基于表面自由能的聚合物改性瀝青自愈合速率研究*

周慶福 劉 星 石晨光 汪 林

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063)(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司3) 武漢 430056) (武漢市漢陽市政建設(shè)集團(tuán)公司4) 武漢 430050)

0 引 言

疲勞開裂是瀝青路面的常見病害之一，瀝青作為路面鋪裝材料的重要組成部分，開裂的瀝青在無荷載作用時(shí)具有自愈合的能力[1-2].瀝青的開裂和愈合過程中都伴隨著能量的變化，大量學(xué)者從能量的角度對(duì)瀝青及瀝青混合料的自愈合進(jìn)行了研究，Lyu等[3-4]通過瀝青黏結(jié)能試驗(yàn)(BBS)測(cè)得改性瀝青間的黏結(jié)能，以間歇前后黏結(jié)能的恢復(fù)百分比表征瀝青自愈合的能力；Sun等[5]通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)進(jìn)行了破壞—休息—破壞試驗(yàn)，計(jì)算出瀝青膠漿在不同溫度、不同間歇時(shí)間下的自愈合指標(biāo)，根據(jù)阿列紐斯方程擬合獲得了每種瀝青膠漿的活化能，以此評(píng)價(jià)不同瀝青膠漿的自愈合能力，但是瀝青在不同溫度下裂縫表面浸濕和分子擴(kuò)散的速率不同，其自愈合能力也是不一樣的[6-7]，故活化能不能評(píng)價(jià)瀝青在不同溫度下的自愈合能力；Shen等[8]根據(jù)耗散能和耗散能變化率的概念計(jì)算出瀝青在破壞和愈合過程中的能量變化，通過建立瀝青耗散能變化率定值與間歇時(shí)間的關(guān)系，用兩者關(guān)系式的斜率表征瀝青自愈合的能力.

大量的理論推導(dǎo)和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)瀝青混合料自愈合分為短期自愈合和長期自愈合.目前用于評(píng)價(jià)瀝青自愈合的指標(biāo)大多從宏觀的角度出發(fā)，以間歇前后瀝青動(dòng)態(tài)剪切模量、粘結(jié)能的變化程度作為瀝青的自愈合指標(biāo)，未與微觀角度的表面自由能參數(shù)建立關(guān)系，所以應(yīng)通過瀝青自愈合試驗(yàn)獲得自愈合指標(biāo)，以自愈合速率方程擬合獲得瀝青的短、長期自愈合速率，并建立與其表面能參數(shù)的關(guān)系，為瀝青的優(yōu)選提供理論基礎(chǔ).基于此，本文通過破壞—間歇—破壞的試驗(yàn)方法測(cè)得三種不同摻量聚合物改性瀝青的自愈合指標(biāo)，根據(jù)自愈合速率方程擬合獲得瀝青的短期自愈合速率和長期自愈合速率.用插板法測(cè)得這三種瀝青的表面自由能參數(shù)，建立瀝青自愈合速率與表面自由能參數(shù)間的關(guān)系，通過耗時(shí)較短的表面能試驗(yàn)選取自愈合速率更快的瀝青.

1 表面能自由能基本理論

在等溫等壓情況下使材料表面產(chǎn)生單位的表面積外界所做的功即為表面自由能，用γ表示，其常用單位為J·m-2[9].表面自由能由三個(gè)基本參數(shù)表示，關(guān)系為

(1)

式中：γLW為非極性色散分量；γ+為極性酸分量；γ-為極性堿分量；γAB為極性酸堿分量.

采用插板法測(cè)得瀝青與不同液體間的接觸角，通過Young-Dupre方程求解得到瀝青表面自由能的三參數(shù)[10]，表達(dá)式為

[1+cosθ]γL=

(2)

式中：θ為瀝青與測(cè)試液體的接觸角；角標(biāo)S和L分別為待測(cè)瀝青和已知表面自由能參數(shù)的測(cè)試試劑.

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用瀝青原材料為某牌SBS改性瀝青，其SBS摻量為4%，在SBS內(nèi)加入一種反應(yīng)性乙烯三元聚合物,下文中以“A”代替，此聚合物可以和瀝青質(zhì)反應(yīng)增強(qiáng)瀝青的剛度和彈性，從而提高瀝青的疲勞壽命和黏彈性恢復(fù)的能力[11]，改性劑A試樣見圖1；改性劑A加到SBS瀝青中的摻量分別為0.1%、0.3%和0.5%，這三種聚合物改性瀝青的基本性能指標(biāo)見表1.

圖1 改性劑A

表1 瀝青基本信息

2.2 插板法試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)過程

將干燥潔凈的玻片插入到呈流動(dòng)狀態(tài)的瀝青試樣中，然后取出倒立放置，讓瀝青在重力的作用下在玻片表面流動(dòng)，以達(dá)到瀝青涂膜表明較光滑的目的，并將瀝青玻片置于干燥密封(20 ℃)的環(huán)境中養(yǎng)生不少于24 h.

試驗(yàn)溫度為20 ℃，通過游標(biāo)卡尺測(cè)量瀝青涂膜的寬度和厚度，并將其輸入表面張力儀的測(cè)試系統(tǒng)中，用于計(jì)算固-液的接觸角，然后將玻片垂直固定在儀器的夾具中開始試驗(yàn)，即可測(cè)得瀝青涂膜玻片進(jìn)入和撤退測(cè)試試劑過程中的接觸角，接觸角測(cè)試見圖2.

圖2 接觸角測(cè)試過程

從式(2)中可知，至少需要三種已知表面自由能參數(shù)的試劑才可求解得到瀝青的表面能自由能參數(shù)，本試驗(yàn)中測(cè)試試劑分別選取蒸餾水、甲酰胺、乙二醇和丙三醇，在20 ℃下的表面自由能參數(shù)數(shù)據(jù)見表2[12].

表2 不同試劑的表面自由能參數(shù)(20 ℃)

2.2.2表面自由能參數(shù)數(shù)據(jù)

每種瀝青試樣對(duì)上述四種測(cè)試試劑各進(jìn)行三次接觸角測(cè)試試驗(yàn)，可得到瀝青涂膜玻片進(jìn)入和撤退測(cè)試試劑過程中的前進(jìn)角和后退角，取三次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最后的前進(jìn)角和后退角，測(cè)試數(shù)據(jù)見表3.

表3 前進(jìn)和后退過程中的接觸角結(jié)果 單位：(°)

將已知測(cè)試試劑的表面自由能參數(shù)和表3中的接觸角代入式(2)，求解得到每種瀝青在前進(jìn)過程中和后退過程中的表面自由能參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4.

表4 瀝青表面自由能參數(shù)(20 ℃) 單位：10-3 J·m-2

2.3 自愈合試驗(yàn)

2.3.1試驗(yàn)方法

將上述瀝青放在170 ℃的烘箱中加熱至流動(dòng)狀態(tài)，然后將其澆筑在硅膠模具上，待冷卻后形成直徑8 mm的瀝青試樣，見圖3.通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)上述三種瀝青試樣在溫度為20 ℃、頻率為10 Hz、應(yīng)力水平為200 kPa的條件下進(jìn)行時(shí)間掃描試驗(yàn)，當(dāng)瀝青損傷度達(dá)到50%時(shí)，即瀝青動(dòng)態(tài)剪切模量下降到初始模量的一半時(shí)引入間歇時(shí)間，以模擬瀝青自愈合的現(xiàn)象，破壞-愈合-破壞試驗(yàn)示意圖見圖4.間歇時(shí)間為30，60，300，600,1 800 s，以間歇前后動(dòng)態(tài)剪切模量的變化來評(píng)價(jià)其自愈合能力.

圖3 瀝青試樣

圖4 間歇前后模量變化示意圖

2.3.2自愈合指標(biāo)及計(jì)算結(jié)果

常用的與瀝青動(dòng)態(tài)剪切模量變化有關(guān)的自愈合指標(biāo)有三種，其中較為有效的一種計(jì)算見式(3).

(3)

式中：G0為初始動(dòng)態(tài)剪切模量；Gb為間歇前試驗(yàn)終止的動(dòng)態(tài)剪切模量；Ga為間歇后初始的動(dòng)態(tài)剪切模量.

通過式(3)計(jì)算得到三種瀝青在不同間歇時(shí)間下的自愈合指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見表5.

表5 瀝青自愈合指標(biāo)

3 自愈合速率和表面自由能參數(shù)的建立

3.1 自愈合方程擬合及速率計(jì)算

Wool和O’Connor通過潤濕函數(shù)和靜態(tài)愈合函數(shù)的卷積分計(jì)算得到瀝青自愈合模型[20]，這一模型從裂縫界面潤濕和靜態(tài)愈合兩個(gè)過程描述了瀝青自愈合的現(xiàn)象，經(jīng)過特性簡化得：

(4)

式中：HI(θ,t)為溫度θ，間歇時(shí)間為t時(shí)的自愈合指標(biāo)；HI0為即時(shí)自愈合指標(biāo)；Ea為瀝青的活化能，代表了瀝青發(fā)生自愈合需要克服的最小能量；R為理論氣體常數(shù)，為8.314 J/(mol·K)；θ為愈合溫度，℃.

SBS+0.1%A:HI(θ,t)=0.123 4+0.110 3t0.25R2=0.984 7

(5)

SBS+0.3%A:HI(θ,t)=-0.101 7+0.143 1t0.25R2=0.981 7

(6)

SBS+0.5%A:HI(θ,t)=0.084 1+0.123 5t0.25R2=0.987 6

(7)

瀝青的自愈合分為短期自愈合和長期自愈合，在間歇階段這兩種自愈合同時(shí)發(fā)生，總的自愈合速率與短、長期自愈合速率滿足如下等式.

(8)

將式(5)～(7)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)即可得到自愈合速率隨間歇時(shí)間變化的表達(dá)式，計(jì)算得到每1 s處的自愈合速率，代入式(8)擬合獲得三種瀝青的短期自愈合速率、長期自愈合速率，結(jié)果見表6.短期自愈合速率和長期自愈合速率都隨著改性劑A摻量的增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中摻量為0.3%的改性瀝青短、長期自愈合速率都為最大，摻量為0.1%的改性瀝青的兩個(gè)自愈合速率最小.

表6 自愈合速率參數(shù)擬合結(jié)果

3.2 自愈合速率與表面能自由能參數(shù)關(guān)系

瀝青自愈合的過程中短期自愈合速率由非極性色散分量主導(dǎo)，長期自愈合速率由極性酸堿分量主導(dǎo).通過插板法測(cè)得瀝青在前進(jìn)和后退過程中的表面自由能參數(shù)分別對(duì)應(yīng)瀝青的自愈合和疲勞開裂，由表4可知，在前進(jìn)過程中，非極性色散分量隨改性劑A的摻量先減小后增大，摻量為0.1%時(shí)最大，摻量為0.3%時(shí)最小，而極性酸堿分量與非極性色散分量的情況相反.

將表4和表6的表面自由能參數(shù)和自愈合速率分別繪制在圖中，見圖5～6.

圖5 短期自愈合率與非極性色散分量關(guān)系

圖6 長期自愈合率與極性酸堿分量關(guān)系

由圖5～6可知，短期自愈合速率和非極性色散分量呈負(fù)相關(guān)，長期自愈合速率和極性酸堿分量呈正相關(guān)，這一結(jié)果和根據(jù)瀝青混合料進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果一致，也再次證明瀝青混合料的自愈合主要發(fā)生在瀝青裂縫間.瀝青裂縫水平方向上活躍的力為范德華力，即對(duì)應(yīng)表面自由能中的非極性色散分量，范德華力可使兩裂縫面上的瀝青分子在裂縫尖端聚合，使裂縫發(fā)生愈合，由于它可快速形成所以對(duì)短期自愈合速率有影響，這種力越小短期自愈合速率越快；在瀝青裂縫垂直方向上活躍的力主要為氫鍵，即對(duì)應(yīng)表面自由能中的極性酸堿分量，氫鍵的形成需要較長的一段時(shí)間，所以長期自愈合速率與極性酸堿分量有關(guān)，極性酸堿分量越大則長期自愈合速率越快.

綜合分析這三種改性瀝青，當(dāng)聚合物改性劑A的摻量為0.3%時(shí)，瀝青的短、長期自愈合速率都最快，在瀝青的基本指標(biāo)滿足規(guī)范要求時(shí)，從自愈合速率的角度考慮，0.3%的摻量為最佳摻量.在選擇自愈合速率較快的瀝青時(shí)可直接通過插板法測(cè)得瀝青的表面自由能參數(shù)進(jìn)行選擇，而不需要通過耗時(shí)較長的自愈合試驗(yàn)計(jì)算獲得.

4 結(jié) 論

1) 插板法在前進(jìn)過程中測(cè)得的表面能參數(shù)與瀝青自愈合的過程相關(guān)，在前進(jìn)過程中，非極性色散分量隨改性劑A的摻量先減小后增大，摻量為0.1%時(shí)最大，摻量為0.3%時(shí)最小，而極性酸堿分量與非極性色散分量的情況相反.

2) 短期自愈合速率和長期自愈合速率都隨著改性劑A摻量的增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中摻量為0.3%的改性瀝青的短、長期自愈合速率最大，摻量為0.1%的改性瀝青的短、長期自愈合速率最小，從自愈合速率角度分析，聚合物改性劑的最優(yōu)摻量為0.3%.

3) 短期自愈合速率和非極性色散分量呈負(fù)相關(guān)，長期自愈合速率和極性酸堿分量呈正相關(guān)，在選擇自愈合速率更快的瀝青時(shí)可通過這一關(guān)系用瀝青表面能測(cè)試試驗(yàn)代替耗時(shí)更長的瀝青自愈合試驗(yàn)，挑選較小非極性色散分量和較大極性酸堿分量的瀝青.

4) 通過建立瀝青表面能參數(shù)與自愈合速率的關(guān)系，為瀝青的優(yōu)選提供耗時(shí)較短的試驗(yàn)方法；后期在此基礎(chǔ)上探索不同溫度下瀝青表面能參數(shù)與瀝青或?yàn)r青混合料的自愈合速率關(guān)系.