基于表面能的納米熟石灰改性瀝青的黏附特性研究

陳欽庭

(廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理處，廣東 廣州 510101)

瀝青/集料界面黏附作用是瀝青混合料水穩(wěn)定性能的重要影響因素，提升瀝青/集料界面的黏附作用是保證瀝青混合料水穩(wěn)定性能的必要技術(shù)措施。目前，采用改性瀝青，添加熟石灰[1]、水泥和胺類抗剝落劑[2]，選擇堿性集料等技術(shù)措施已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，并取得了良好的效果。

納米材料因其較大的比表面積而能較好地提升瀝青/集料界面黏附作用，其中納米熟石灰(NHL)的出現(xiàn)為界面黏附作用的提升提供了新的思路和方法[3]。Behbahani等[4]通過(guò)添加納米熟石灰改善由除冰劑造成的路面水穩(wěn)定性下降和疲勞損傷的問(wèn)題，探究納米熟石灰摻量對(duì)瀝青/集料界面黏附功和黏聚功的影響，并建立了納米熟石灰改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型。然而，納米熟石灰對(duì)瀝青/集料界面黏附作用提升的效果受瀝青種類、集料種類和評(píng)價(jià)方法等的影響，并表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，因此有待進(jìn)一步探討納米熟石灰改性瀝青及其混合料的抗水剝離特性，從而為其應(yīng)用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 原材料

(1)納米熟石灰。納米熟石灰購(gòu)自河北省靈壽縣天晨礦產(chǎn)品加工廠，其基本物理特性見(jiàn)表1。采用X射線熒光光譜試驗(yàn)測(cè)定該納米熟石灰的化學(xué)組成，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，納米熟石灰中的主要氧化物為CaO(含量≥60%)，其次為SiO2、Al2O3和Fe2O3。

(2)基質(zhì)瀝青。選用兩種針入度分級(jí)均為70#的基質(zhì)瀝青(SK-70#和DH-70#)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

(3)集料。選用典型代表堿性和酸性巖類的石灰?guī)r和花崗巖集料，成型瀝青混合料以探究納米熟石灰對(duì)石灰?guī)r和花崗巖集料瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響。兩種集料的技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表1 納米熟石灰技術(shù)性能指標(biāo)

表2 納米熟石灰的化學(xué)組成

表3 瀝青結(jié)合料的技術(shù)指標(biāo)

表4 石灰?guī)r和花崗巖集料的技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 NHL改性瀝青制備

為了將NHL與瀝青結(jié)合料拌和，首先將基質(zhì)瀝青加熱至150℃，并采用螺旋槳葉輪攪拌器進(jìn)行攪拌，同時(shí)分次緩慢地添加入NHL并攪拌10 min；然后采用高速剪切乳化機(jī)在相同的溫度下連續(xù)剪切20 min，剪切速率為4000 r/min，即制得NHL改性瀝青結(jié)合料[5]。本文制備了NHL摻量為0.5%和1%的NHL改性瀝青(該摻量指占基質(zhì)瀝青的重量)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 表面自由能理論

表面自由能定義為材料產(chǎn)生單位面積外界需要做的功，通常采用G表示，單位為mJ/m2。根據(jù)Van Oss理論，物質(zhì)的表面自由能由三部分組成且滿足式(1)的關(guān)系。

(1)

式中，Gtotal為物質(zhì)的總表面自由能，GLW為里夫施茨-范德華(LW)分量，GAB為路易斯酸堿分量，G+為路易斯酸分量，G-為路易斯堿分量。

瀝青結(jié)合料的黏聚功在數(shù)值上等于其表面自由能的兩倍，可采用式(2)計(jì)算。瀝青/集料界面的黏附自由能可采用式(3)計(jì)算。

(2)

(3)

2.2 瀝青的接觸角及表面自由能參數(shù)確定

Wilhemy吊片法用于測(cè)定瀝青的接觸角，進(jìn)而根據(jù)接觸角計(jì)算瀝青的表面自由能參數(shù)。動(dòng)態(tài)接觸角依據(jù)物理力學(xué)平衡原理計(jì)算，即通過(guò)涂膜玻片浸入測(cè)試試劑前后高精度天平受力變化差值DF計(jì)算，其計(jì)算表達(dá)式如式(4)所示。

(4)

式中a、b分別為涂膜玻片的寬度及厚度，h為玻片浸入試劑深度，r′為測(cè)試試劑與空氣的密度差值，g為重力加速度。

根據(jù)Young-Dupre方程，可通過(guò)測(cè)定三種已知表面自由能參數(shù)的測(cè)試液體與瀝青的接觸角而計(jì)算獲得瀝青的表面自由能參數(shù)，計(jì)算公式如式(5)所示。

(5)

本文選取蒸餾水(極性液體)、乙二醇(非極性液體)和甲酰胺(半極性液體)作為瀝青接觸角的測(cè)試液體，三種液體的表面自由能及其分量如表5所列。

表5 25 ℃下三種測(cè)試液體的表面自由能

2.3 集料的表面自由能參數(shù)確定

蒸汽吸附法用于測(cè)定集料的表面自由能參數(shù)。該測(cè)試過(guò)程通過(guò)通用吸附設(shè)備(universal sorption device，USD)完成。根據(jù)最大飽和蒸汽壓力下集料吸附的蒸汽質(zhì)量計(jì)算每種蒸汽的平衡鋪展壓力πe，并依據(jù)鋪展壓、測(cè)試蒸汽的表面自由能組分和集料的表面自由能組分間的關(guān)系(GVOC理論)，求解三元一次方程組獲得集料的表面自由能參數(shù)。蒸汽的平衡鋪展壓力πe和表面自由能參數(shù)計(jì)算公式分別如式(6)和(7)所示。

(6)

(7)

本文選取的三種蒸汽的表面自由能參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 三種蒸汽的表面自由能參數(shù)(單位：ergs/cm2)

3結(jié)果和討論

3.1 瀝青的接觸角及其表面自由能參數(shù)計(jì)算

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，采用水煮法對(duì)不同熟石灰摻量的改性瀝青與不同巖性的石的黏附性進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表7可知，SK、DH基質(zhì)瀝青與不同巖性石料的黏附等級(jí)均達(dá)到4級(jí)，當(dāng)納米熟石灰摻量高于1%時(shí)，納米熟石灰改性瀝青與石料的黏附等級(jí)均達(dá)到5級(jí)，提升了1級(jí)，這說(shuō)明納米熟石灰提升了與石料的黏附性，當(dāng)納米熟石灰摻量低于1%時(shí)，改善效果不明顯；同時(shí)說(shuō)明水煮法難以評(píng)價(jià)不同品牌基質(zhì)瀝青與不同巖性的石料的黏附性，需要采用其他試驗(yàn)方法進(jìn)一步評(píng)價(jià)驗(yàn)證。

表7 不同摻量熟石灰改性瀝青黏附等級(jí)

3.2 瀝青的接觸角及其表面自由能參數(shù)計(jì)算

采用Wilhelmy吊片法分別測(cè)定上述三種已知表面自由能參數(shù)的測(cè)試試劑與兩種瀝青的接觸角，并依據(jù)式(5)計(jì)算各瀝青試樣的表面自由能及其分量，接觸角測(cè)試及表面自由能參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表8所示。

由表8可知，熟石灰的添加減小了瀝青結(jié)合料與蒸餾水的接觸角，說(shuō)明熟石灰的添加降低了瀝青的疏水性；瀝青結(jié)合料與甲酰胺和乙二醇試劑的接觸角也表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即均隨著熟石灰摻量的增加而減小。在添加熟石灰后，瀝青的里夫施茨-范德華分量、Lewis酸分量和Lewis堿分量均增大，則總的表面自由能增大，即瀝青集合料的黏聚功和黏附功增大，這意味著納米熟石灰的應(yīng)用使瀝青結(jié)合料具有了更好的黏聚和黏附性能，增強(qiáng)了瀝青結(jié)合料抵抗外界拉伸荷載和低溫開(kāi)裂的能力。此外，根據(jù)接觸角和表面自由能參數(shù)的變化，瀝青接觸角的減小幅度和黏聚功的增大幅度逐漸減小，這意味著隨著納米熟石灰摻量的增多，其對(duì)瀝青黏聚性能的改善效果將趨于穩(wěn)定。

表8 不同摻量熟石灰改性瀝青接觸角及表面自由能參數(shù)

3.3 集料的表面自由能參數(shù)計(jì)算

采用上述蒸汽吸附法測(cè)定花崗巖和石灰?guī)r集料的表面自由能參數(shù)，測(cè)定結(jié)果如表9所示。根據(jù)表9，集料的表面自由能色散分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于極性分量，即表現(xiàn)出極性，這與集料的化學(xué)組成密切相關(guān)；并且集料的總表面自由能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于瀝青的總表面自由能，這意味著若使集料產(chǎn)生單位新界面，則外界需要做更多的功。此外，花崗巖表面自由能的極性酸分量和極性組分均大于石灰?guī)r的相同組分，這表明在極性水的作用下，花崗巖和瀝青之間形成的鍵能容易被破壞，容易發(fā)生瀝青結(jié)合料在花崗巖集料的剝離現(xiàn)象。相反，石灰?guī)r表面自由能的極性堿分量和非極性組分高于花崗巖集料，這意味著石灰?guī)r集料和瀝青間更傾向于形成非極性鍵，即具有更好的抗水損害能力。

表9 集料的表面自由能參數(shù)(單位：ergs/cm2)

3.4 黏附自由能計(jì)算

依據(jù)公式(3)及瀝青結(jié)合料和集料的表面自由能參數(shù)，計(jì)算瀝青/集料的黏附功和瀝青/集料的配伍系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 瀝青/集料黏附功、剝落功和配伍系數(shù)

較大的黏附功和較小的剝落功分別意味著瀝青與集料在干燥條件下具有較高的黏附性能，在水存在條件下具有較好的抗剝落性能。由表10可知，納米熟石灰的添加增大了瀝青與集料的黏附功,同時(shí)減小了瀝青與集料的剝落功，這表明納米熟石灰提升了瀝青與集料的黏附性能和水存在條件下的抗剝落性能。此外，相較于SK和DH瀝青，對(duì)于同一種集料，納米熟石灰改性SK瀝青具有更高的黏附功和更低的剝落功，這表明納米熟石灰更難從集料表面上剝離，且需要更多的能量，即納米熟石灰改性SK瀝青具有更優(yōu)的黏附性能和抗剝落性能。從表10可看出，納米熟石灰的添加提高了瀝青與集料的配伍性，即增強(qiáng)了瀝青/集料體系抗水損害性能，且隨著納米熟石灰摻量的增大，瀝青/集料體系的抗水損性能逐漸提升，當(dāng)納米熟石灰摻量高于1%時(shí)，納米熟石灰改性瀝青/集料體系的抗損害性能逐漸趨于穩(wěn)定。

4結(jié)論

本文通過(guò)表面自由能試驗(yàn)研究納米熟石灰對(duì)瀝青結(jié)合料與集料的黏附作用提升效果。研究主要得出以下結(jié)論：

(1)水煮法難以評(píng)價(jià)不同品牌基質(zhì)瀝青與不同巖性的石料的黏附性。

(2)納米熟石灰可以增加瀝青結(jié)合料的表面自由能及其色散和酸堿分量，提升瀝青結(jié)合料的黏聚特性和與集料的黏附性能。

(3)集料的極性分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瀝青，從而使集料/水體系的黏附作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于集料/瀝青體系，這是造成水作用下瀝青/集料體系脫黏的重要原因。

(4)納米熟石灰的添加有效增強(qiáng)了瀝青/集料的黏附特性，提高了瀝青和集料的抗水損害性能，最佳摻量為1%。