破碎礫石與瀝青的黏附性能分析

王瑞林，周維鋒，劉 偉

(山西省交通科學研究院 公路與交通工程研究所 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,山西 太原 030006)

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破碎礫石與瀝青的黏附性能分析

王瑞林，周維鋒，劉 偉

(山西省交通科學研究院 公路與交通工程研究所 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,山西 太原 030006)

為有效利用新疆破碎礫石，通過對新疆破碎礫石黏附性試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗，研究了破碎礫石水穩(wěn)定性評價方法；依據(jù)表面自由能理論，分析了破碎礫石、瀝青、水之間黏結(jié)時自由能變化情況。結(jié)果表明:破碎礫石中黏附性能最差類型的集料可用于代表破碎礫石的總體黏附性能。根據(jù)表面自由能理論，運用自由能比值絕對值可有效定量分析破碎礫石、瀝青、水之間黏結(jié)時自由能降低程度，提出了破碎礫石的自由能比值絕對值計算方法。

道路工程；瀝青路面；破碎礫石；黏附性；水損壞；自由能比值絕對值

隨著我國西部開發(fā)及新疆高速公路的大范圍規(guī)劃，公路用各種材料需求驟然增加。新疆的巖石類型主要有玄武巖、石英巖、輝綠巖和石灰?guī)r等，以玄武巖為主。但玄武巖碎石的分布較為分散，運輸成本遠高于材料的價格，且運輸時對沿線不同等級公路破壞非常嚴重。然而新疆分布著大量不同巖石類型的礫石，從破碎礫石巖石類型看，破碎礫石存在光滑面和部分礫石屬于酸性石料，無法分離，導致實際應(yīng)用中相對較少[1]。對于光滑面及抗水損壞性能來說,水是影響瀝青路面水損壞的外在因素，瀝青與礦料間黏附性不足是瀝青從集料上剝落的內(nèi)在因素。不同研究人員有從各種角度提高瀝青與集料的黏附性,如對集料黏附性定量研究的基礎(chǔ)上,制得優(yōu)良的抗剝落劑[2-3]；運用表面能理論初步分析黏附性[4]，用浸水馬歇和凍融劈裂試驗后劈開試驗[5-7]等。筆者旨在通過新疆某高速公路附近的破碎礫石進行試驗，分破碎礫石與瀝青的黏附性能及評價方法。

1 原材料

根據(jù)此破碎礫石的地礦報告，其中含51%玄武巖，40%石英巖，9%石灰?guī)r，母材大部分為經(jīng)過多年水流沖刷而成的玄武巖礫石和石英巖礫石。對于黏附性試驗，隨機選取10顆大于13.2 mm集料進行水煮法試驗，最后取平均為試驗結(jié)果。破碎礫石試驗結(jié)果見表1。瀝青選用克拉瑪依90號A級道路石油瀝青。新疆某公路所在地區(qū)為1-2-4區(qū)，從表1可以看出，此破碎礫石樣品與瀝青的黏附性可以達到新疆上面層、中面層和下面層黏附性等級要求，并具有很高的抗壓強度和很好的耐磨性能。但對于酸性混合石料來說，兩個光滑破碎面酸性巖石與瀝青的黏附性更差。當有水存在時，由于瀝青與礦料之間的界面張力總是大于礦料與水之間的界面張力[8]，瀝青更容易脫落。所以，筆者為進一步評價含有1個或2個破碎面的石英巖的黏附性，通過挑選出石英巖進行黏附性試驗，試驗結(jié)果見表2。

表1 破碎礫石試驗結(jié)果

表2 黏附性試驗結(jié)果

從表2看出，運用石英巖破碎礫石進行黏附性試驗時，黏附性不滿足干旱地區(qū)要求。這也說明了破碎礫石沒有得到大量應(yīng)用的原因。

2 瀝青混合料水穩(wěn)定性

為定量評價破碎礫石抗水損壞性能，筆者通過凍融劈裂試驗和馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗評價其水損壞性能。同時，選用添加消石灰的破碎礫石瀝青混合料進行對比，分析抗水損壞性能的提高程度。

2.1 破碎礫石瀝青混合料

粗集料選用10～20，5～10，3～5，0～3 mm的破碎礫石，礦粉采用石灰?guī)r磨細礦粉，瀝青采用克拉瑪依90號A級普通瀝青，混合料類型選AC-20混合料，級配設(shè)計見表3。通過混合料的馬歇爾試驗，瀝青混合料的設(shè)計結(jié)果見表4。

表3 瀝青混合料礦料級配設(shè)計值

表4 瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

2.2 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗

我國表征瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗方法主要有凍融劈裂試驗和馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗，其主要表征瀝青混合料在有水作用下，對水剝落的抵抗能力。其試驗結(jié)果見表5。

表5 不同混合料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

從表5可以看出，破碎礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性不能滿足技術(shù)要求，添加消石灰的混合料水穩(wěn)定性相對不添加消石灰水穩(wěn)定性提升明顯。另外，破碎礫石的水穩(wěn)定性評價指標中，黏附性滿足要求，而浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度不滿足要求，主要原因為破碎礫石與瀝青的黏附性只是一個定性評價標準，最終定量的評價標準還是依靠瀝青混合料的凍融劈裂殘留強度比及浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度評價。瀝青混合料的水損壞總是從最薄弱的環(huán)節(jié)開始，所以，運用黏附性來評價破碎礫石集料的抗剝落性能時，建議選用破碎礫石中黏附性最差集料代表破碎礫石的黏附性能。

3 表面自由能

3.1 瀝青、礦料和水黏附時的自由能

從微觀上來說，瀝青與集料之間的潤濕過程是固體液體體系Gibbs自由能減少的過程，水剝落瀝青的過程表現(xiàn)為集料-瀝青表面存在Gibbs自由能的進一步減少。液體與固體界面之間的潤濕程度決定了液體與固體之間的黏附性能，即潤濕越好，液體與固體表面的自由能越少，界面之間越穩(wěn)定，黏附越好。液體完全潤濕固體表面是形成液體與固體間高黏結(jié)強度的必要條件[9]。當瀝青完全潤濕集料時，系統(tǒng)處于一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，當有水存在時，水與集料之間的自由能更低，所以水很容易取代瀝青與集料表面的黏結(jié)，整個過程是自發(fā)的向平衡方向移動，直到自由能達到最低狀態(tài)。

根據(jù)表面能理論，瀝青與集料的黏附功是瀝青與礦料相接觸而引起整個系統(tǒng)亥姆霍茲自由能減少的量[9]。無水狀態(tài)時，瀝青與集料黏附過程是由瀝青與集料兩相轉(zhuǎn)化為瀝青-集料相的過程，Gibbs自由能向減小的方向發(fā)展，自由能變化計算見式(1)[10]；有水狀態(tài)時，水與集料結(jié)合時自由能下降更多，計算見式(2)[10]：

(1)

(2)

3.2 原材料表面能參數(shù)的測試

3.2.1 瀝青表面能測試

溶劑在瀝青表面的自重忽略不計，根據(jù)Young-Dupre公式，溶劑與瀝青的表面能參數(shù)滿足式(3)[11]：

(3)

筆者選用常見的幾種溶劑測定瀝青表面能參數(shù)，常見溶劑可通過查表法得出表面能參數(shù)值，由于乙醇測試瀝青表面能參數(shù)時，乙醇與瀝青接觸角存在很大的隨機性。所以選擇的常見溶劑為蒸餾水、甘油、己烷。具體表面能參數(shù)見表6。

表6 常見溶劑的表面能參數(shù)

3.2.2 礦料表面能測試

柱狀燈芯法選用washburn法，依式(4)測定及計算粉末狀集料與已知液體的接觸角，結(jié)合Young-Dupre公式，可以得出集料的表面能參數(shù)數(shù)值：

(4)

式中：h為浸漬高度；t為浸漬時間；γL液體的表面能；η液體的黏度；θ為礦料與液體的接觸角；R為毛細管有效半徑。

由于己烷為低表面能的溶劑，毛細管中上升速度過快，不易讀準，筆者選用表6其他3種已知溶劑，測定集料(集料的表面能參數(shù)如表7)與溶劑的接觸角，結(jié)果見表8，測試結(jié)果變異系數(shù)都在0.3%之內(nèi)。

表7 集料的表面能參數(shù)

表8 集料的與已知溶劑的接觸角

3.3 瀝青、礦料和水黏附時的自由能變化計算

根據(jù)式(1)、式(2)對瀝青與集料黏附過程，混合料水剝落過程的Gibbs自由能變化進行計算，計算結(jié)果見表9。

表9 無水與有水過程中瀝青黏附與剝落過程Gibbs自由能變化

從表9可以看出，玄武巖、石英巖、石灰?guī)r集料與水、瀝青的作用過程Gibbs自由能都在降低，表明無水狀態(tài)下，瀝青與集料在黏附過程中釋放能量，從而形成更加穩(wěn)定的粘附體系；當水存在時，水-集料-瀝青體系的自由能進一步下降，自發(fā)地形成更為穩(wěn)定的3項體系。無水狀態(tài)下，穩(wěn)定狀態(tài)排序為：石英巖<玄武巖<石灰?guī)r；有水狀態(tài)下，穩(wěn)定狀態(tài)排序為：石灰?guī)r<玄武巖<石英巖。集料對親油性來講，石灰?guī)r最強，石英巖最弱，集料對親水性來講石英巖最強，石灰?guī)r最弱，從以上數(shù)據(jù)分析為：石英巖與瀝青粘附過程中釋放的能量相對其它來說相對較小，處于高能位的狀態(tài)，石英巖又與水黏附過程中可以釋放更多的能量達到更為低的狀態(tài)，所以在有水的狀態(tài)下，水會主動地與集料結(jié)合以形成更加穩(wěn)定的黏附體系。

玄武巖與石英巖在無水和有水狀態(tài)下Gibbs自由能下降都相差不大，單獨運用一種指標進行評價時不能明顯反映集料的抗剝落性能。所以，只運用集料與瀝青黏結(jié)時的自由能降低(ΔGas)，或只運用集料與水的親附剝落瀝青后自由能的進一步降低(ΔGasw)來表征瀝青混合料的水穩(wěn)定性都是不全面的，兩者結(jié)合才能有效表征瀝青混合料的抗水損壞性能。結(jié)合我國水穩(wěn)定性評價方法，運用自由能比值絕對值(ΔGasw/ΔGas)來評價混合料抗水損壞的性能較為合理。自由能比值的絕對值越小，瀝青與集料的黏附性越好。

對破碎礫石來說，其中石質(zhì)類型較多，建議采用每種類型集料自由能比值絕對值與此種集料的含量乘積計算破碎礫石的自由能比值絕對值，以評價破碎礫石的黏附性能。另外，還可進一步采用瀝青混合料自由能比值絕對值參數(shù)作為瀝青混合料抗水損壞的評價標準。

4 結(jié) 論

1)破碎礫石黏附性滿足要求時，水穩(wěn)定性不一定滿足要求，瀝青混合料的水損壞總是從最薄弱的環(huán)節(jié)開始。所以，對破碎礫石的黏附性進行評價時，筆者建議選擇黏附性最差的集料類型代表破碎礫石的黏附性能。

2)集料與瀝青、水的黏附過程均為自發(fā)性的過程，均為Gibbs自由能降低過程。對集料黏附性進行評價時，只采用集料與瀝青或集料-瀝青與水的Gibbs自由能降低值單獨進行評價時，不能更為真實的反映瀝青混合料的抗剝落性能，所以建議采用自由能比值絕對值進行評價。

3)對破碎礫石來說，其中石質(zhì)類型較多，建議采用每種類型集料自由能比值絕對值與此種集料的含量乘積計算破碎礫石的自由能比值絕對值，以評價破碎礫石的黏附性能。

[1] 張偉.破碎卵石在瀝青路面中的應(yīng)用研究[D].武漢:武漢理工大學,2012. Zhang Wei.Application Research on Crusher Gravel Used in Asphalt Pavement [D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2012.

[2] 周衛(wèi)峰,張秀麗,原健安,等.基于瀝青與集料界面粘附性的抗剝落劑的開發(fā)[J].長安大學學報:自然科學版,2005,25(2):16-20.

Zhou Weifeng,Zhang Xiuli,Yuan Jianan,et a1.Development of new anti-stripping agent based on adhesion of asphalt with aggregate [J].Journal of Chang’an University:Natural Science Edition,2005,25(2):16-20.

[3] 趙春花,祝小龍.含泥量對瀝青與粗集料黏附性的影響[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2008,27(增刊1):933-936. Zhao Chunhua,Zhu Xiaolong.Influence of clay dosage on the adhesion of asphalt and coarse aggregate [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2008,27(Sup1):933-936.

[4] Chengd D.Surface Free Energy of Asphalt-Aggregate System and Performance Analysis of Asphalt Concrete Based on Surface Free energy [D].Texas:Texas A&M University,2002.

[5] 王云彤.瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗方法剖析[J].山西交通科技,2011(1):17-18. Wang Yuntong.The analysis for water stability test method of asphalt mixture [J].Shanxi Science & Technology of Communications,2011(1):17-18.

[6] 黃維蓉,崔通.抗車轍MPE改性瀝青混合料性能研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2013,32(1) :38-40. Huang Weirong,Cui Tong.Performance study on anti-rutting MPE modified asphalt mixture [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2013,32(1):38-40.

[7] 王樂,梁乃興,劉柳.濕熱地區(qū)瀝青混合料水穩(wěn)定性評價方法研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2008,27(4) :580-583. Wang Le,Liang Naixing,Liu Liu.Study on the water stability of asphalt mixture in hot and damp region [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2008,27(4):580-583.

[8] 劉亞敏,韓森,李波.基于表面能理論的瀝青與礦料黏附性研究[J].建筑材料學報,2010,13(6):769-772. Liu Yaming,Han Sen,Li Bo.Research on adhesion between asphalt and aggregate based on surface energy theory [J].Journal of Building Materials,2010,13(6):769-772.

[9] 程傳煊.表面物理化學[M].北京:科學技術(shù)文獻出版社,1995:102-126. Cheng Chuanxuan.Surface Physical Chemistry [M].Beijing:Science and Technology Document Press,1995:102-126.

[10] 顧慶峰,沈青,胡劍鋒.聚木糖表面能及表面能成分的估算[J].中國造紙學報,2003,18(2):11-13. Gu Qingfeng,Shen Qing,Hu Jianfeng.Estimation of surface free energy and related components of hemicellulose [J].Transactions of China Pulp and Paper,2003,18(2):11-13.

[11] 朱瑤,趙振國.界面化學基礎(chǔ)[M].北京:化學工業(yè)出版社,1996:24-34. Zhu Yao,Zhao Zhenguo.Foundation of Interface Chemistry [M].Beijing:Chemical Industry Press,1996:24-34.

Adhesion Performance of Crushed Gravel and Asphalt

Wang Ruilin, Zhou Weifeng, Liu Wei

(Key Highway Laboratory of Construction & Maintenance in Loess Region, Research Institute of Highway & Traffic Engineering,Shanxi Provincial Research Institute of Communication Science, Taiyuan 030006, Shanxi, China)

For the effective use of Xinjiang crushed gravel, the water stability evaluation methods of broken gravel were studied, through the adhesion test, immersion Marshall Test and freeze thaw split test of Xinjiang crushed gravel. Based on the surface free energy theory, the free energy changes of the bonding among crushed gravel, asphalt and water were analyzed. The results show that the worst aggregate type of broken gravel adhesion performance can be used to represent the overall adhesion performance; according to the surface free energy theory, the adoption of the absolute value of the ratio of free energy can effectively and quantitatively analyze the reduce degree of free energy of bond among gravel, asphalt and water. The calculation method of free energy absolute value ratio for crushed gravel was proposed.

road engineering; asphalt pavement; crushed gravel; adhesion; water damage; free energy of absolute value

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.10

2014-03-18；

2014-10-18

山西省交通運輸廳科技計劃項目(20110102)

王瑞林(1982—)，男，山西忻州人，工程師，碩士，主要從事路面瀝青材料方面的研究。E-mail:mr6279@sina.com。

U414.3

A

1674-0696(2015)05-049-04