基于表面能理論的抗剝落劑-SBS瀝青改善集料黏附性研究

【摘 " "要】：為研究抗剝落劑摻加瀝青中與集料之間的黏附性效果，制備了SBS改性瀝青，摻加定量的抗剝落劑，與70#基質瀝青進行對比試驗。將改良水煮法試驗結果作為瀝青-集料黏附性的一個初步判斷依據(jù)；采用接觸角法得到表面能參數(shù)，計算黏附功分析其黏附性；成型瀝青混合料，采用凍融劈裂試驗確定瀝青混合料的水穩(wěn)定性，驗證瀝青-集料的黏附性。改良水煮法得到的3種瀝青黏附性等級：SBS改性瀝青和SBS-A黏附等級均為5級，70#基質瀝青黏附等級為4級。瀝青與石灰?guī)r的黏附功：SBS-A＞SBS改性瀝青＞70#基質瀝青，SBS-A較SBS改性瀝青黏附功提高了7.3%，較70#基質瀝青黏附功提高了11.9%。SBS-A瀝青混合料的TSR值較SBS瀝青混合料的劈裂強度比提高2.9%，試驗結果充分驗證了SBS-A與石灰?guī)r之間的黏附性較高。

【關鍵詞】：瀝青路面；SBS改性瀝青；接觸角；黏附功；凍融劈裂試驗；表面能；抗剝落劑

【中圖分類號】：U414 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）05-12-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.004

Research on Performance and Microscopic Mechanism of Modified Diatomite SBS and High Viscosity Compound Modified Asphalt Based on Surface Energy Theory

PAN Feng1，XIAO Tian2，YANG Kai2， JIN Canzhang2

（1. Tianjin Haihe Developing Investment Co. Ltd.， Tianjin 300010，China; 2. Tianjin Municipal Engineering Design amp; Research

Institute Co. Ltd.， Tianjin 300392， China）

【Abstract】：In order to study the effect of adhesion between the anti-spalling agent and the aggregate， SBS modified asphalt was prepared and dosed with a quantitative amount of anti-spalling agent in this paper， comparative tests were also carried out using 70# matrix asphalt. A modified boiling test was used as a preliminary basis for judging the adhesion of asphalt- aggregate adhesion， and the contact angle method was used to obtain surface energy parameters to calculate the adhesion work to analyze the adhesion. The asphalt mixture was molded and the freeze-thaw splitting test was used to determine the water stability of the asphalt mixture and to verify the asphalt-aggregate adhesion. The 3 kinds of asphalt adhesion grades obtained by the modified boiling method are： SBS modified asphalt and SBS-A adhesion grade are grade 5， and 70# matrix asphalt adhesion grade is grade 4. The adhesion power of the asphalt with limestone was： SBS-A gt; SBS-modified asphalt gt; 70# matrix asphalt， and the adhesion power of SBS-A increased by 7.3% compared to SBS-modified asphalt and SBS-A increased by 11.9% compared to 70# matrix asphalt. The TSR value of SBS-A asphalt mixture is 2.9% higher than that of SBS-modified asphalt mixture， and the test results fully verify that the adhesion between SBS-A and limestone is high.

【Key words】： asphalt pavement; SBS modified asphalt; contact angle; adhesion power; freeze-thaw splitting test; surface energy; anti-spalling agent

瀝青路面是我國主要的路面結構形式，隨著我國城市建設迅速發(fā)展，瀝青混合料用量逐年增大。瀝青與集料的黏附性決定瀝青路面的使用壽命和路用性能[1～2]。王威娜等[3]和Guo F C等[4]研究總結瀝青-集料黏附性評價進展，提出多種評價方式；劉虎軍等[5]為研究片麻巖與瀝青之間的黏附性，測定表面能參數(shù)，計算其黏附性；李昇等[6]為定量分析集料與瀝青的黏附性，使用接觸角法決定了黏附性評價指標。我國大部分黏附性研究使用規(guī)范規(guī)定的水煮法和水浸法[7]，此方法操作方便、試驗條件容易滿足，但主觀性明顯，對試驗結果的影響較大。為更好研究瀝青與集料之間的黏附性，本文針對石灰?guī)r集料，對基質瀝青、SBS改性瀝青及在SBS改性瀝青中摻加定量抗剝落劑的SBS-A瀝青進行改良水煮法試驗，以此試驗結果作為一個初步判斷依據(jù)；然后利用接觸角法更加客觀、定量地計算黏附功，分析其黏附性；最后成型瀝青混合料，使用凍融劈裂強度試驗確定瀝青混合料的水穩(wěn)定性，驗證瀝青的黏附性。

1 表面能理論

表面能理論被廣泛用于解釋黏附性，包括極性分量與色散分量。在瀝青混合料中，表面能可定義為標準大氣壓下，使兩相界面形成兩個不同個體所增加每單位附加表面的能量變化。

[γ=γd+γp] （1）

式中：γ為表面能；γd為色散分量；γp為極性分量。

液體表面能可以使用張力計進行測量。但對于固體，尤其是集料和瀝青結合料的表面能較難進行直接測量，F(xiàn)owkes[8]選擇一些間接測量方法對其進行測量固體表面自由能，提出液-固分散力解決方案，Owens等[9]延續(xù)開發(fā)。固體液體界面表面能可以使用式（2）計算。

[γls=γs+γl-2γdsγdl-2γpsγpl] （2）

式中：[γls]為瀝青與集料的界面能；[γs]為集料表面能；[γl]為瀝青的表面能；[γds]、[γps]為集料表面能的色散分量與極性分量；[γdl]、[γpl]為瀝青表面能的色散分量與極性分量。

計算界面能后，根據(jù)Young方程，可以計算出瀝青集料的接觸角同表面自由能之間的關系。

[γlcosθ=γs-γls] （3）

式中：[θ]為瀝青在集料表面的接觸角。

當瀝青和集料的表面能降低時，向外釋放的能量就是它們之間的黏附功?？紤]到瀝青混合料是兩種不同材料的分離，分離前瀝青與集料之間已存在界面能，黏附功可看作它們的能量和減去兩種材料間的界面能。

[Wls=γl+γs-γls] （4）

式中：[Wls]為瀝青和集料的黏附功。

表面能還可以通過發(fā)展方程，利用色散分量和極性分量來計算。

[1+cosθ=2γds（γdlγl）+2γps（γplγl）] （5）

通過測試計算出瀝青與集料的色散分量和極性分量，再采用張力計得到標準液體的表面能，可得瀝青與集料的黏附功。

[Wls=γl（1+cosθ）=2γPlγPs+2γdlγds] （6）

2 材料及試驗方法

2.1 材料

1）瀝青。70#基質瀝青和SBS改性瀝青。見表1。

2）集料及抗剝落劑。集料采用石灰?guī)r，呈堿性，SiO2質量占比約13.5%?？箘兟鋭┎捎靡环N胺類抗剝落劑，作為瀝青與集料黏附性提升的添加劑。

3）滴定液。采用甲酰胺、乙二醇和蒸餾水作為測定不同瀝青與集料表面能參數(shù)的滴定液，因為這3種液體不溶于瀝青且其組分不同。見表2。

2.2 試驗方法

2.2.1 改良水煮法試驗

改良水煮法適用于最大粒徑＞13.2 mm的集料。首先篩選出13.2 mm＜粒徑＜19 mm、規(guī)則形狀的集料，將烘干后的集料系上棉線，置于烘箱烘干60 min。燒杯盛有微沸的水，緩慢將集料放入熱瀝青中，保證充分包裹集料，將水煮15 min，在燒杯中觀察瀝青膜的剝落情況。

2.2.2 接觸角法試驗

使用KRUSS公司生產的DAS30光學接觸角儀，通過躺滴法來測量瀝青與集料間的接觸角。根據(jù)已知表面能參數(shù)的綜合測試數(shù)據(jù)，計算出黏附功，來分析不同瀝青與集料之間的黏附性。

2.2.3 凍融劈裂試驗

采用凍融劈裂試驗評價瀝青混合料水穩(wěn)定性，評價指標為凍融劈裂強度比。

2.3 試驗方案

測試了70#瀝青、SBS瀝青和加入0.3%抗剝落劑的SBS改性瀝青的接觸角，將添加0.3%抗剝落劑的SBS改性瀝青稱為SBS-A。

開啟儀器后，放置試件在試驗臺上保溫25 min，然后調平接觸角儀，將試樣靜放在試驗臺，通過調整攝像頭和升降臺，使試樣出現(xiàn)在圖像的中部和下部；將針與圖像的中間位置對齊，然后開始測試，分別取3種一定量的滴定液，以固定速率在試件上滴定，抓拍滴定到待測試件的畫面，分析生成接觸角值，不同液體在每個樣品滴定頻率下設置5個平行試驗，取平均值作為結果。

3 結果與分析

3.1 改良水煮法試驗

采用改良水煮法對3種瀝青進行試驗，得出不同瀝青與石灰?guī)r的黏附性等級。見表3。

水煮法受主觀影響較大，需要使用接觸角法進一步研究其黏附性。

3.2 瀝青黏附功計算

對3種瀝青與石灰?guī)r進行測試，計算出其接觸角，計算不同瀝青與集料的黏附功，判斷黏附性。不同瀝青與石灰?guī)r的黏附功為SBS-A＞SBS改性瀝青＞70#基質瀝青；瀝青與礦料的黏附性與黏附功成正比，即瀝青的黏附功越大，瀝青和礦料的黏附性越好。SBS-A較SBS改性瀝青黏附功提高了7.3%，較70#基質瀝青黏附功提高了11.9%，說明添加抗剝落劑后，瀝青與集料的黏附性得到了提高，SBS-A與石灰?guī)r之間的黏附性最好。見表4。

3.3 凍融劈裂試驗結果

瀝青的黏附性首先體現(xiàn)在成型瀝青混合料的水穩(wěn)定性，水流通過空隙滲入路面，會影響瀝青和集料之間的黏附力，然后破壞混合料水穩(wěn)定性，使瀝青路面形成坑槽等病害。利用凍融劈裂試驗得出殘留劈裂強度比（TSR）可以測定其水穩(wěn)定性。

70#基質瀝青與石灰?guī)r成型的瀝青混合料凍融TSR＜75%，不滿足規(guī)范要求[10]，另外兩種瀝青與石灰?guī)r成型的瀝青混合料凍融TSR均滿足規(guī)范要求。相對于基質瀝青和SBS改性瀝青，SBS-A瀝青混合料的TSR分別提高了18.9%和6.7%，再次驗證了抗剝落劑加入后增強了瀝青與石灰?guī)r集料之前的黏附性。見圖1。

4 結論

1）采用改良水煮法對3種瀝青進行試驗檢測，SBS改性瀝青和SBS-A黏附等級均為5級，70#基質瀝青黏附等級為4級。

2）不同瀝青與石灰?guī)r的黏附功：SBS-A＞SBS改性瀝青＞70#基質瀝青。SBS-A較SBS改性瀝青黏附功提高了7.3%，較70#基質瀝青黏附功提高了11.9%，說明添加抗剝落劑后，瀝青的黏附性得到了提高，SBS-A與石灰?guī)r之間的黏附性最好。

3）相對于基質瀝青和SBS改性瀝青，SBS-A瀝青混合料的劈裂強度比分別提高了18.9%和6.7%，驗證了抗剝落劑加入后增強了瀝青與石灰?guī)r集料間的黏附性。

參考文獻：

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