，混合設(shè)計沒有添加任何抗剝落劑。經(jīng)過對消石灰添加量的實驗分析確定兩種混合料中消石灰的最佳添加量分別為花崗巖和石灰?guī)r重量的2%和1.5%。

2.2 表面自由能（SFE）

瀝青的各表面自由能參量與用Wilhelmγ吊片法測定。表1列出了瀝青總SFE和各分量的值。70號瀝青的電子給體分量和電子受體分量分別為1.47和0.63 ergs/cm2。從表1的結(jié)果可以看出，兩種溫拌劑使γ+增加，使γ-降低。如果是酸性集料和酸性瀝青，路易斯酸和堿的表面化學性質(zhì)不利于它們粘結(jié)，所以酸性集料和酸性瀝青之間很難獲得良好的粘合效果。因此，改變酸性瀝青和溫拌劑的量都會影響WMA的水穩(wěn)定性。此外，試驗結(jié)果表明，雖然瀝青總SFE較低，但添加溫拌劑并沒顯著改變的瀝青的總SFE。

表1 瀝青的表面自由能參量

用吸附法對消石灰對集料SFE參量的影響進行了測定。結(jié)果列于表2中，從結(jié)果可以看出，添加熟石灰后，兩種集料的γ+值都減小了，而γ-值卻增大了。由于瀝青是酸性的，集料SFE參量的變化可以提高瀝青和集料之間的附著力。此外，消石灰使路易斯酸參量降低。石材表面的極性大小是二氧化硅含量多少的標志[10]，因此，降低集料極性將使集料表面水穩(wěn)定性提高。對比這兩種集料的測試結(jié)果，可以看出，消石灰對花崗巖的作用更有效。表2表明，石灰?guī)r（149.65 ergs/cm2）的酸-堿（極性）SFE參量比花崗巖（354.91 ergs/cm2）要低得多。

表2 集料的表面自由能參量

添加熟石灰使兩種類型集料的非極性SFE參量都增加了（表2），而熟石灰會降低兩種集料的總SFE，總SFE降低可提高集料表面瀝青的保水性。但是可以看出，花崗巖集料的總SFE從399.23 ergs/cm2顯著下降至395.05 ergs/cm2，變化比石灰石集料更顯著。

2.3 表面自由能參數(shù)分析

從表3中可以看出，瀝青-集料結(jié)合鍵比水-集料結(jié)合鍵要弱得多，這是因為水的SFE比瀝青的SFE高。瀝青-集料-水的SFE為負值，說明該系統(tǒng)在熱力學上是不穩(wěn)定的。水和花崗巖集料之間的SFE比水和石灰?guī)r集料的大。這說明花崗巖與水的親和性比石灰石的要高。

表3 混合料的表面自由能

瀝青-集料和水-集料之間表面自由能的不同會造成集料剝落。此外，在有水存在的情況下，這種差異會增大，集料剝落傾向也會增大[11-12]。未添加消石灰樣品的α值比添加消石灰樣品的α值高，說明消石灰的加入使α值降低了。這意味著如果發(fā)生剝落，則需要更多的能量，說明抗水損害的性能提高了。此外，干燥和飽水的條件下集料-瀝青的界面自由能之間的差值等于發(fā)生剝落所釋放的量。因而，較高的差值對應(yīng)于體系的剝落趨勢增大。表3中的結(jié)果表明，石灰?guī)r混合料的α值比花崗巖的小，說明石灰?guī)r混合料更能抗水損害。從表3的β值可以看出，在含有石灰?guī)r和asphamin的混合料中使用消石灰可以減小瀝青-集料分別在干燥和飽水狀態(tài)下的界面自由能差值（β值）。這說明消石灰改性的混合料釋放的能量較小，所以，這種混合料抗剝落性很好。

3 結(jié)論

（1）添加消石灰降低了兩種集料的路易斯酸參量，增加了路易斯堿參量。這些集料表面自由能參量的變化使集料和瀝青之間的附著力顯著增大，使混合料抗水損害性增強。

（2）消石灰使集料的總SFE降低，這使集料表面瀝青的保水性增強。此外，花崗巖集料總SFE的變化比石灰?guī)r的總SFE比集料更顯著。

（3）對于沒有消石灰處理的樣品，瀝青-集料的SFE和水-集料的SFE之間的差值較大，而添加消石灰后這個差值變小了。這說明如果發(fā)生剝落現(xiàn)象，就需要更多的能量，即水損害率降低。

（4）使用消石灰使集料-瀝青分別在干燥和飽水狀態(tài)下界面SFE差值降低，因此消石灰改性的混合料釋放的能量比其他混合料低，這會使剝落性降低。幾種混合料中，含有石灰?guī)r、asphamin和消石灰的混合料抗水損害性最好。

[1]謝翠玲，張新，蘇明，等.溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性研究[J].公路交通科技，2011，28（9）:13-15.

[2]辛宇.摻加消石灰的瀝青混合料抗水損害性能試驗研究[J].石油瀝青，2008，22（6）:40-42.

[3]Alvarez AE，Ovalles E，Caro S.Assessment of the effect of mineral filler on asphalt-aggregate interfaces based on thermodynamic properties[J].Constr Build Mater，2012:28（1）:599-606.

[4]郭紅兵，陳拴發(fā).Aspha-min溫拌瀝青混合料技術(shù)現(xiàn)狀與路用性能[J].中外公路，2008，2:152-155.

[5]朱沅峰，吳超凡，張繼森，等.3種添加劑溫拌瀝青混合料使用性能比較[J].公路，2011，7:202-206.

[6]交通部公路科學研究院.JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].北京:人民交通出版社，2011.

[7]交通部公路科學研究院.JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[8]Cheng DX， Little DN，Lytton RL，Holste JC.Use of surface free energy properties of the asphalt-aggregate system to predict damage potential[J].Assoc Asphalt Paving Technol，2002:71:59-88.

[9]羅曉斌，朱定一，石麗敏.基于接觸角法計算固體表面張力的研究進展[J].科學技術(shù)與工程，2007，7（19）:4997-5004.

[10]Peltonen PV.Road aggregate choice based on silicate quality and bitumenadhesion[J].Transport Eng，1992:118（1）:50-61.

[11]Arabani M，Roshani H，Hamedi GHH.Estimating moisture sensitivity of warmmix asphalt modified with zycosoil as an antistrip agent using surface freeenergy method[J].Mater Civil Eng，2012，24（7）:889-897.

[12]魏建明，張玉貞，張晏，等.抗剝落劑對瀝青表面自由能的影響[J].中國石油大學學報:自然科學版，2011，35（2）:162-165.