相對濕度對瀝青與集料黏附性的影響

羅 晶 羅 蓉 涂崇志

(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)

0 引 言

瀝青路面投入使用的早期，水損害是主要破壞形式之一.水損害是導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)坑槽、變形等病害的重要原因[1-3].

國內(nèi)外對瀝青混合料水損害的研究，主要集中在水以液態(tài)形式滲入瀝青混合料內(nèi)部，降低混合料的力學(xué)性質(zhì)、進而產(chǎn)生混合料的損傷等方面.通常認為，瀝青混合料水損害產(chǎn)生的原因是液態(tài)水從路面裂縫、空隙滲入瀝青與集料的界面，在凍融、車輛動載產(chǎn)生的空隙水壓力或真空負壓吸附力作用下，使瀝青膜從集料表面剝落[4-5].然而，大量工程實踐表明，瀝青路面水損害并非僅出現(xiàn)在潮濕多雨地區(qū)，一些干旱少雨地區(qū)同樣出現(xiàn)了不容忽視的水損害現(xiàn)象[6-7].即使瀝青混合料不透水，混合料也一直隨著外界溫度和濕度變化不斷“吸入”和“呼出”水氣.水氣運動攜帶水分子以氣態(tài)形式進入瀝青混合料內(nèi)部，同樣導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生嚴(yán)重的水損害[8-10].有很多學(xué)者研究水氣在瀝青膜、瀝青膠砂、瀝青混合料中的擴散系數(shù)，并與液態(tài)水進行對比，證實了水氣更容易進入瀝青混合料內(nèi)部[11].

已有學(xué)者運用表面能理論計算瀝青、集料之間的黏附功，評價瀝青與集料的黏附性，進而評價瀝青混合料的抗水損害能力[12-13].瀝青混合料的服役環(huán)境是復(fù)雜的,在空氣和路基之間的濕度梯度的影響下，水氣在混合料內(nèi)部運動，導(dǎo)致瀝青混合料內(nèi)部水分子含量不斷變化[14].不同水分子質(zhì)量濃度環(huán)境下，瀝青、集料的表面性質(zhì)也隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致黏附性發(fā)生改變.文中將探究不同相對濕度對瀝青、集料的表面能參數(shù)以及瀝青與集料的黏附性的影響.

1 相對濕度對瀝青表面能參數(shù)的影響

1.1 表面能基本理論及試驗原理

1.1.1表面能基本定義

表面能是在恒溫恒壓條件下，系統(tǒng)增加單位表面積時外界必須對系統(tǒng)所做的功，用γ表示.現(xiàn)國際通用的三分量形式，將表面能參數(shù)γ分為非極性分量γLW和極性分量γAB，各分量單位均為erg/cm2.此分量形式下兩相材料之間的相互作用力的表達式為

(1)

1.1.2瀝青表面能測試試驗原理及方法

加熱瀝青使其均勻附著在玻片表面并冷卻，制備瀝青涂膜玻片.將瀝青玻片水平放置在試驗腔中，利用滴定針管釋放5 μL試劑到瀝青表面形成穩(wěn)定液滴.通過光學(xué)影像設(shè)備捕捉測試試劑在固態(tài)瀝青表面形成的穩(wěn)定接觸角，計算瀝青材料的表面能參數(shù).接觸角是指常溫瀝青(固體)、測試試劑(液體)、空氣(氣體)之間的三相接觸點處，液體邊緣與固體表面形成的夾角.接觸角常用θ表示，見圖1.

圖1 接觸角示意圖

表面能參數(shù)的計算采用Young-Dupre方程為

(2)

將接觸角數(shù)據(jù)代入其中可計算瀝青的表面能參數(shù).計算瀝青的表面能參數(shù)至少需要三種試劑測得三種接觸角值以聯(lián)立方程.

1.2 不同相對濕度瀝青表面能參數(shù)測試試驗

1.2.1試驗過程

選用70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，將制備好的瀝青玻片放在0%，20%，40%，60%，80%，100%六個不同相對濕度環(huán)境中養(yǎng)生，用濕度計隨時監(jiān)測養(yǎng)生環(huán)境的濕度變化情況.六個濕度環(huán)境對應(yīng)氣態(tài)水分子濃度見表1.已有研究表明，細集料瀝青混合料在不同相對濕度下養(yǎng)生的平衡時間為三個月，因此認為，瀝青玻片在各相對濕度下養(yǎng)生三個月也能達到平衡.為了探究達到平衡之前，瀝青表面能參數(shù)隨養(yǎng)生時間的變化規(guī)律，本研究設(shè)置了1，2，7，15，30，60，90 d七個測試時間節(jié)點.

表1 相對濕度對應(yīng)氣態(tài)水分子濃度(20 ℃)

1.2.2試驗結(jié)果和分析

測得兩種瀝青不同濕度養(yǎng)生不同時間節(jié)點時，與三種試劑(甲酰胺，乙二醇，丙三醇，表面能參數(shù)見表2的接觸角，算得表面能參數(shù)總量.同一養(yǎng)生條件下的樣品進行三組平行試驗，平行試驗表面能參數(shù)總量變異系數(shù)均低于6.61%，說明數(shù)據(jù)穩(wěn)定有效.為判定瀝青表面能隨濕度環(huán)境的變化情況，分別計算不同養(yǎng)生時間兩種瀝青表面能參數(shù)總量的變異系數(shù)CV1，與不同相對濕度兩種瀝青表面能參數(shù)總量的變異系數(shù)CV2，見表3～4.

表2 三種試劑的表面能參數(shù)

表3 70#基質(zhì)瀝青表面能參數(shù)隨時間與相對濕度的變異系數(shù)

表4 SBS改性瀝青表面能參數(shù)隨時間與相對濕度的變異系數(shù)

當(dāng)相對濕度不變時：70#基質(zhì)瀝青表面能參數(shù)總量，隨養(yǎng)生時間變化的數(shù)據(jù)變異系數(shù)最大為5.52%，SBS改性瀝青表面能參數(shù)總量，隨時間變化的數(shù)據(jù)變異系數(shù)最大為4.64%.即瀝青表面能參數(shù)總量隨養(yǎng)生時間變化數(shù)據(jù)離散度小，說明瀝青的表面能參數(shù)總量基本不隨養(yǎng)生時間長短變化.當(dāng)養(yǎng)生時間不變：70#基質(zhì)瀝青表面能參數(shù)總量，隨相對濕度變化的數(shù)據(jù)變異系數(shù)最大為5.16%，SBS改性瀝青表面能參數(shù)總量，隨相對濕度變化的數(shù)據(jù)變異系數(shù)最大為5.21%.即瀝青表面能參數(shù)總量隨相對濕度變化數(shù)據(jù)離散度小，說明瀝青的表面能參數(shù)總量基本不隨相對濕度發(fā)生變化.綜合上述，瀝青的表面能參數(shù)總量，隨外界水分子濃度和在不同水分子濃度環(huán)境下的養(yǎng)生時間發(fā)生變化小，即瀝青材料的濕度敏感性低.

2 相對濕度對集料表面能參數(shù)的影響

2.1 集料表面能試驗原理及方法

集料對試劑蒸氣的飽和擴散壓力πe不可忽略，當(dāng)液體的表面能γL小于固體的表面能γS時，液體將固體表面完全潤濕，固-液界面的接觸角為0°.采用Young-Dupre方程的另一種形式：

(3)

集料表面能參數(shù)測試采用蒸氣吸附法，測試集料對不同試劑的表面擴散壓力，代入式(3)并聯(lián)立方程組可計算集料的表面能參數(shù).式(3)需求解三個未知數(shù)，故至少需要采用三種試劑進行試驗.試驗采用定制的磁懸浮重量平衡系統(tǒng)，原理見圖2.

圖2 磁懸浮重量平衡系統(tǒng)

試驗步驟為：洗凈烘干約200 g粒徑為2.36～4.75 mm的集料.向蒸氣容器單元注入15 mL試劑，并向樣品桶放入集料樣品.將集料加熱至150 ℃并持續(xù)12 h，保證樣品表面不附著空氣雜質(zhì).稱量裝樣前后樣品桶質(zhì)量可以計算樣品質(zhì)量.進行十階蒸氣吸附試驗，在各階蒸氣壓力下，控制樣品腔體內(nèi)蒸氣壓恒定.此時集料開始吸附試劑蒸氣，達到吸附飽和狀態(tài)后，系統(tǒng)將進入下一階的蒸氣吸附試驗.在試驗過程中磁懸浮天平將不斷稱量樣品的質(zhì)量，確定各階蒸氣壓下的蒸氣吸附量.

采用M-BET模型描述固體對氣體的吸附過程，可得集料對各種試劑蒸氣的單分子層飽和吸附量，據(jù)此計算出用于計算擴散壓力的比表面積.對測得的試劑蒸氣壓p下，單位質(zhì)量集料吸附蒸氣的質(zhì)量n，繪制吸附等溫線.采用Dubinin-Astakhov模型進行擬合可得到n與p的關(guān)系，結(jié)合Gibbs方程求解集料表面的擴散壓力.

(4)

式中：πe為擴散壓力；R為理想氣體常數(shù)；T為試驗溫度，℉；M為水的摩爾質(zhì)量，g/mol；Aπe′為用于計算的集料比表面積，m2/g；p1為各階蒸氣壓；p0為飽和蒸氣壓.測得集料的三個表面擴散壓力，代入式(3)可以計算干燥環(huán)境下的集料的表面能參數(shù).

2.2 表面能參數(shù)的計算

2.2.1計算過程

不同相對濕度下水蒸氣的蒸氣壓和水蒸氣的飽和蒸氣壓之間的關(guān)系為

(5)

式中：RH為相對濕度；p0為水蒸氣的飽和蒸氣壓，mbar；p1為不同相對濕度下的水蒸氣的蒸氣壓，mbar.

將式(5)代入(4)可得在不同相對濕度環(huán)境下水蒸氣對集料的擴散壓力.

(6)

在不同相對濕度環(huán)境下，集料的表面能總量為

(7)

將干燥集料表面能參數(shù)總量代入式(7)，可計算不同相對濕度條件下的表面能參數(shù)總量.

2.2.2結(jié)果與分析

選用四種酸堿度不同的集料(玄武巖、花崗巖、石灰?guī)r、石英砂巖)，其化學(xué)組分測試得SiO2含量見表5.集料與蒸餾水、2-戊酮、甲苯三種試劑進行蒸氣吸附法試驗測得干燥條件表面能參數(shù)，見表6.

表5 集料SiO2含量

表6 集料干燥情況下的表面能參數(shù)總量

采用式(6)計算不同相對濕度環(huán)境水氣在集料表面的擴散壓力，結(jié)果見表7.

表7 不同相對濕度下水蒸氣對集料的擴散壓力

最終得到各種集料在不同相對濕度環(huán)境下的表面能總量及其變化率，見表8.

由表8可知，四種集料的表面能皆隨環(huán)境相對濕度即氣態(tài)水分子濃度的增加而降低，相對濕度對集料表面能參數(shù)總量的影響十分顯著.將不同相對濕度下集料的表面能參數(shù)總量變化趨勢繪制成趨勢線見圖3.

表8 不同相對濕度下集料表面能總量(erg/cm2)及變化率

圖3 不同相對濕度集料的表面能參數(shù)總量

由圖3可知，四種集料表面能參數(shù)總量隨相對濕度即氣態(tài)水分子質(zhì)量濃度的上升而下降的趨勢線較為平滑.采用線性擬合的方式對四種集料的表面能參數(shù)總量變化趨勢進行擬合.擬合精度均在0.9以上，說明集料的表面能參數(shù)總量隨相對濕度線性減少.由線性擬合的斜率絕對值，可知玄武巖<石灰?guī)r<花崗巖<石英砂巖.說明不同集料濕度敏感性不同，且酸性集料更容易受到外界氣態(tài)水分子的影響.

3 相對濕度對瀝青-集料黏附性的影響

在不同相對濕度環(huán)境下，瀝青與集料之間的黏附作用應(yīng)為兩相材料之間的作用[15].所以在不同相對濕度下的瀝青-集料黏附結(jié)合能計算應(yīng)采用兩相材料的計算法則：

(8)

式中：γSA為瀝青與集料在干燥情況下的界面張力；γAV為瀝青與水氣的界面張力，由于水氣對瀝青的表面能沒有影響，所以γAV=γA，γSV是集料與水氣的界面張力，而集料在水氣的影響下的表面張力為γSV=γS-πe(RH)，所以不同相對濕度環(huán)境下瀝青與集料的黏附功為

(9)

計算瀝青、集料與液態(tài)水三相材料的黏附功，為

(10)

式中：γSW為集料與液態(tài)水的界面張力；γAW為瀝青與液態(tài)水的界面張力.

采用式(9)～(10)分別計算70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青與玄武巖、花崗巖、石灰?guī)r、石英砂巖四種集料在不同濃度氣態(tài)水分子和液態(tài)水環(huán)境下的黏附功.結(jié)果見圖4.

圖4 70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青與四種集料的黏附功

圖4中黏附功正負值的含義為：黏附功為負值時瀝青與集料黏附釋放能量，可自發(fā)發(fā)生黏附；黏附功為正值時瀝青與集料黏附需要從外界吸收能量，故無法自發(fā)黏附.因此圖中黏附功值越趨向于縱坐標(biāo)正向其黏附性越差，越趨近于縱坐標(biāo)負向其黏附性越好.可知兩種瀝青與四種集料的黏附功在相對濕度從0%向100%增大時均從負值向正值增加.證明相對濕度越大，瀝青與集料的黏附性越差，抗水損害能力也下降.在液態(tài)水環(huán)境中的黏附功大于100%濕度條件，即液態(tài)水環(huán)境中瀝青混合料黏附性能相較于氣態(tài)水環(huán)境更差.計算不同水環(huán)境黏附功相較于干燥條件的黏附性下降率，見表9～10.

表9 70#基質(zhì)瀝青與集料的黏附性下降率

表10 SBS改性瀝青與集料的黏附性下降率

由表9～10可知：相對濕度從0%提升到100%時，70#基質(zhì)瀝青與四種集料的黏附性下降99.28%以上，SBS改性瀝青與四種集料的黏附性下降93.60%以上；在液態(tài)水環(huán)境中，70#基質(zhì)瀝青與四種集料的黏附性下降148.40%以上，SBS改性瀝青與四種集料的黏附性下降143.29%以上.當(dāng)相對濕度大于80%時，氣態(tài)水造成的黏附性下降率近似等于液態(tài)水的一半.氣態(tài)水環(huán)境對黏附功的影響程度雖不及液態(tài)水，但氣態(tài)水分子更容易進入瀝青與集料界面.因此，氣態(tài)水分子對瀝青混合料黏附性的影響不可忽略，其濃度越高越容易使瀝青從集料上剝落.

4 結(jié) 論

1)70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青在相同相對濕度環(huán)境中養(yǎng)生不同時間，不同的相對濕度環(huán)境中養(yǎng)生相同后，表面能總量數(shù)據(jù)變化變異系數(shù)均在6%以內(nèi).說明瀝青的表面能參數(shù)總量隨氣態(tài)水分子濃度以及養(yǎng)生時間變化不明顯，即瀝青材料的濕度敏感性低.

2)考慮了集料對不同濃度水氣擴散壓力的影響.根據(jù)不同相對濕度條件下集料表面能計算公式，計算得到玄武巖、花崗巖、石灰?guī)r、石英砂巖四種集料表面能參數(shù)總量.在相對濕度從0%提升到100%后，降低率均大于60%.說明氣態(tài)水分子濃度對集料表面能參數(shù)總量的影響顯著；采用線性擬合的方式對四種集料的表面能參數(shù)總量變化趨勢進行擬合，擬合精度均在0.9以上，說明集料的表面能參數(shù)總量隨相對濕度線性減少；根據(jù)線性擬合的斜率絕對值，玄武巖<石灰?guī)r<花崗巖<石英砂巖，說明不同集料濕度敏感性不同，且集料酸性越強越容易受到外界氣態(tài)水分子的影響.

3)不同相對濕度及液態(tài)水環(huán)境對瀝青-集料界面黏附性的影響：相對濕度越高即氣態(tài)水分子濃度越大瀝青與集料黏附性能越差.液態(tài)水環(huán)境中瀝青混合料黏附性能相較于氣態(tài)水環(huán)境更差.當(dāng)相對濕度大于80%時，氣態(tài)水造成的黏附性下降率近似等于液態(tài)水的一半，而且氣態(tài)水分子更容易擴散進入瀝青-集料界面，說明水氣對瀝青混合料黏附性的影響不可忽略.