基于黏附理論的TLA中灰分填料改性作用定量分析

孔令云，代 笠，莫石秀，羅雅丹

(1.重慶交通大學(xué)，交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 重慶 400074；2.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510635)

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基于黏附理論的TLA中灰分填料改性作用定量分析

孔令云1，代 笠1，莫石秀2，羅雅丹1

(1.重慶交通大學(xué)，交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 重慶 400074；2.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510635)

為了研究湖瀝青中灰分的改性機(jī)理與改性效果，分析了瀝青及集料的表界面參數(shù)、瀝青膠漿體系的黏附功以及高溫車轍因子等幾個(gè)影響因素。得出以下結(jié)果：粉體的比表面積與其粒徑成負(fù)相關(guān)的趨勢；粉體的表面能參數(shù)和粉體瀝青膠漿的黏附功都隨粉體粒徑的減小而減小；在粉膠比相同的條件下，瀝青膠漿體系中粉體的黏附功與比表面積是相關(guān)的。在此基礎(chǔ)上，得出結(jié)論：用比黏附功來評(píng)價(jià)瀝青膠漿體系的比黏附功更加科學(xué)；湖瀝青中灰分對(duì)基質(zhì)瀝青的改性作用相對(duì)比較復(fù)雜，已探知的改性機(jī)理主要是通過其較大的比表面積、較高的比黏附功來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)該部分的改性作用約占灰分對(duì)基質(zhì)瀝青改性作用的15%，另外85%的改性作用的機(jī)理尚待深入研究。

道路工程；湖瀝青；灰分；填料作用；改性作用；比黏附功

0 引 言

因天然瀝青作為瀝青的改性劑可避免出現(xiàn)改性劑與基質(zhì)瀝青相容性的問題，因而近年來天然瀝青在道路工程中得到了較為廣泛的認(rèn)可。特立尼達(dá)湖瀝青(Trinidad Lake asphalt，簡寫為TLA)作為天然瀝青中的一種，因其穩(wěn)定的性能，在道路工程中的應(yīng)用越來越廣泛，如廣東佛山市一環(huán)城際快速干線東線、開陽高速公路、北京二環(huán)路及三環(huán)、廣東汕揭高速等工程中均采用了TLA改性瀝青。目前對(duì)TLA改性瀝青的研究，主要是針對(duì)其路用性能方面展開，如文獻(xiàn)[1-10]。研究表明，TLA改性瀝青相對(duì)SBS等改性瀝青具有更為出色的路用性能：耐老化、耐高溫、抗水損害、黏附性強(qiáng)等。關(guān)于TLA改性機(jī)理的研究，主要是通過微觀觀測的手段實(shí)現(xiàn)的，如張恒龍等[1]通過原子力顯微鏡(AFM)探討了TLA對(duì)基質(zhì)瀝青的改性機(jī)理。研究指出：TLA的加入改變了基質(zhì)瀝青中的瀝青質(zhì)與其他組分的相互作用，瀝青中以瀝青質(zhì)為核心的分散相表現(xiàn)出明顯的締合作用，從而提高了體系的剛性，使得改性瀝青的軟化點(diǎn)、黏度等性能得到了顯著的提高。查旭東等[2- 4]對(duì)湖瀝青中灰分本身、灰分的沉降等方面進(jìn)行了深入研究。筆者從表面能、黏附功的角度，結(jié)合高溫車轍因子指標(biāo)，研究灰分作為填料本身對(duì)TLA改性瀝青高溫性能影響機(jī)理及影響效果。

1 研究方法

主要借助表界面理論中的黏附功理論，通過試驗(yàn)確定各材料的表面能參數(shù)，計(jì)算瀝青膠漿體系內(nèi)的黏附功參數(shù)；結(jié)合瀝青膠漿的高溫車轍因子，分析瀝青膠漿體系的黏附功與高溫車轍因子之間的關(guān)系，對(duì)灰分作為填料本身影響TLA改性瀝青高溫性能機(jī)理進(jìn)行研究。

圖1 毛細(xì)管上升法(燈芯法)示意Fig. 1 Diagram of capillary rise method (wick method)

灰分的比表面積是采用馬爾文激光粒度測試儀測定的?；曳旨暗V粉的表面能參數(shù)，是通過測得其與不同液體的接觸角，然后根據(jù)接觸角計(jì)算得到表面能參數(shù)。粉體接觸角的測量方法為毛細(xì)管上升法(燈芯法)(圖1)，其基本原理是：固態(tài)粉體間的空隙相當(dāng)于一束毛細(xì)管，由于毛細(xì)作用，液體能自發(fā)滲透進(jìn)入粉體柱中( 毛細(xì)上升效應(yīng))。毛細(xì)作用取決于液體的表面張力和固體的接觸角，故通過測定已知表面張力液體在粉末柱中的透過狀況，就可以得到有關(guān)該液體對(duì)粉末的接觸角的信息，通過接觸角可計(jì)算得到各材料的表面能參數(shù)[11]。

2 瀝青膠漿體系的黏附功理論

瀝青與集料黏附功是指瀝青在集料黏附而引起整個(gè)系統(tǒng)的亥姆霍茲自由能的減少。Fowkes認(rèn)為，跨越某一界面的黏附功，可以由其分子間各特定類型相互作用所產(chǎn)生的黏附功簡單總和組成，表達(dá)式為

(1)

式中：W為瀝青與集料的黏附功；a為瀝青；s為集料；as為瀝青與集料界面；WLW為黏附功范德華分量；WAB為黏附功Lewis酸堿性分量。

范德華力作用所產(chǎn)生的黏附功可表達(dá)為

(2)

式中：γLW為表面自由能范德華分量；γAB為表面自由能Lewis酸堿性分量。

Lewis酸堿性力作用所產(chǎn)生的黏附功可表達(dá)為

(3)

根據(jù)推導(dǎo)可得

(4)

比表面自由能變化與黏附功大小相等方向相反，將比表面自由能與集料比表面積相乘，可以得表面自由能變化：

(5)

上述6個(gè)分量的求得，一般是通過接觸角試驗(yàn)結(jié)果而計(jì)算得到的。瀝青與礦粉的接觸角求得，因?yàn)r青材料的黏滯性，一般是通過測得兩者與同一種其他液體的接觸角，然后通過相減而求得瀝青與礦粉之間的接觸角的?；谝陨戏治?，下面將對(duì)礦粉(灰分)與液體、瀝青與液體的接觸角測量，然后，計(jì)算瀝青與礦粉(灰分)的接觸角，最終計(jì)算瀝青與礦粉(灰分)的黏附功，從而實(shí)現(xiàn)分析TLA中灰分作用機(jī)理的目的。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述研究方法與黏附功理論，對(duì)瀝青與各粉體的表面能參數(shù)、瀝青膠漿體系的高溫車轍因子等指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)分析。整體研究思路:① 選擇不同粒徑的常用石灰?guī)r礦粉; ② 測量礦粉、灰分的比表面積、表面能參數(shù)[12];③ 計(jì)算得到礦粉、灰分瀝青膠漿體系的黏附功;④ 計(jì)算得到與灰分粒徑相同的石灰?guī)r礦粉作為填料時(shí)的瀝青膠漿的高溫指標(biāo)(車轍因子);⑤ 對(duì)比分析灰分與同樣粒徑的礦粉瀝青膠漿的高溫性能(車轍因子)；⑥ 研究湖瀝青中灰分作為填料功能的大小。結(jié)果及分析如下。

3.1 瀝青膠漿體系中黏附功試驗(yàn)

TLA改性瀝青實(shí)際是一種瀝青與灰分的瀝青膠漿體系，因此該部分對(duì)灰分、礦粉與瀝青的膠漿體系的黏附功展開了研究[13]?；曳峙c礦粉的比表面積結(jié)果見表1，瀝青及各粉體的表面能參數(shù)結(jié)果見表2。

由表1，表2中的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式(5)可計(jì)算得到ZH70，TLA兩種瀝青與各粉體的黏附功，結(jié)果見表3。

表1 礦粉、灰分粒徑與比表面積試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 1 Summary of test results of ash powder，particle size and specific surface area

表2 瀝青及各粉體的表面能參數(shù)匯總表Table 2 Summary of asphalt and various powder surface energy parameters (mJ·m-2)

表3 瀝青膠漿內(nèi)黏附功匯總Table 3 Summary of asphalt mortar adhesion work

根據(jù)表1中的比表面積數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，粉體的比表面積隨著粉體粒徑的減小而增大，灰分的比表面積相當(dāng)于570目的礦粉的比表面積。由表2中的表面能數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，粉體的表面能參數(shù)隨著粒徑的減小而減小，同時(shí)可計(jì)算得到灰分的表面能相當(dāng)于542目的礦粉的表面能。由表3中的黏附功數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，粉體瀝青膠漿體系的黏附功隨著粉體粒徑的減小而減小，比黏附功則隨著粉體粒徑的減小而增加；TLA中瀝青與灰分的瀝青膠漿的比黏附功相當(dāng)于TLA中瀝青與573目礦粉的瀝青膠漿體系的比黏附功。根據(jù)以上分析可知，灰分具有較小的粒徑、較大的比表面積、較小的表面能、較小的黏附功、較大的比黏附功。

3.2 灰分膠漿體系高溫車轍因子分析

采用的TLA中灰分主要是由石英和黏土組成的火山灰活性礦物質(zhì)細(xì)粉，TLA含有37%的灰分，灰分粒徑組成見表1。根據(jù)3.1小節(jié)的分析可知，灰分相對(duì)于200目(0.075 mm)的礦粉而言，具有較低的表面能參數(shù)，較大的比表面積，較大的比黏附功。該部分將通過在基質(zhì)瀝青中摻加灰分、不同粒徑的礦粉的方式來分析灰分對(duì)基質(zhì)瀝青的改性機(jī)理。各瀝青膠漿體系的高溫車轍因子試驗(yàn)結(jié)果見表4。

根據(jù)表4可回歸得到各溫度條件下，瀝青膠漿車轍因子與粉膠比的關(guān)系曲線，詳見表5。

由表5可得ZH70+灰分的粉膠比時(shí)其他兩種瀝青膠漿的車轍因子計(jì)算匯總，詳見表6。

根據(jù)表6可回歸得到各溫度條件下，ZH70相同粉膠比時(shí)瀝青膠漿車轍因子與粉膠比關(guān)系曲線，詳見表7。

由表7可得灰分瀝青膠漿車轍因子與粉膠比的斜率與礦粉的比值，詳見表8。

由表6中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在粉膠比相同的條件下，礦粉瀝青膠漿的車轍因子的大小順序與瀝青與粉體的比黏附功的順序是一致的，說明比黏附功是影響瀝青膠漿高溫性能的一個(gè)重要因素。根據(jù)3.1小節(jié)中的分析，瀝青膠漿體系的黏附功隨著粉體粒徑的減小呈減小的趨勢，而比黏附功則隨著粒徑的減小而增加，后者與車轍因子的變化規(guī)律相一致。其主要原因是：粉膠比相同的條件下，粉體粒徑不同時(shí)，瀝青膠漿體系內(nèi)的粉體的比表面積是不相同的，粉體膠漿的黏附功是與比表面積直接相關(guān)的，因此，對(duì)粉體的膠漿體系，采用比黏附功的概念來評(píng)價(jià)則更為科學(xué)。

表4 礦粉(灰分)瀝青膠漿車轍因子試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 4 Summary of test results of mineral (ash) asphalt mortar rutting factors kPa

表5 瀝青膠漿車轍因子與粉膠比關(guān)系曲線匯總Table 5 Summary of relationship curves between rutting factors of asphalt mortar and ratio of filler to bitumen

注：表中“y”表示車轍因子；“x”表示粉膠比。

表6 采用ZH70+灰分的粉膠比時(shí)其他兩種瀝青膠漿的車轍因子計(jì)算匯總Table 6 Summary of rutting factors of other two kinds of asphalt mortar when ZH70+ ash ratio of filler to bitumen is applied kPa

表7 ZH70相同粉膠比時(shí)瀝青膠漿車轍因子與粉膠比關(guān)系曲線匯總Table 7 Summary of relationship curves between rutting factors and ratio of filler to bitumen of ZH70 asphalt mortar with the same ratio of filler to bitumen

表8 各斜率比值匯總Table 8 Summary of each slope ratio

由表3中的數(shù)據(jù)可計(jì)算得到，灰分瀝青膠漿體系的比黏附功與600目礦粉瀝青膠漿體系的比黏附功的比值為0.84；600目礦粉瀝青膠漿體系的比黏附功與400目礦粉瀝青膠漿體系的比黏附功的比值為5.06。結(jié)合表8中的數(shù)據(jù)可計(jì)算得到：

1) 從比黏附功的角度分析，礦粉本身粒徑的增加對(duì)最終車轍因子隨粉膠比增加而增加速度的影響關(guān)系為1.95/5.06=0.39，也就是說礦粉粒徑的減小、比表面積的增大對(duì)瀝青膠漿高溫車轍因子的影響因子為0.39。

2) 灰分瀝青膠漿高溫車轍因子的改善，主要是灰分本身對(duì)瀝青膠漿的改性作用所致，相對(duì)于600目礦粉，其影響因子為1.80/0.84=2.14。

3) 根據(jù)以上兩點(diǎn)可知，相對(duì)于600目的礦粉，灰分粒徑、灰分本身的影響因子分別為0.39、2.14。由此可計(jì)算得到灰分的粒徑、比表面積對(duì)灰分瀝青膠漿性能的影響占灰分總體影響的15%，灰分本身的影響占85%，即是說，灰分作為一種填料的同時(shí)，更為重要的是作為一種改性劑在起作用。

綜上可知，添加灰分對(duì)瀝青膠漿性能的改善，15%的作用是由于灰分作為填料、較大的比表面積所致，85%的作用是作為一種改性劑所致。

4 結(jié) 論

通過黏附功理論、瀝青與粉體的表面能參數(shù)試驗(yàn)、瀝青膠漿體系的高溫車轍因子等理論與試驗(yàn)研究，對(duì)湖瀝青中灰分的改性機(jī)理進(jìn)行了分析，通過分析可得出以下主要結(jié)論：

1) 粉體的比表面積隨著粉體粒徑的減小而增加，其表面能隨著粉體粒徑的減小而減小。

2) 粉體瀝青膠漿體系的黏附功隨著粉體粒徑的減小而減小。在粉膠比相同的條件下，其比黏附功則隨著粒徑的減小而增加。評(píng)價(jià)粉體瀝青膠漿的高溫性能，采用比黏附功參數(shù)較采用黏附功參數(shù)更為科學(xué)。

3) 湖瀝青中灰分對(duì)基質(zhì)瀝青的改性作用相對(duì)比較復(fù)雜。已探知的改性機(jī)理主要是其較大的比表面積、較高的比黏附功實(shí)現(xiàn)的，即灰分作為填料的作用約占灰分對(duì)基質(zhì)瀝青改性作用的15%。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

Quantitative Analysis of Ash’s Filling and Modification in TLA Based on Adhesion Theory

KONG Lingyun1，DAI Li1，MO Shixiu2，LUO Yadan1

(1.National & Local Joint Engineering Laboratory of Traffic Civil Engineering Materials，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China; 2.Guangdong Road & Bridge Construction and Development Co.，Ltd.，Guangzhou 510635，Guangdong，P.R.China)

In order to study the modification mechanism and effect of the ash in the TLA，the influencing factors such as surface and interface parameters of asphalt and aggregate，adhesion work of asphalt mortar system and high temperature rutting factor were analyzed.And the following results were obtained：the surface area of powder ratio and the particle size was inclined to negative correlation; the powder surface energy parameters and the adhesion work of powder asphalt mortar were decreased with the decrease of powder particle size; under the same conditions of ratio of filler to bitumen，the adhesion work of powder in asphalt mortar system was correlative with the surface area.On the basis of the above results，a conclusion is drawn：the specific adhesion work to evaluate the asphalt mortar system is more scientific than the adhesion work; the effect of ash in TLA on the asphalt modification is relatively complex.The ascertained modification mechanism is mainly achieved by the larger specific surface area and the higher adhesion work; meanwhile，the modification of this part is accounted to 15% of ash modification on asphalt，other 85% modification mechanism still needs in-depth study.

highway engineering; Trinidad Lake asphalt(TLA); ash; filling effect; modification; specific adhesion work

2015-11-28；

2016-03-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51508062)

孔令云(1976—)，女，江蘇如皋人，副研究員，博士，主要從事瀝青與瀝青混合料方面的研究。E-mail：43112443@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.08

U416.217

A

1674-0696(2017)06-053-05