基于表面能的Sasobit溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能

閆建軍

(新疆筑路機(jī)械廠公路工程處，新疆　烏魯木齊　830021)

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基于表面能的Sasobit溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能

閆建軍

(新疆筑路機(jī)械廠公路工程處，新疆烏魯木齊830021)

為了研究Sasobit溫拌劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響，文章基于表面能理論，通過接觸角法測算了不同摻量下兩種不同瀝青的表面能，并利用柱狀燈芯技術(shù)計(jì)算了一種集料表面能，通過建立剝落功、粘附功模型計(jì)算了有水、無水條件下瀝青與集料粘附功、剝落功以及剝落功/粘附功之比，同時(shí)與凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明：Sasobit溫拌劑增大了瀝青的表面能，且在3%摻量范圍內(nèi)能夠較好地改善瀝青混合料的抗水損害性能，同時(shí)也證明了表面能理論在瀝青混合料水穩(wěn)定性評價(jià)方面的適用性。

瀝青混合料；水穩(wěn)定性能；表面能；Sasobit溫拌劑；粘附功；剝落功；凍融劈裂試驗(yàn)

0　引言

起源于20世紀(jì)90年代的溫拌瀝青混合料技術(shù)(WMA)，由于較傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料技術(shù)(HMA)可使混合料拌合和壓實(shí)溫度降低20 ℃～30 ℃而使其具有如下諸多優(yōu)勢[1]：(1)能源消耗大幅減少(達(dá)30%)；(2)有害氣體及瀝青煙排放減少；(3)高溫拌合壓實(shí)引起的瀝青老化作用減弱；(4)有效施工季節(jié)延長。然而同HMA一樣，WMA同樣面臨水損害這一難題。瀝青混合料水損害是指在水或凍融循環(huán)作用下瀝青從集料表面剝落的過程。有水條件下，由于水具有較低的黏度和表面張力，集料吸水速率將高于瀝青滲透速率。這樣水分由孔隙滲入混合料后瀝青與集料粘附力將顯著減小，同時(shí)瀝青內(nèi)部粘聚力也將由于水的滲入有所降低。最終即使集料被瀝青裹覆，水的滲透也將削弱二者之間的粘附作用進(jìn)而產(chǎn)生水損害降低混合料性能。

瀝青混合料的水損害主要是由瀝青與集料之間的粘附性能受到水的損害而引起，目前用于研究瀝青-集料界面粘附性的理論主要有：表面(自由)能理論、力學(xué)理論、化學(xué)反應(yīng)理論及分子定向理論等[1]。近年來表面能理論收到了越來越多研究者的關(guān)注。如肖慶一等[3]以潤濕吸附理論為基礎(chǔ)，研究了瀝青與礦料的粘附性與粘附力的內(nèi)在關(guān)系，分析了瀝青礦料表面潤濕性能對界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響，提出了以粘附功作為瀝青與礦料粘附性的表征指標(biāo)。劉亞敏等[4]測試了2種瀝青和2種集料的表面能參數(shù)，計(jì)算并歸納出粘附功與表面自由能的變化規(guī)律，分析了無水和有水情況下瀝青自身粘聚力變化及瀝青-集料粘附和剝落的趨勢。竇暉[5]建立了瀝青-水-集料三相體系的粘附模型，并對其粘附功進(jìn)行了計(jì)算。綜上可以發(fā)現(xiàn)，表面能理論作為有別于浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)等常規(guī)試驗(yàn)的一種能定量評價(jià)瀝青混合料抗水損害性能的新方法正在被廣泛應(yīng)用。但同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，以上研究對象均為熱拌瀝青混合料，對于應(yīng)用表面能理論評價(jià)溫拌瀝青以及溫拌混合料抗水損害性能的研究還較為缺乏。

本文基于表面能理論，對不同Sasobit溫拌劑摻量下兩種不同瀝青以及一種石灰?guī)r集料進(jìn)行表面能測試，同時(shí)還對兩種瀝青組成的瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，探討Sasobit溫拌劑對瀝青混合料抗水損害性能的影響。

1　材料表面能測試

研究采用Sasobit溫拌劑以及SK70基質(zhì)瀝青、SK70 SBS改性瀝青兩種瀝青，為方便標(biāo)記，將兩種瀝青分別簡寫為J(基質(zhì))、G(改性)，集料采用石灰?guī)r集料，瀝青與集料各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求在此不再贅列。

1.1瀝青表面能測試

對液體而言，其表面能(表面張力)容易測量，但固體表面能是非常困難的，至今為止還未找到一種能夠從實(shí)驗(yàn)上直接測量的可靠方法，但一般可采用溫度外推法、溶解熱法、拉力法、劈裂力法、接觸角法等來進(jìn)行估算[6]。其中接觸角法自Young方程提出以來由于其操作簡單、應(yīng)用廣泛已受到廣泛研究，本文采用接觸角法進(jìn)行瀝青表面能測試(如圖1所示)。

圖1　液滴在固體表面接觸角圖

通過測試3種表面能已知試液與瀝青表面形成的接觸角計(jì)算瀝青表面能。遵循試液應(yīng)不與瀝青反應(yīng)、不與瀝青互溶且試液須純凈無污染等原則，選擇蒸餾水、甘油、甲酰胺3種試液進(jìn)行測試，3種試液表面能及分量如表1所示。

表1　3種試液表面能及分量表

上表中：γLW——表面能極性分量；

γAB——表面能非極性分量；

γ+——Lewis酸性分量；

γ-——Lewis堿性分量。

其中，下標(biāo)L表示試液(liquid)。

瀝青與試液接觸角測試完成后，利用Youn-Dupre的簡化矩陣公式[式(1)]可以計(jì)算出瀝青的表面能及各分量值[7]。

(1)

式中：L1、L2、L3——分別表示蒸餾水、甘油、甲酰胺；

θ1、θ2、θ3——分別對應(yīng)3種試液與瀝青表面接觸角；

γa——瀝青表面能。

其余標(biāo)示含義與前文相同。

Sasobit溫拌劑產(chǎn)品說明建議其最佳摻量范圍為2%～4%，且最高摻量≤4%，為此試驗(yàn)采用2%、3%、4%三個(gè)摻量進(jìn)行瀝青表面能測試，相關(guān)測算結(jié)果如表2所示。

表2　不同摻量Sasobit溫拌瀝青表面能測試結(jié)果表

分析表2，可得到如下結(jié)論：

(1)兩種瀝青表面能分量中γ1LW均最大，總體而言γ1LW分量的大小決定著各瀝青試樣總的表面能大小，這可能是由于瀝青主要是由極性物質(zhì)組合而成。同時(shí)各試樣γ-——Lewis堿性分量顯著>Lewis酸性分量。

(2)隨著Sasobit摻量的增加兩種瀝青的γ1LW分量與表面總量能隨之增大，如圖2所示。由于Sasobit溫拌劑是一種通過Fischer-Tropsch(F-T、費(fèi)托)合成技術(shù)生產(chǎn)的長鏈脂肪族烴，也稱為FT固體石蠟、硬蠟，其熔點(diǎn)為99 ℃，在116 ℃時(shí)能與瀝青完全混融[8]，同時(shí)由于物質(zhì)表面能為物質(zhì)所特有的屬性，各摻量下瀝青表面能的變化說明此時(shí)瀝青性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生改變。

圖2　不同下?lián)搅縎asobit溫拌瀝青表面能曲線圖

(3)改性瀝青表面能值大于基質(zhì)瀝青，且在3%摻量后改性瀝青表面能增幅顯著小于基質(zhì)瀝青。從表面能定義考慮，表面能可以簡單理解為使物質(zhì)增加單位面積的新表面所需做的功，這是物質(zhì)內(nèi)部粘聚力的一種表體現(xiàn)，SBS顆粒加入后改善了瀝青內(nèi)部粘聚性能，增強(qiáng)了其粘聚力因此SBS改性瀝青表面能普遍>基質(zhì)瀝青。同時(shí)由于Sasobit溫拌劑與瀝青良好的互融性能，具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的Sasobit加入后在一定程度上也能增加瀝青的表面能。但3%摻量后改性瀝青表面能增幅減小可能是由于相較基質(zhì)瀝青改性瀝青表面能增加已達(dá)到臨界值，摻量過大將不會(huì)對改性瀝青產(chǎn)生較大影響。

1.2集料表面能測試

集料表面能測試采用柱狀燈芯技術(shù)完成[9]：

(1)將集料進(jìn)行破碎，過篩選取0.3～0.6 mm粒徑范圍集料[10]；

(2)將選取集料裝入內(nèi)徑3 mm標(biāo)準(zhǔn)移液管中(截取長度約10 cm)，輕輕搗實(shí)并將移液管置于內(nèi)徑約3 cm玻璃容器底部(如圖3所示)；

(3)量取1 ml試液(正己烷、三氯甲烷、甲苯、二碘甲烷)放于玻璃容器中，同時(shí)記錄浸漬高度X與時(shí)間t。

圖3　柱狀燈芯技術(shù)測試原理示意圖

相關(guān)步驟參照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行計(jì)算，石灰?guī)r集料計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　集料表面能計(jì)算結(jié)果表

2　模型計(jì)算

參照文獻(xiàn)[3]，瀝青與集料粘附功W以及有水條件下瀝青與集料剝落功Wwet計(jì)算模型如下所示：

(2)

(3)

式中：a——瀝青；

s——礦料，表面能分量表示同前文表述相同。

利用以上公式計(jì)算不同摻量下兩種瀝青與集料的粘附功、剝落功以及剝落功與粘附功的比值，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4　粘附功與剝落功計(jì)算匯總表

3　凍融劈裂試驗(yàn)

對兩種瀝青與試驗(yàn)用集料進(jìn)行混合料組成設(shè)計(jì)，并通過摻加不同摻量Sasobit溫拌劑進(jìn)行AC-13瀝青混合料馬歇爾試件制備。制備完成后進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)測試不同摻量下試件凍融劈裂強(qiáng)度比，測試結(jié)果如表5所示。

表5　不同Sasobit摻量下AC-13混合料TSR值表　(單位：%)

由表5可知：隨著Sasobit摻量的增加兩種瀝青混合料水穩(wěn)定性呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律?；|(zhì)瀝青混合料在低Sasobit摻量下(3%以下)水穩(wěn)定性隨Sasobit摻量的增加而增大，但當(dāng)Sasobit摻量達(dá)到4%時(shí)水穩(wěn)定性反而下降，而改性瀝青則一直增加。這是由于Sasobit摻量過大時(shí)使瀝青性質(zhì)發(fā)生突變，建議該瀝青混合S最佳摻量≤3%。

將混合料TSR值與剝落功/粘附功進(jìn)行對比分析(如圖4所示)。

圖4　TSR與剝落功/粘附功比相關(guān)性分析圖

由上圖可知：TSR值與剝落功/粘附功之比存在一定的相關(guān)性，特別是改性瀝青，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.868，說明應(yīng)用表面能方法利用剝落功/粘附功這一模型在一定程度上能夠較好地評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

4　結(jié)語

(1)Sasobit溫拌劑能夠增加瀝青的表面能，其中主要是增大了瀝青的γ1LW分量；且當(dāng)Sasobit溫拌劑摻量>3%時(shí)其對改性瀝青表面能影響減小。

(2)Sasobit溫拌劑在低摻量下(本研究基質(zhì)瀝青對應(yīng)3%)能夠增強(qiáng)基質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，摻量過大反而會(huì)對混合料水穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響；改性瀝青混合料水穩(wěn)定則隨Sasobit摻量增加而增強(qiáng)。

(3)應(yīng)用表面能方法并利用剝落功/粘附功這一模型在一定程度上能夠較好評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

(4)由于瀝青混合料抗水損害性能受級配、最佳瀝青用量以及混合料各體積參數(shù)的影響較大，限于條件本文暫未進(jìn)行混合料抗水損害性能相關(guān)試驗(yàn)分析，建議有條件研究者綜合考慮以上各因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，以完善表面能理論在瀝青以及混合料抗水損害性能方面的研究。

(5)文中對AC-13混合料進(jìn)行了凍融劈裂試驗(yàn)，試件經(jīng)過一次凍融處理，而瀝青路面實(shí)際使用過程中則是多次凍融循環(huán)的過程，建議今后研究者可以進(jìn)行多次凍融循環(huán)條件下的研究，以更好地模擬Sasobit溫拌瀝青路面實(shí)際使用狀況，更加全面地評價(jià)Sasobit溫拌劑對瀝青混合料抗水損害性能的影響。

[1]程一鳴.溫拌瀝青混合料應(yīng)用研究及節(jié)能減排效益分析[J].中外公路，2014，34(1)：314-318.

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[5]竇暉.基于表面能理論的溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性研究[D]：蘭州：蘭州交通大學(xué)，2012.

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[7]左鋒，葉奮.國外溫拌瀝青混合料技術(shù)與性能評價(jià)[J].中外公路，2007，27(6)：164-168.

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[9]劉亞敏.SMA混合料水穩(wěn)定性研究[D]：西安：長安大學(xué)，2008.

Water Stability of Sasobit Warm-mix Asphalt Mixtures Based on Surface Energy

YAN Jian-jun

(Highway Engineering Department of Xinjiang Road Construction Machinery Plant，Urumqi，Xinjiang，830021)

In order to study the impact of Sasobit warm-mix agent on the water stability performance of asphalt mixtures，based on the surface energy theory，and through the contact angle method，this article measured the surface energy of two different asphalts at different mixing contents，and calculated the surface energy of an aggregate by using the cylindrical wick technology，then through the establishment of peeling work and adhesion work model，it calculated the adhesion work，peeling work，as well as peeling work/adhesion work ratio of asphalt and aggregate under water and no water conditions，while comparing with freeze-thaw splitting test results.The results showed that：Sasobit warm-mix asphalt agent increased the surface energy of asphalt，and within the range of 3%，it can better improve the water damage resistance performance of asphalt mixture，and it also proved the applicability of surface energy theory in the water stability evaluation of asphalt mixtures.

Asphalt mixtures；Water stability；Surface energy；Sasobit warm-mix agents；Adhesion work；Peeling work；Freeze-thaw splitting test

U416.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.007

1673-4874(2016)08-0026-05

2016-06-15

閆建軍(1969—)，工程師，研究方向：公路施工技術(shù)及管理。