基于表面能理論分析pH值對瀝青混合料粘附性的影響*

曾 哲 羅 蓉 張德潤 劉 彬 陳 輝

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

基于表面能理論分析pH值對瀝青混合料粘附性的影響*

曾 哲 羅 蓉 張德潤 劉 彬 陳 輝

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

為探究水溶液的pH值對瀝青-集料粘附性的影響，以5種不同酸堿性的水溶液為試驗樣品，采用鉑金板法分別測試在20 ℃時的表面能值，并基于表面能理論分別計算70#瀝青-輝綠巖-水溶液和70#瀝青-石灰?guī)r-水溶液的三相體系粘附功，同時比較這2種組合的水穩(wěn)定性指標(biāo)ER隨水溶液pH值的變化情況.結(jié)果表明，隨著水溶液pH值的增大，瀝青混合料三相粘附功的絕對值會減小，ER指標(biāo)會增大，說明瀝青混合料的粘附性和水穩(wěn)定性隨著水溶液pH值的增大會變得越來越好.使用水煮法對表面能計算結(jié)果進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)瀝青膜的剝落面積隨水溶液pH值的增大而減小，這與ER指標(biāo)表征的規(guī)律相同.

道路工程；粘附性；表面能；pH值；瀝青混合料

0 引 言

在以“就地取材”為原則、以瀝青和集料粘附性能為基礎(chǔ)的瀝青混合料設(shè)計過程中，保持和增強瀝青-集料的粘附能力是形成瀝青混合料強度的先決條件.如果瀝青-集料的粘附性能不佳，在溫濕耦合及車輛荷載的作用下，瀝青會逐漸從集料表面剝離，導(dǎo)致瀝青混合料喪失粘結(jié)力并進(jìn)一步使得瀝青路面出現(xiàn)松散、坑槽、掉粒、龜裂及唧漿等水損害現(xiàn)象[1].

水損害產(chǎn)生的本質(zhì)原因是：相比于瀝青而言，集料與水的親和性更強，因此瀝青混合料在有水存在的條件下，水分子傾向于剝離和替換集料表面的瀝青，從而造成瀝青混合料的粘附性降低[2].已有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)瀝青被剝離時，水溶液能夠以擴散的方式穿透瀝青薄膜聚集到集料表面，進(jìn)一步與集料發(fā)生吸附反應(yīng)作用，此時集料會有選擇性地吸收瀝青中的部分成分，導(dǎo)致水溶液的酸堿性和pH值發(fā)生改變，而這種改變又將反作用于瀝青混合料的粘附性，進(jìn)一步加劇或者延緩水損害程度.同時，我國又是酸雨(pH值小于5.6的大氣降水)形勢較嚴(yán)峻的國家，2015年統(tǒng)計顯示：全國降水pH年均值范圍在4.2～8.2之間，其中出現(xiàn)酸雨的城市比例為40.4%[3].大量的酸性雨水直接浸入瀝青路面結(jié)構(gòu)中，對水損害的促進(jìn)作用不僅表現(xiàn)在車輛荷載作用下的水力沖刷，還有酸性雨水中的化學(xué)成分對瀝青混合料的腐蝕作用[4-5].因此，在道路工程中考慮提升瀝青混合料的粘附性能和水穩(wěn)定性能時，水溶液的pH值是不可忽略的重要影響因素.

為了探究pH值對瀝青-集料粘附性的影響性，文中將選用典型的酸堿性材料，將其制備成pH值不同的水溶液或者懸濁液，采用鉑金板法測試它們在20 ℃下的表面能參數(shù).同時在瀝青-集料-水三相體系狀態(tài)下，應(yīng)用表面能理論計算分析瀝青混合料的粘附能，并通過對比ER指標(biāo)衡量其對應(yīng)的水穩(wěn)定性好壞.

1 粘附性與表面能理論

表面能理論是當(dāng)前國際上先進(jìn)的評價瀝青-集料粘附特性的方法，相比于傳統(tǒng)的水煮法，表面能理論的優(yōu)勢是可以準(zhǔn)確量化瀝青混合料的粘附性能，并且它受人為主觀因素的影響較小[6-7].表面能的基本定義是：在一定溫度及壓強下使體積增加單位表面積時外界對物體所做的功，常用單位為erg/cm2.通過測試瀝青和集料的表面能參數(shù)，可以計算出破壞瀝青自身內(nèi)聚能所需做的功(內(nèi)聚功)、破壞瀝青混合料的粘附能所需做的功(粘附功)以及瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標(biāo)ER[8]，從而可以達(dá)到定量評價瀝青-集料粘附特性的目的.

使用Good參數(shù)可以表示瀝青自身的內(nèi)聚功和瀝青-集料間的粘附功，即

(1)

(2)

在有水存在的條件下，將各粘附功代入熱力學(xué)平衡方程(見式(3))，可得到三相體系下的粘附功表達(dá)式，見式(4).

(3)

瀝青混合料的水穩(wěn)定性可采用ER1和ER2指標(biāo)進(jìn)行表征.通常情況下，ER1和ER2的值越大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性越好.

(5)

(6)

2 鉑金板法測試表面能原理

測試不同pH值溶液或懸濁液的表面能參數(shù)采用的是鉑金板法，其原理見圖1.由于鉑金板能夠完全潤濕液體(即二者接觸界面形成的接觸角為0°)，因此通過記錄鉑金板浸入液體試劑瞬間的受力差值，再結(jié)合鉑金板的受力平衡方程即可計算出待測液體的表面能值.

圖1 鉑金板測試溶液表面能的原理圖

鉑金板在空氣中的受力狀態(tài)見式(7)，此時它受到自身的重力和空氣浮力；鉑金板浸入液體的臨界受力狀態(tài)(此時浸入深度h=0)見式(8)，此時除了重力和空氣浮力外，它還將受到液體表面張力的作用.聯(lián)立式(7)和(8)可求解表面張力的大小，見式(9).

(7)

(8)

(9)

式中：F1為空氣中鉑金板所受的合力；F2為浸入液體時鉑金板所受的臨界合力；Wplate為鉑金板的重力；V為鉑金板的體積；ρair為空氣的密度；g為重力加速度；a為鉑金板的寬度；b為鉑金板的厚度.

3 試驗材料與過程

3.1 試驗材料

試驗選用蒸餾水、醋酸、氧化鈣和pH值分別為4.00及9.18的緩沖液，在20 ℃常濕條件下將它們配制成500 mL的溶液或懸濁液；選用一種70#基質(zhì)瀝青，采用插板法測定其表面能為20.57 erg/cm2，同時選用輝綠巖和石灰?guī)r2種集料，采用蒸汽吸附法分別測定其表面能為87.24 erg/cm2和120.55 erg/cm2.

3.2 測試液體的pH值

將配制的溶液或懸濁液放置在恒溫恒濕箱中，溫度設(shè)定為20 ℃，每隔24 h使用pH計測試一次液體的pH值.測試時需將pH計的探頭完全浸入到液體液面中，當(dāng)觀察到pH值趨于穩(wěn)定后，記錄液體的pH示數(shù).

3.3 測試液體的表面能

開啟表面張力儀，設(shè)定水浴裝置的溫度為20 ℃.將鉑金板固定到表面張力儀上，同時將待測液體放置在表面張力儀的腔體中.調(diào)整鉑金板與液體的位置使得兩者間距較小，然后啟動測試，隨著儀器內(nèi)部平衡系統(tǒng)的調(diào)控，鉑金板會逐漸與液面接近，并在兩者接觸的瞬間測試出液體的表面張力值，待測試完畢后重復(fù)該過程5次并記錄結(jié)果的平均值.

3.4 水煮法試驗

為了驗證表面能計算結(jié)果，同時觀察瀝青混合料粘附性隨水溶液pH的變化情況，文中以石灰?guī)r、輝綠巖和70#基質(zhì)瀝青為樣品，以pH值分別為2.87,7.11和12.57的醋酸溶液、蒸餾水和氫氧化鈣懸濁液為加熱液體，對樣品進(jìn)行瀝青混合料試驗規(guī)程中的水煮法試驗，見圖2.

圖2 水煮法試驗過程

首先選取粒徑在13.2～19 mm的規(guī)則石灰?guī)r和輝綠巖各15顆，逐個用細(xì)線系牢，洗凈并置于105 ℃的烘箱中烘干，將瀝青放置在145 ℃的烘箱中加熱使其呈流動狀態(tài).然后將集料顆粒浸入受熱的瀝青中使其表面完全被瀝青膜裹覆，并在室溫下冷卻15 min，再將集料浸入盛有沸水的燒杯里，在微沸狀態(tài)下浸煮3 min.最后取出集料顆粒，放入盛有常溫水的燒杯里，在水中觀察顆粒上瀝青膜的剝落程度并評定粘附性等級.

4 試驗結(jié)果與討論

4.1 不同pH值液體的表面能

選用的5種溶液(或懸濁液)pH值的變化情況見圖3，時間達(dá)到24 h后pH值基本趨于穩(wěn)定.待液體的pH值穩(wěn)定后，測試表面能值結(jié)果見表1.氫氧化鈣懸濁液表面能值最大，醋酸配制的溶液表面能值最小，且pH與表面能的關(guān)系為：隨著液體的pH值增大，其對應(yīng)的表面能呈現(xiàn)增大的趨勢.

圖3 液體的pH值隨時間的變化情況

名稱pH值表面能γ/(erg·cm-2)氫氧化鈣懸濁液12.5774.139.18緩沖液9.1873.88蒸餾水7.1173.774.00緩沖液3.9973.58醋酸溶液2.8760.96

4.2 粘附功與ER指標(biāo)的計算

以輝綠巖、石灰?guī)r和70#瀝青為樣品，在瀝青混合料的三相體系狀態(tài)下，通過式(4)分別計算70#瀝青-輝綠巖-水溶液和70#瀝青-石灰?guī)r-水溶液的粘附功，再通過式(5)和(6)分別計算ER1和ER2指標(biāo)，結(jié)果見表2.隨著pH值的增大，輝綠巖、石灰?guī)r與70#瀝青的粘附功絕對值都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這說明在有水存在的條件下，pH值越大，集料表面的瀝青越不容易被水溶液剝落和替換.而ER1和ER2指標(biāo)隨著pH值的增大呈現(xiàn)增大的趨勢，說明輝綠巖和石灰?guī)r對應(yīng)的瀝青混合料水穩(wěn)定性都變得越來越好.同時也可由表中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相比于石灰?guī)r瀝青混合料，輝綠巖瀝青混合料的ER指標(biāo)隨pH值變化的幅度更明顯，說明水溶液的pH值對該類瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響更大.

表2 粘附功與ER指標(biāo)的計算

4.3 水煮法試驗結(jié)果

水煮法得到的瀝青混合料粘附等級見表3，兩類瀝青混合料的粘附性等級都至少為4級，說明它們的粘附狀態(tài)較好，且隨著液體pH值的增大，瀝青混合料的粘附性等級呈現(xiàn)增大的趨勢.

表3 瀝青混合料的粘附性等級

雖然表3中存在不同pH液體對應(yīng)瀝青混合料的粘附等級相同的情況，但仍然可以從試驗現(xiàn)象中比較出瀝青膜剝落情況的大小.以石灰?guī)r為例，3種液體浸煮過石灰?guī)r后的現(xiàn)象見圖4，液體表面上漂浮的黑色物質(zhì)即為剝落的瀝青膜，可觀察到隨著液體pH值的增大，集料浸煮后表面剝落的瀝青膜越少，反映出瀝青混合料對應(yīng)3種液體時呈現(xiàn)的粘附性大小關(guān)系為：氫氧化鈣懸濁液>蒸餾水>醋酸溶液，這與表面能理論定量計算的結(jié)果是一致的.

圖4 瀝青膜在不同pH值液體中的剝落情況

5 結(jié) 論

1) 采用鉑金板法測試不同pH值的液體表面能，發(fā)現(xiàn)隨著pH值的增大，液體對應(yīng)的表面能呈現(xiàn)增大的趨勢.

2) 計算70#瀝青-輝綠巖-水溶液和70#瀝青-石灰?guī)r-水溶液的粘附功和ER指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)隨著水溶液pH值的增大，粘附功絕對值逐漸減小，ER指標(biāo)逐漸增大，說明瀝青混合料水穩(wěn)定性變得越來越好.

3) 采用水煮法試驗評定瀝青混合料的粘附等級，發(fā)現(xiàn)隨著水溶液pH值的增大，瀝青混合料在水溶液中剝落的瀝青膜越少，且粘附性等級呈現(xiàn)增大的趨勢，驗證了表面能理論的計算結(jié)果.

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Evaluating the Influence of pH Value on Adhesive Property of Asphalt Mixture Based on Surface Energy Theory

ZENG Zhe LUO Rong ZHANG Derun LIU Bin CHEN Hui

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

In order to investigate the influence of water’s pH value on asphalt-aggregate, 5 different acidic liquids are prepared as the test samples and the platinum plate is used to measure their surface energies. Then the adhesive work based on the surface energy theory is calculated for 70# asphalt binder-diabase-liquid and 70# asphalt binder-limestone-liquid, respectively. At the same time, the ER index which can be used for evaluating asphalt mixture’s water stability is analyzed for each combination. The results show that the absolute value of asphalt mixture’s adhesive work will decrease and the ER index will increase with the increase of liquid’s pH value, which indicates that the adhesive property and water stability of asphalt mixture will become better with the increase of liquid’s pH value. The water-boiling test has been employed to validate the results as well and it shows that the stripped asphalt film will decrease with the increase of liquid’s pH value, which leads to the same conclusion as ER index.

road engineering; adhesive property; surface energy; pH value; asphalt mixture

2016-10-16

*交通運輸部建設(shè)科技基金項目資助(2014318J22120)

U414.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.026

曾哲(1994—)：男，碩士，主要研究領(lǐng)域為道路工程