基于表面能理論的瀝青混凝土抗剝落劑最佳摻量研究*

鄧　沖　羅　蓉　陳烜捷　涂崇志

(武漢理工大學交通學院　武漢　430063)

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基于表面能理論的瀝青混凝土抗剝落劑最佳摻量研究*

鄧沖羅蓉陳烜捷涂崇志

(武漢理工大學交通學院武漢430063)

摘要：為從微觀與宏觀兩個角度相結(jié)合來研究瀝青混凝土抗剝落劑的作用機理與最佳摻量，分別采用插板法和氣體吸附法測試集料及摻有不同劑量抗剝落劑(非胺類AMRII型)的瀝青的表面能參數(shù)，基于表面能理論分析瀝青與集料粘附功和剝落功隨抗剝落劑摻量的變化規(guī)律；并從宏觀瀝青混合料水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性試驗的角度，分析由摻有不同劑量抗剝落劑的瀝青制備的瀝青混合料的粘附性能隨抗剝落劑摻量的變化規(guī)律.試驗結(jié)果表明：隨抗剝落劑摻量的變化，瀝青與集料粘附功和剝落功的變化規(guī)律與瀝青混合料水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性變化規(guī)律具有很好的相關(guān)性，共同確定抗剝落劑(非胺類AMRII型)的最佳摻量為0.4%.

關(guān)鍵詞：道路工程；表面能；瀝青混合料；路用性能；抗剝落劑；最佳摻量

0引言

在我國酸性集料分布廣泛，占礦料總量的60%.酸性集料致密堅硬且耐磨性強，但與瀝青粘附性較差，易在水的作用下引起瀝青膜剝落，導(dǎo)致瀝青路面的水損害[1].而水損害問題在我國瀝青路面頻發(fā)，是瀝青路面早期破壞的主要類型之一.為改善酸性集料粘附性較差的問題，使用抗剝落劑是最簡單可行的方法，不僅可改善瀝青與集料的粘附性能，使其符合規(guī)范要求，更利于就地取材，節(jié)約運輸成本[2].

現(xiàn)階段抗剝落劑的最佳摻量的確定仍停留在瀝青及瀝青混合料宏觀試驗上，試驗過程復(fù)雜且耗時長.抗剝落劑的最佳摻量在0.2%～0.4%之間，工程實踐上大多是經(jīng)驗性的取用，缺乏微觀理論性研究[3].抗剝落劑的使用從微觀機理上的研究較少，且評價方法缺乏量化指標.鑒于此，文中采用表面能理論體系，對不同摻量抗剝落劑的瀝青進行微觀表面能性能參數(shù)測試、計算及分析，同時進行相應(yīng)宏觀瀝青混合料路用性能試驗驗證，以從微觀機理上預(yù)估抗剝落劑的最佳摻量，并研究表面能參數(shù)與瀝青混合料路用性能的關(guān)系.

1表面能基本參量及計算公式

1.1表面能基本參量

表面能理論可用于定量評價瀝青與集料的粘附性能，且與工程實踐吻合性較好[4].通過測定瀝青與集料的表面能參數(shù)，計算粘聚功、粘附功、剝落功等表面能指標，可用于評價瀝青混合料路用性能的好壞[5].

在表面能理論中，γ為物質(zhì)的表面張力；γLW為范德華力作用；γAB為Lewis 酸堿性力作用；γ+為Lewis 酸性力；γ-為Lewis堿性力.γLW，γ+，γ-即為表面能3個基本參量.

1.2表面能參數(shù)計算公式

瀝青與集料的粘附功是指，在無水條件下，瀝青在集料表面粘附而引起整個體系的表面自由能的減少[6].以s，a，w分別為集料、瀝青與水，瀝青與集料粘附功的表達式

瀝青與集料的剝落功，可理解為瀝青與集料在水的置換作用下，瀝青膜由集料表面剝離，瀝青-集料界面分離產(chǎn)生瀝青-水和水-集料新界面，此過程中體系單位面積的表面自由能的變化[7].瀝青與集料的剝落功表達式

(2)

2原材料及試驗

2.1原材料

2.1.1集料

集料為破碎礫石，主要成分為二氧化硅，與瀝青的粘附性較差，是典型的酸性集料[8].按照粒徑分為4檔，分別為0～2.36，2.36～4.75，4.75～13.2及13.2～19 mm.

2.1.2抗剝落劑

針對酸性集料與瀝青粘附性較差的問題，抗剝落劑采用非胺類AMRII型瀝青抗剝落劑，用以改善集料與瀝青的粘附性能，其外觀為棕褐色液體，與熱熔瀝青相容性良好，適于熱拌瀝青混合料.

2.1.3瀝青

瀝青為70號普通石油瀝青，對抗剝落劑摻量為0%，0.2%，0.4%，0.6%的瀝青進行瀝青3大指標試驗，試驗結(jié)果見表1，均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40- 2004)的要求.

表1　不同摻量抗剝落劑的瀝青三大指標

2.2瀝青與集料表面能參數(shù)試驗方法及結(jié)果

2.2.1瀝青表面能參數(shù)測試方法及結(jié)果

文中采用全自動表面張力儀，通過插板法測定接觸角，包括前進接觸角和后退接觸角，接觸角測試方法如圖1.前進接觸角為瀝青玻片插入溶劑形成的夾角，模擬瀝青與集料的粘附過程；后退接觸角為瀝青玻片撤出溶劑時形成的夾角，模擬瀝青與集料的剝落過程.

圖1　接觸角測試示意圖

根據(jù)接觸角理論公式[9]

將瀝青與4種已知溶劑(蒸餾水、甲酰胺、乙二醇和丙三醇)的表面能參數(shù)和測得的4種不同S溶劑的接觸角分別代入式(3)，可得出在抗剝落劑4種摻量下，前進過程、后退過程的瀝青表面能參數(shù)結(jié)果見表2～3.

表2　前進過程

表3　后退過程

2.2.2集料表面能參數(shù)測試方法及結(jié)果

集料表面能參數(shù)采用氣體吸附法測定，各個表面能參數(shù)測試結(jié)果見表4.

表4　集料表面能參數(shù)結(jié)果

2.2.3粘附功與剝落功計算

由表2～4，已知4種不同摻量抗剝落劑的瀝青的前進過程和后退過程表面能參數(shù)及集料的表面能參數(shù)，將瀝青前進過程的表面能參數(shù)和集料表面能參數(shù)代入式(1)，可得瀝青與集料的粘附功.將瀝青后退過程的表面能參數(shù)和集料表面能參數(shù)代入式(2)，可得瀝青與集料的剝落功.粘附功與剝落功計算結(jié)果見表5.

2.2.4表面能參數(shù)試驗結(jié)果分析

基于表面能理論，通過插板法和氣體吸附法，分別對4種不同摻量(0%,0.2%,0.4%,0.6%)抗剝落劑的瀝青和集料進行表面能測試，測得前進接觸角和后退接觸角，最后通過理論公式計算得到瀝青-集料粘附功與剝落功具體數(shù)據(jù)(表5).4種不同摻量(0%,0.2%,0.4%,0.6%)抗剝落劑的瀝青與集料對應(yīng)的粘附功與剝落功關(guān)系曲線見圖2，圖3.

表5　粘附功與剝落功計算結(jié)果

圖2　粘附功隨抗剝落劑摻量的變化曲線

圖3　剝落功隨抗剝落劑摻量的變化曲線

由圖2可知，隨抗剝落劑摻量的增加，瀝青與集料的粘附功曲線形式為凸曲線，摻量為0.4%時粘附功絕對值達到峰值.粘附功絕對值越大，表示瀝青與集料的粘附性能越好.因此，抗剝落劑摻量為0.4%時，瀝青與集料的粘附性能最優(yōu).

由圖3可知，隨抗剝落劑摻量的增加，瀝青與集料的剝落功絕對值不斷減小，摻量在0%～0.2%之間時剝落功變化很大，摻量在0.2%～0.6%之間時，剝落功變化很小，曲線稍顯緩和.而剝落功絕對值越大，表示瀝青膜從集料表面剝落的可能性越大，發(fā)生水損害的可能性也越大.因此，摻量在0.2%～0.6%之間時，瀝青混合料抵抗水損害的能力比摻量在0%～0.2%之間更強.

綜上所述，根據(jù)表面能理論，從微觀機理上的計算分析可知，抗剝落劑(非胺類AMRII型)摻量為0.4%時，瀝青與集料的粘附性能最好，抵抗水損害的能力最好.

2.3瀝青混合料試驗方法及結(jié)果

2.3.1試驗方案

從微觀機理上，根據(jù)表面能理論已計算得出4種不同摻量(0%,0.2%,0.4%,0.6%)抗剝落劑的瀝青-集料的粘附功與剝落功.從宏觀試驗上，對應(yīng)4種不同摻量抗剝落劑的瀝青分別進行瀝青混合料路用性能試驗.選用級配類型為AC-20C，油石比為4.0%，集料級配曲線見圖4.

圖4　集料級配曲線

具體試驗方案如表6.4種瀝青混合料試驗方案中，控制變量為抗剝落劑摻量，所用原材料、集料級配、油石比等均保持一致，以對比分析4種方案的路用性能試驗結(jié)果的差異.

表6　瀝青混合料試驗方案

2.3.2試驗方法

文中進行的瀝青混合料路用性能試驗為水穩(wěn)定性試驗和高溫穩(wěn)定性試驗.水穩(wěn)定性試驗采用浸水馬歇爾試驗、真空飽水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗；高溫穩(wěn)定性試驗采用車轍試驗.真空飽水浸水馬歇爾試驗，更能反映瀝青混合料抗水侵蝕的穩(wěn)定性[10].

2.3.3試驗結(jié)果

針對4種方案進行瀝青混合料水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性試驗，浸水殘留穩(wěn)定度MS0、真空飽水殘留穩(wěn)定度MS0’、凍融劈裂抗拉強度比TSR和動穩(wěn)定度DS的試驗結(jié)果見表7.

2.3.4試驗結(jié)果分析

對應(yīng)于4種不同摻量抗剝落劑的瀝青，分別進行馬歇爾路用性能試驗，即浸水馬歇爾試驗、真空飽水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和車轍試驗.4種方案對應(yīng)路用性能指標隨抗剝落劑摻量的變化曲線分別見圖5～8.

表7　四種方案路用性能試驗結(jié)果匯總

圖5　浸水殘留穩(wěn)定度MS0隨抗剝落劑摻量的變化曲線

圖6　真空飽水浸水殘留穩(wěn)定度MS0’隨抗剝落劑摻量的變化曲線

圖7　凍融劈裂抗拉強度比TSR隨抗剝落劑摻量的變化曲線

圖8　動穩(wěn)定度DS隨抗剝落劑摻量的變化曲線

由圖5～7可知，4種方案的浸水殘留穩(wěn)定度、真空飽水浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂抗拉強度比隨抗剝落劑摻量的變化曲線均呈現(xiàn)為凸曲線，在摻量為0.4%時，這3個指標，即水穩(wěn)定性能達到峰值.由圖8可見：隨抗剝落劑摻量增加，動穩(wěn)定度呈現(xiàn)出增大趨勢，即高溫穩(wěn)定性增強.

綜上分析，可初步得出現(xiàn)象性的結(jié)論：隨抗剝落劑(非胺類AMRII型)摻量變化(0%～0.6%)，瀝青混合料的水穩(wěn)定性在摻量為0.4%時達到最佳，高溫穩(wěn)定性呈現(xiàn)出不斷增大趨勢.

3表面能指標與抗剝落劑最佳摻量關(guān)系分析

文中針對4種不同摻量抗剝落劑的瀝青，進行了微觀試驗和相對應(yīng)的宏觀試驗，即表面能試驗和瀝青混合料試驗，將兩者結(jié)合分析.由粘附功、水穩(wěn)定性(包括浸水殘留穩(wěn)定度、真空飽水浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂抗拉強度比)分別隨摻量的變化曲線可知，4種試驗方案下粘附性強弱順序與水穩(wěn)定性強弱順序均為：方案三>方案四>方案二>方案一.

由剝落功、高溫穩(wěn)定性(即動穩(wěn)定度)分別隨摻量的變化曲線可知，4種試驗方案下抗剝落能力強弱順序與高溫穩(wěn)定性強弱順序均為：方案四>方案三≈方案二>方案一.

綜上可知，4種方案的粘附性和水穩(wěn)定性隨抗剝落劑摻量變化的強弱順序保持一致，且均在方案三時，即摻量為0.4%時，性能最佳.抗剝落能力和高溫穩(wěn)定性隨抗剝落劑摻量變化的強弱順序基本一致，隨摻量(0%～0.6%)增加，兩者性能也逐漸增強.綜合分析可知，抗剝落劑最佳摻量為0.4%.

由微觀表面能理論計算分析，可得出抗剝落劑(非胺類AMRII型)最佳摻量為0.4%，此時瀝青與集料的粘附性和抗剝落性能最佳.再由宏觀瀝青混合料試驗驗證，證明了表面能理論計算結(jié)果的正確性.

4結(jié)論

1) 由表面能理論從微觀機理上的計算分析，可初步判斷抗剝落劑(非胺類AMRII型)最佳摻量為0.4%，此時，瀝青與集料的粘附性能和抵抗水損害的能力最好.

2) 由表面能理論計算結(jié)果和瀝青混合料試驗結(jié)果比較分析，可知隨抗剝落劑(非胺類AMRII型)摻量的變化，粘附功和水穩(wěn)定性的變化規(guī)律保持一致，且均在摻量為0.4%時，性能最佳.表明：表面能理論可作為一種確定抗剝落劑最佳摻量的有效方法.

3) 由微觀表面能理論計算分析和宏觀瀝青混合料試驗驗證，證明了表面能理論計算結(jié)果的正確性.且微觀理論計算結(jié)果與宏觀試驗結(jié)果，相關(guān)性良好.表明：表面能理論能夠有效預(yù)測和評價瀝青混合料的路用性能.

參 考 文 獻

[1]張平,楊侶珍.基于表面能理論的瀝青與集料粘附及剝落機理分析[J].公路工程,2013,38(4):187-190.

[2]任滿倉.抗剝落劑對瀝青路用性能影響研究[D].西安:長安大學, 2012.

[3]周夢華.抗剝落劑對瀝青性能指標影響研究[J].福建建設(shè)科技,2013(5):35-37.

[4]王元元,凌天清,史朝輝.基于表面能的瀝青與集料粘附性研究[C].特種混凝土與瀝青混凝土新技術(shù)及工程應(yīng)用，2012.

[5]廖玉春,王元元,朱平.表面能理論評價瀝青與石料抗水毀性能的研究[J].公路工程,2013,38(3):222-225.

[6]周水文.基于表面能理論低溫瀝青混合料的抗凍性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2013.

[7]孫瑜，李立寒.基于表面能理論的瀝青混合料抗剝落性能研究[J].建筑材料學報，2014(2)：155-158.

[8]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.

[9]CHENG 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, 2006.

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

Investigation of the Optimum Content of Anti-stripping Agents of Asphalt Concrete Based on the Theory of Surface Free Energy

DENG ChongLUO RongCHEN XuanjieTU Chongzhi

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：Anti-stripping agents of asphalt concrete, the Gas Sorption method and the Wilhelmy Plate method are employed to measure the surface energy parameters of aggregates and asphalt binders that are obtained by modifying the 70# base binder with a certain content of anti-stripping agents, respectively. The relationship of the adhesion work and stripping work between the aggregates and binders are then analyzed in accordance with the surface energy measurements based on the surface free energy theory. Asphalt mixture specimens are fabricated using each type of modified binder mixed with the same gradation of aggregates so as to evaluate the effect of the content of anti-stripping agents on the water stability and high-temperature stability of asphalt mixtures through pavement performance tests. From a comprehensive perspective of microscopic theory and macroscopic tests, conclusions can be drawn that: the surface energy measurements agree well with the results of pavement performance tests in terms of the effect of anti-stripping agents content on the pavements performance; the optimum content of the selected anti-stripping agents in this study is determined as 0.4%.

Key words：road engineering; surface energy; asphalt mixture; road performance; anti-stripping agent; optimum content

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.025

中圖法分類號：U414.1

收稿日期：2016-01-25

鄧沖(1990- )：男，碩士，主要研究領(lǐng)域為道路與橋梁工程

*交通運輸部建設(shè)科技計劃項目資助(2014318J22120)