基于接觸角方法瀝青與石料粘附特性及路用性能研究

王金鳳,李曉民,張國宏,,韓慶奎,高 峰,魏定邦

(1.中海油氣開發(fā)利用公司，北京 100025;2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院有限責任公司， 蘭州 730030;3.甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術(shù)研究院有限公司，蘭州 730203;4.蘭州交通大學，蘭州 730070)

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基于接觸角方法瀝青與石料粘附特性及路用性能研究

王金鳳1,李曉民2,張國宏2,3,韓慶奎3,4,高 峰1,魏定邦3

(1.中海油氣開發(fā)利用公司，北京 100025;2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院有限責任公司， 蘭州 730030;3.甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術(shù)研究院有限公司，蘭州 730203;4.蘭州交通大學，蘭州 730070)

瀝青-石料粘附失效產(chǎn)生的病害，如松散、脫粒、麻面、坑槽等，致使瀝青路面使用性能下降，危及行車安全，基于表面自由能理論的躺滴法作為接觸角法中評價瀝青-石料粘附性的試驗方法，因其操作簡單、定量評價、人為誤差小等特點，成為了近年來研究評價瀝青-石料粘附性的熱點。本文采用躺滴法，以西北地區(qū)三種品牌瀝青與甘肅省七種石料作為研究對象，利用水煮法、躺滴法評價瀝青-石料粘附性與AASHTO T283評價瀝青混合料水穩(wěn)定性進行對比分析，結(jié)果表明，水煮法定性評價瀝青-石料粘附等級、接觸角法定量評價瀝青-石料粘附功與AASHTO T283評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的凍融劈裂強度比(TSR)的決定系數(shù)分別為0.1956、0.2731、0.4793，0.8179、0.7173、0.7997，說明接觸角法粘附功定量評價瀝青-石料粘附性能夠較為準確的評價瀝青混合料水穩(wěn)定性；同時三種瀝青的粘附能力依次為C>B≥A，七種石料的粘附能力依次為平?jīng)錾蠗钍規(guī)r>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖>東樂石灰?guī)r>永登玄武巖>出卜拉溝玄武巖>定西花崗巖。

接觸角法； 瀝青-石料粘附性； 路用性能； 評價方法

1 引 言

近年來，由于瀝青-石料粘附失效所產(chǎn)生的病害，不僅發(fā)生在潮濕多雨地區(qū)，在少雨干旱地區(qū)由于瀝青的老化致使瀝青-石料粘附失效產(chǎn)生的病害也廣泛存在，如脫粒、松散、松散等。國內(nèi)外對瀝青-石料粘附性的研究，基本上基于以下六種理論：力學理論、化學反應理論、表面能理論、表面構(gòu)造理論、分子定向理論和靜電理論。在以上六種理論基礎上，衍生出諸多試驗方法來評價瀝青-石料粘附性。

國外ASTM D 4541“Pull-off Strength of Coatings using Portable Adhesion Testers”可用來確定涂料與金屬基層之間的粘附力的強度，國內(nèi)的魏建明[1]博士受此啟發(fā)，采用類似的儀器與方法，將涂層換為瀝青或者瀝青膠漿，金屬基層使用石料代替，采用力學手段研究瀝青與石料間的粘附強度；Leopoldo[2]等通過化學試驗表明，石料與瀝青中腐殖酸反應產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物使瀝青-石料具有了粘附性，且在酸性條件下，產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物疏水，而在中性和堿性條件下則不疏水。此外Curti[3]調(diào)查了瀝青和石料界面交互作用，結(jié)果表明瀝青和石料的交互作用取決于石料的化學成分，瀝青的化學成分也影響其之間的相互作用，但遠低于石料的作用；Elphingstone[4]的研究結(jié)果表明，混合料的疲勞和抗水損害性能可以通過表面自由能的計算來預測，并且指出石料的性質(zhì)極大地影響著瀝青-石料的粘附過程，同時瀝青的影響較?。粡埿嶽5]等利用激光三角測量技術(shù)微距測量系統(tǒng)對不同表面構(gòu)造的石料進行分形維數(shù)測定，分形維數(shù)越大，表面結(jié)構(gòu)越復雜，以此來選取石料，可提高路面抗滑性能和瀝青-石料粘附性；Perry[6]認為瀝青與石料之間的粘附性，主要是由于瀝青中的極性分子與石料表面的極性分子定向吸附形成的，他從分子的極性方面闡述了瀝青-石料粘附的機理，并提出了物理吸附與化學吸附的概念。嚴家伋[7]認為當瀝青與石料接觸時，瀝青-石料體系形成雙電層而產(chǎn)生靜電引力。它可以看作一個電容器由于兩種不同的物質(zhì)接觸而充電，界面的作用力就是雙電層之間的作用力。例如某些膠粘劑從被粘物上剝離時有明顯電荷的存在便是對該理論的有力證明。在室內(nèi)試驗與現(xiàn)場實際中，國內(nèi)外常用水煮法-簡單、快速評價瀝青-石料粘附等級的一種方法，但由于要求“微沸”的試驗條件，水煮后取出石料產(chǎn)生的“二次污染”以及人為定性觀測評級，致使所得結(jié)果精準性差，重現(xiàn)性不高。因此，選取一種簡單可靠且適合甘肅省定量評價瀝青-石料粘附性的評價方法具有十分重要的意義。

躺滴法(Sessile Drop Method)是利用光學手段測量接觸角的一種方法，此方法可評估固體表面局部區(qū)域的潤濕情況。實驗時，可直接測量介于液滴基線和液/固/氣三相接觸點處的液/固界面切線間的角度，即接觸角。本文采用躺滴法，選取甘肅省常用三種瀝青、七種石料，進行接觸角試驗，計算瀝青-石料粘附功，利用AASHTO T283標準水損害評價方法進行驗證試驗，所得的凍融劈裂強度比(TSR)分別與水煮法定性評價瀝青-石料粘附等級、接觸角法定量評價瀝青-石料粘附功進行相關(guān)性分析，比較兩種評價方法與路用性能的線性關(guān)系，并將甘肅省常用三種瀝青、七種石料進行粘附性優(yōu)異程度排序。

2 實 驗

2.1 原材料

試驗選擇甘肅省常用七種石料作為研究對象。分別為玄武巖(黑山湖、永登、出卜拉溝)、石灰?guī)r(東樂、平?jīng)錾蠗?、蛇紋巖(玉石灣)、花崗巖(定西)。相關(guān)石料特性如表1所示。

表1 石料特性Tab.1 Characteristics of stones

瀝青選用甘肅省常用三種瀝青A、B、C，瀝青特性、紅外光譜對比、SEM元素相對含量等數(shù)據(jù)如表2、3以及圖1、2所示。

表2 瀝青特性Tab.2 Characteristics of asphalt

表3 不同品牌瀝青元素相對含量Tab.3 Different brands of asphalt element relative content

圖1 三種瀝青紅外光譜對比圖Fig.1 Three kinds of asphalt infrared spectrum comparison chart

2.2 試驗方法

水煮法和AASHTO T283水損害試驗方法分別采用規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E-20-2011)和《高性能瀝青路面(Superpave)基礎參考手冊》。許濤等[8]對比浸水馬歇爾、凍融劈裂、AASHTO T283(改進的洛特曼法)三種瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗，結(jié)果表明AASHTO T283(改進的洛特曼法)比較真實模擬現(xiàn)場實際(如施工過程中的短期老化，路面的碾壓，揉搓 成型方式以及早期空隙率；多次凍融條件下，溫度脹縮作用和瀝青乳化對瀝青混合料的影響)，是目前國際上最嚴格、最有效的評價方法。三種瀝青-七種石料組成的21種瀝青混合料級配設計曲線圖如3所示。

接觸角法包括躺滴法[9]、Wilhelmy吊片法[10]以及毛細管上升法(燈芯法)[11-13]。躺滴法試驗時，首先將加熱呈液態(tài)瀝青注入微量注射器中，將微量注射器安裝在接觸角儀推進器上，打開高溫加熱控制裝置，使瀝青溫度保持163 ℃融化狀態(tài)下3 min，然后定量滴落在石料表面，最后通過圖像分析軟件分析瀝青在石料表面的形狀，獲取瀝青-石料的接觸角，通過粘附功本構(gòu)方程計算瀝青-石料粘附功。Murat[14]等利用躺滴法與Wilhelmy吊片法和萬能吸附裝置測量接觸角進行對比，結(jié)果表明：躺滴法是一種較為客觀精確的測量接觸角的方法。

圖2 B瀝青SEM圖(a)及元素相對含量示意圖(b)Fig.2 SEM schematic image (a) and elements relative content (b) of B bitumen

3 結(jié)果與討論

3.1 水煮法定性評價瀝青-石料粘附等級

利用水煮法，人為定性評價三種瀝青與七種石料的粘附等級，所得結(jié)果如圖4所示。

圖3 21種瀝青混合料級配設計曲線圖Fig.3 21 kinds of asphalt mixture gradation design graphs

圖4 三種瀝青-七種石料粘附等級Fig.4 Three kinds of asphalt-seven kinds of stone adhered rating

結(jié)果表明，瀝青的粘附優(yōu)異等級分別為C>B≥A，石料的粘附優(yōu)異等級分別為平?jīng)錾蠗钍規(guī)r=東樂石灰?guī)r=出卜拉溝玄武巖>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖=永登玄武巖>定西花崗巖。

3.2 接觸角法定量評價瀝青-石料粘附功

利用躺滴法，測量三種瀝青與七種石料的接觸角，計算粘附功定量評價瀝青-石料粘附性，所得結(jié)果如圖4所示。

表4 三種瀝青-七種石料接觸角及粘附功Tab.4 Three kinds of asphalt-seven kinds of stones contact angle and adhesion work

圖5 三種瀝青-七種石料粘附功對比圖Fig.5 Comparison chart of three kinds of asphalt-seven kinds of stone adhesion work

由表4和圖5可知，同種瀝青下，七種石料的粘附功大小依次為平?jīng)錾蠗钍規(guī)r>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖>東樂石灰?guī)r>永登玄武巖>出卜拉溝玄武巖>定西花崗巖。同種石料下，三種瀝青的粘附功大小依次為C>B≥A。

3.3 水穩(wěn)定性

依據(jù)瀝青混合料AASHTO T283水穩(wěn)定性試驗方法對七種石料、三種瀝青進行水穩(wěn)定性試驗，凍融劈裂強度比(TSR)值如表5所示。

同種瀝青，不同種石料橫向比較水穩(wěn)定性，由好到壞的趨勢為平?jīng)鍪規(guī)r>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖>永登玄武巖>東樂石灰?guī)r>出不拉溝玄武巖>定西花崗巖；同種石料，不同種瀝青縱向比較瀝青抵抗水損害能力大小趨勢為C>B>A。

表5 三種瀝青-七種石料凍融劈裂強度比(TSR)Tab.5 Three kinds of asphalt-seven kinds of stone thaw splitting strength ratio (TSR)

注：TSR單位%

3.4 相關(guān)性分析

利用水煮法定性評價瀝青-石料粘附等級、接觸角法定量評價瀝青-石料粘附功分別與AASHTO T283評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的凍融劈裂強度比(TSR)進行相關(guān)性分析，所得決定系數(shù)R2如圖6～8所示。

圖6 A瀝青-七種石料粘附等級(a)、粘附功(b)與TSR線性相關(guān)性Fig.6 Linear correlation of A asphalt-seven kinds of stone adhesion level (a), adhesion work (b) with TSR

圖7 B瀝青-七種石料粘附等級(a)、粘附功(b)與TSR線性相關(guān)性Fig.7 Linear correlation of B asphalt-seven kinds of stone adhesion level (a), adhesion work (b) with TSR

圖8 C瀝青-七種石料粘附等級(a)、粘附功(b)與TSR線性相關(guān)性Fig.8 Linear correlation of C asphalt-seven kinds of stone adhesion level (a), adhesion work (b) with TSR

如圖6～8所示，水煮法定性評價瀝青-石料粘附等級，三種瀝青-七種石料凍融劈裂強度比(TSR)的線性關(guān)系決定系數(shù)R2分別為0.1956、0.2731、0.4793，R2值較小，說明水煮法定性評價瀝青-石料粘附等級不能準確的評價瀝青混合料水穩(wěn)定性；接觸角法所得粘附功定量的評價了瀝青-石料粘附特性，粘附功與瀝青混合料凍融劈裂強度比(TSR)的線性關(guān)系決定系數(shù)R2值分別為0.8179、0.7173、0.7997，說明接觸角法粘附功定量評價瀝青-石料粘附性能夠較為準確的評價瀝青混合料水穩(wěn)定性，接觸法對于研究瀝青-石料粘附性和瀝青混合料路用性能更具有參考價值。

4 結(jié) 論

(1)水煮法粘附等級定性評價瀝青-石料粘附性，瀝青的粘附優(yōu)異等級分別為C>B≥A，石料的粘附優(yōu)異等級分別為平?jīng)錾蠗钍規(guī)r=東樂石灰?guī)r=出卜拉溝玄武巖>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖=永登玄武巖>定西花崗巖；

(2)接觸角法粘附功定量評價瀝青-石料粘附性，同種石料下，三種瀝青的粘附功大小依次為C>B≥A，同種瀝青下，七種石料的粘附功大小依次為平?jīng)錾蠗钍規(guī)r>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖>東樂石灰?guī)r>永登玄武巖>出卜拉溝玄武巖>定西花崗巖；

(3)AASHTO T283試驗方法TSR評價瀝青混合料水穩(wěn)定性，同種石料，不同種瀝青縱向比較瀝青抵抗水損害能力大小趨勢為C>B>A，同種瀝青，不同種石料橫向比較水穩(wěn)定性，由好到壞的趨勢為平?jīng)鍪規(guī)r>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖>永登玄武巖>東樂石灰?guī)r>出不拉溝玄武巖>定西花崗巖；

(4)水煮法定性評價瀝青-石料粘附等級、接觸角法定量評價瀝青-石料粘附功分別與AASHTO T283評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的凍融劈裂強度比(TSR)的決定系數(shù)分別為0.1956、0.2731、0.4793，0.8179、0.7173、0.7997，說明接觸角法粘附功定量評價瀝青-石料粘附性能夠較為準確的評價瀝青混合料水穩(wěn)定性，接觸法對于研究瀝青-石料粘附性和瀝青混合料路用性能更具有參考價值。

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Adhesion Properties of Asphalt-stone and Road Performance Based on Contact Angle Method

WANGJin-feng1,LIXiao-min2,ZHANGGuo-hong2,3,HANQing-kui3,4,GAOFeng1,WEIDing-bang3

(1.Offshore Oil & Gas Development & Utilization Company,Beijing 100025,China;2.Gansu Province Transportation Planning Survey and Design Institute Co. Ltd,Lanzhou 730030,China;3.Gansu Changlong Institute of Highway Maintenance Technology Ltd,Lanzhou 730203,China;4.Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Diseases, such as loose, threshing, pockmarked face, pits, etc., because of asphalt-stone adhesion failure, can decline the usability of asphalt pavement endanger traffic safety. The surface free energy based on the theory of sessile drop method as the contact angle method in the evaluation of asphalt-stone adhesion test method, because of its simple, quantitative evaluation, small human error and other features, has become a recent research hot spots to evaluate the asphalt-stone adhesive properties. In this paper, sessile drop method as the test method, three brands asphalts in the Northwest Territories and seven kinds of typical stones in Gansu Province as the research object. Water cooking method and sessile drop method assess asphalt-stone adhesion, meanwhile AASHTO T283 method assess water stability of asphalt mixture. The results showed that water cooking method-qualitatively evaluate adhesion levels asphalt-stone, the contact angle method-quantitatively evaluate adhesion work of asphalt-stone, with AASHTO T283-evaluate freeze-thaw splitting strength ratio (TSR) about water stability of asphalt mixture their determine coefficients are 0.1956,0.2731,0.4793,0.8179,0.7173,0.7997, respectively. Therefore, the contact angle method evaluates quantitatively adhesion work of asphalt-stone can be more accurate evaluation on water stability of asphalt mixture; Simultaneously three asphalt adhesion ability order was C> B≥A, seven stone adhesion ability on the order of Pingliang Shangyang limestone> Jade Bay serpentinite> Black Lake basalt> Dongle limestone> Yongdeng basalt> Chubolagou basalt > Dingxi granite .

contact angle method;asphalt-stone adhesion;road performance;evaluation methods

王金鳳(1966-)，女，正高級工程師.主要從事道路材料與養(yǎng)護技術(shù)研究.

張國宏，工學博士，高級工程師.

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2389-07