煅燒鋁礬土集料與瀝青粘附性評價

田海濤，關(guān)博文，吳佳育，劉競怡，熊銳，楊發(fā)，劉成成

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650200；3.咸陽市規(guī)劃設(shè)計研究院，陜西 咸陽 712000)

瀝青路面在使用過程中必須提供足夠的抗滑性能以確保行駛安全。為了節(jié)約成本，通常在長大縱坡路段以及路面彎曲段，鋪設(shè)抗滑磨耗層用于恢復(fù)或增強(qiáng)路面表面的抗滑性[1]。但水損害會大大降低路面抗滑磨耗層的抗滑耐久性[2]。

煅燒鋁礬土具有硬度大、磨光值高等優(yōu)點(diǎn)。將其用于特殊路段，能夠有效提升該路段長期抗滑性能[3]。國外主要將其與環(huán)氧樹脂結(jié)合用作高摩擦表面處治[4]，所以很少有研究涉及瀝青和煅燒鋁土集料之間的粘附性能。大量研究證明，表面能方法是直觀可靠的評價瀝青與集料粘附性的方法[5-7]。

因此，本文主要評價了不同瀝青與煅燒鋁礬土集料之間的粘附性以及探討了它們之間的粘附機(jī)理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

基質(zhì)瀝青為SK-90瀝青(產(chǎn)地為韓國)，并用SBS改性劑(摻量為4%)和橡膠粉(工業(yè)品，摻量為20%)對其進(jìn)行改性，其物理性質(zhì)見表1；90#煅燒鋁礬土集料，產(chǎn)地為陽泉，化學(xué)成份見表2；氧化鋁粉末(純度為99%(質(zhì)量))，分析純。

表1 瀝青物理性能Table 1 Physical properties of asphalt

表2 集料的主要化學(xué)成分Table 2 Main chemical constituents of aggregates

動態(tài)剪切流變儀；BrukerTensorⅡ傅里葉變換紅外光譜儀；SL200C型全自動光學(xué)動靜態(tài)接觸角儀。

1.2 接觸角實驗

1.2.1 試件制備 將熱瀝青涂于載玻片上，再放入烘箱中自然流淌以獲得平整均勻的瀝青膜片，具體方法參考文獻(xiàn)[8]。

石料樣本的制備依照AASHTO TP 91—15標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2 接觸角測試 測試溫度為22 ℃，液滴量為5 μL。采用全自動光學(xué)動靜態(tài)接觸角儀測定瀝青表面張力，圖1為躺滴法示意圖。

圖1 躺滴法示意圖Fig.1 Image of sessile drop method

1.2.3 表面能計算 瀝青與集料的表面能參數(shù)通過公式(1)[9]計算得到。

(1)

式中θ——瀝青或石料與液體之間的接觸角，°；

γl——液體表面自由能，mJ/m2；

表3為蒸餾水與乙二醇表面能參數(shù)。

表3 水、乙二醇表面能參數(shù)Table 3 Surface energy parameters of water and ethylene glycol

1.2.4 粘附功計算 根據(jù)Fowkes[10]和Owen-Wendt的理論[11]，粘附功可用式(2)計算。

(2)

通過式(2)，可以計算得到粘附功。粘附為正，則說明兩種物質(zhì)有粘附在一起的可能性。粘附功越大，粘附性越好。

1.3 瀝青與集料交互作用實驗

瀝青膠漿的流變性能與瀝青和礦料間的交互作用能力直接相關(guān)[12]。參數(shù)K.Ziegel-B 能直接表征瀝青和集料的交互作用[13-14]。

1.3.1 DSR 用動態(tài)剪切流變儀(DSR)評價集料礦物粉末對瀝青膠漿樣品的流變性能的影響。90#煅燒鋁礬土粉末摻量為40%。測試過程依據(jù)AASHTO T315—12(2016)進(jìn)行，采用溫度掃描模式，溫度為40～80 ℃，掃描間隔為5 ℃，應(yīng)變?yōu)?.4%，頻率為10 rad/s。

1.3.2 B參數(shù)計算 參數(shù)B是Ziegel等提出的。關(guān)于由基體和填充劑組成的兩相填充體K.Ziege A.Romanov 等提出可用下式估算其阻尼。

tanδc=tanδm/(1+ΦfB)

(3)

(4)

式中δc——瀝青膠漿相位角，°；

δm——基質(zhì)瀝青相位角，°；

Φf——石粉體積分?jǐn)?shù)，%；

B——石粉與瀝青的交互作用參數(shù)。

B值越大，表明瀝青和石粉交互作用能力越強(qiáng)，瀝青和石粉之間的粘結(jié)越好，而瀝青膠漿的流動變形能力越差。

1.4 FTIR

因為90#煅燒鋁礬土成分接近90%是氧化鋁，所以為避免集料中雜質(zhì)對分析結(jié)果產(chǎn)生影響，用氧化鋁代替礦粉，與橡膠粉改性瀝青制成膠漿。采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)測定上述瀝青膠漿與橡膠粉改性中各個主要官能團(tuán)吸收峰的變化，掃描范圍為4 000～400 cm-1波數(shù)之間。

2 結(jié)果與討論

2.1 接觸角實驗

表4給出了瀝青和集料的接觸角平均值以及變異系數(shù)(COV)。如果COV值較小，則說明數(shù)據(jù)離散程度小，數(shù)據(jù)可靠。集料與水的接觸角越小說明集料親水性越好，由表4可知，90#煅燒鋁礬土集料與水的接觸角<90°說明集料是親水的。瀝青親水性大小順序為：橡膠粉改性瀝青>SBS改性瀝青>SK-90瀝青。

表4 接觸角測試結(jié)果Table 4 Contact angles test results

根據(jù)公式計算得到瀝青與集料的表面自由能以及色散分量和極性分量，結(jié)果見表5。

表5 表面能計算結(jié)果Table 5 Calculation results of surface energy

由表5可知，瀝青的色散分量遠(yuǎn)大于瀝青極性分量，占主導(dǎo)地位。改性后的瀝青表面能要大于基質(zhì)瀝青，經(jīng)過改性后的瀝青極性分量和色散分量均有所增加。集料的表面能值明顯高于瀝青的表面能值。這是由于巖石具有較強(qiáng)的吸附能力，所以表面能較高。

根據(jù)公式(2)代入瀝青與集料的表面能參數(shù)，可以計算出瀝青與集料之間的粘附功，結(jié)果見表6。

表6 粘附功計算結(jié)果Table 6 Calculation results of adhesion work

由表6可知，90#煅燒鋁礬土集料與不同瀝青粘附功大小順序為：橡膠粉改性瀝青>SBS改性瀝青>SK-90瀝青。

2.2 DSR實驗

圖2顯示了在不同溫度下瀝青的相位角關(guān)系圖。

圖2 不同溫度下瀝青相位角Fig.2 Asphalt phase angle at different temperatures

由圖2可知，隨著溫度的升高，相位角變大。這是因為當(dāng)溫度增加時，瀝青中分散介質(zhì)的溶解能力增強(qiáng)，瀝青質(zhì)膠團(tuán)逐漸解締，瀝青從粘彈態(tài)過渡到粘流態(tài)，相位角增加。而在相同溫度下相位角大小順序為：SK-90瀝青>SBS改性瀝青>橡膠粉改性瀝青。這是由于改性劑的加入提高了黏度與高溫性能。

圖3為不同溫度下瀝青膠漿相位角關(guān)系圖。填料與基體之間產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)(交互作用)，瀝青與礦料交互作用后，在礦料表面形成“結(jié)構(gòu)瀝青”，其余未和礦料發(fā)生交互作用的瀝青則為“自由瀝青”?！敖Y(jié)構(gòu)瀝青”粘度大，而自由瀝青粘度較小。通常瀝青與礦料的交互作用能力越強(qiáng)，生成的“結(jié)構(gòu)瀝青”比例越大，瀝青膠漿的流變能力越差，相位角越小[15]。

圖3 不同溫度下瀝青膠漿相位角Fig.3 Asphalt mortar phase angle at different temperatures

由圖3可知，根據(jù)DSR測試結(jié)果通過等式(2)計算交互作用系數(shù)K.Ziegel-B，計算結(jié)果見圖4。

圖4 不同溫度下K.Zlegel-B參數(shù)Fig.4 K.Zlegel-B at different temperatures

由圖4可知，當(dāng)溫度<60 ℃時，橡膠粉改性瀝青>SBS改性瀝青>SK-90瀝青。由于改性劑的加入吸附了瀝青中的油蠟，而蠟的存在減低瀝青與填料的交互作用能力，因此改性劑的加入提高了瀝青極性分量，瀝青與集料的極性吸附增強(qiáng)，與填料的交互作用能力增強(qiáng)。當(dāng)溫度>60 ℃時，SK-90瀝青與填料交互作用急劇增加，橡膠粉改性瀝青與填料交互作用增加速度減緩，可能與改性瀝青膠團(tuán)解締溫度上升有關(guān)。同時，在高溫條件加速了瀝青與填料之間的物理化學(xué)反應(yīng)，交互作用系數(shù)K.Ziegel-B隨著溫度的升高而增加。溫度越高，B值越大。

2.3 FTIR分析

圖5為橡膠粉改性瀝青與氧化鋁瀝青膠漿紅外光譜圖。

添加氧化鋁之后，瀝青膠漿的吸收峰基本未發(fā)生變化，說明氧化鋁與瀝青并沒有發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新的官能團(tuán)，與Al-Mansob等[17]結(jié)果一致。因此，90#煅燒鋁礬土與瀝青的吸附方式主要是物理吸附。

圖5 橡膠粉改性瀝青與氧化鋁瀝青膠漿FTIR譜圖Fig.5 FTIR spectrum of rubber powder modifiedasphalt and alumina asphalt cement

2.4 瀝青與煅燒鋁礬土集料的粘附機(jī)理分析

根據(jù)物理化學(xué)的觀點(diǎn)，礦料和瀝青的粘結(jié)作用主要分為物理吸附和化學(xué)吸附。但紅外光譜分析結(jié)果證明90#煅燒鋁礬土集料主要發(fā)生的是物理吸附。當(dāng)瀝青與集料發(fā)生吸附時，由于飽和分、芳香分的分子體積小，遷移速度較快，所以比較容易到達(dá)礦料表面及表面微孔中。但是這些小分子主要是非極性物質(zhì)，主要以范德華力和礦料表面發(fā)生吸附，故吸附作用力較弱，容易被吸附但也容易脫附。而瀝青中有帶極性或有表面活性的膠質(zhì)，雖然遷移速率較慢和吸附速度較慢，但是其與礦料表面發(fā)生的極性吸附或化學(xué)吸附，交互作用越強(qiáng)形成的結(jié)構(gòu)瀝青層越厚，粘附性越好，見圖6。根據(jù)表面實驗得知，橡膠粉改性瀝青在3種瀝青中極性最強(qiáng)，常溫下與填料的交互作用最強(qiáng)，所以橡膠粉改性瀝青與90#煅燒鋁礬土集料的粘附性最好。

圖6 瀝青與填料交互作用模型[18]Fig.6 Interaction model between asphalt and filler

3 結(jié)論

(1)改性劑的加入能夠提高瀝青的表面能，使得粘附性提高，3種瀝青與90#煅燒鋁礬土集料粘附性大小順序為：橡膠粉改性瀝青>SBS改性瀝青>SK-90瀝青。與瀝青表面能結(jié)果一致，說明表面能越高的瀝青與集料的粘附性越好。

(2)礦粉的加入能與瀝青產(chǎn)生交互作用明顯降低瀝青膠漿的相位角，隨著溫度升高礦粉與瀝青的交互作用能力提高。在常溫下橡膠粉瀝青與90#煅燒鋁礬土礦料交互作用最強(qiáng)，當(dāng)溫度較高時，SK-90瀝青與90#煅燒鋁礬土集料交互作用最強(qiáng)。

(3)煅燒鋁礬土集料的粘附作用主要是物理吸附包括機(jī)械嵌鎖作用以及極性吸附，基本不產(chǎn)生化學(xué)吸附。