裴建新

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原 030031)

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基于表面能法的瀝青/集料粘附機(jī)理研究

裴建新

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原 030031)

水損害是制約瀝青路面使用壽命的長期的棘手問題，而瀝青與集料的粘附性是其中的關(guān)鍵所在。該文通過表面能法，結(jié)合接觸角測試試驗，獲得瀝青、集料的表面能參數(shù)，通過計算瀝青與集料的粘附功、剝落功以及配伍率來評價粘附效果。與此同時，深入分析了瀝青溫度變化對粘附性的影響。該文所得可為進(jìn)一步研究瀝青/集料的粘附機(jī)理、提高瀝青與集料的粘附性提供理論借鑒。

道路工程，表面能，瀝青/集料，粘附機(jī)理

隨著我國交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，對瀝青路面的使用壽命也提出更加嚴(yán)格的要求。由于路面結(jié)構(gòu)中水的存在，致使如路面坑槽、裂縫、松散等病害頻頻發(fā)生，路面使用壽命大打折扣[1]。因此瀝青混合料中瀝青與集料粘附效果的好壞，對瀝青路面抗水損的能力具有較大的影響。

針對瀝青/集料的粘附機(jī)理評價主要涉及有五種理論：力學(xué)理論，化學(xué)反應(yīng)理論，分子定向理論，靜電理論，表面能理論。其中，表面能理論近幾年研究較多，表面能理論認(rèn)為任何固體表面都存在不飽和力場，因此固體表面有自發(fā)吸引其他物質(zhì)以降低自身自由能的能力。當(dāng)瀝青擴(kuò)散并潤濕集料表面時，礦料自發(fā)地吸引瀝青分子以降低系統(tǒng)的自由能，由于這種能量交換而產(chǎn)生了粘附。

王勇[2]以O(shè)wens-Wendt理論為基礎(chǔ)，結(jié)合Young’s方程計算得到瀝青與集料的粘附功，通過與現(xiàn)行規(guī)范評價方法對比，指出表面能法的優(yōu)勢和可行性。肖慶一等[3]利用粘附功試驗，討論了瀝青與集料界面粘附性與粘附力的內(nèi)在關(guān)系，認(rèn)為粘附功可以作為瀝青與集料的粘附性表征指標(biāo)。韓森[4]借助表面能理論，通過測定表面能參數(shù)，計算得到粘附功與表面能變化，借此分析了瀝青-集料系統(tǒng)粘附性的變化。試驗表明，SBS改性瀝青/石灰?guī)r系統(tǒng)的界面粘附性最好，克拉瑪依基質(zhì)瀝青-角閃片麻巖最差。Arno W.Hefer等[5]基于表面能理論，使用Wilhelmy吊板法測得瀝青的表面能參數(shù)，分析了表面能中的接觸角與水損害之間的關(guān)系，認(rèn)為瀝青的表面能特性是與其化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，通過分析瀝青與集料的表面能特性為提高瀝青和集料的兼容性提供依據(jù)。Amit Bhasin等[6]使用USD(Universal Sorption Device)吸附法測得集料比表面積和表面能參數(shù)，通過集料和瀝青的表面能參數(shù)計算獲得粘結(jié)強(qiáng)度，并將該粘結(jié)強(qiáng)度作為選擇瀝青和集料搭配的依據(jù)，利用微量熱劑法測得瀝青膠漿與集料結(jié)合時的熱量變化，進(jìn)而表征其粘附效果。根據(jù)上述研究可知，采用表面能理論研究瀝青/集料的粘附性具有很好的可行性。

本研究通過表面能法，結(jié)合接觸角測試試驗，獲得瀝青、集料的表面能參數(shù)，反算出瀝青/集料的接觸角；根據(jù)粘附功、剝落功的變化評價粘附效果。本研究可為進(jìn)一步研究瀝青/集料的粘附機(jī)理，提高瀝青與集料的粘附性提供理論借鑒。

1　瀝青/集料粘附機(jī)理

1.1表面能理論

表面能理論認(rèn)為液體與固體之間的粘附存在能量的變化，表現(xiàn)為液體潤濕固體表面過程中體系表面能的減小。表面能即單位表面積上的能量，其公式σ=ΔG/ΔA(J·m-2)，與表面能相近的一個量即表面張力，是指單位長度受的力，σ=F/2L(N·m-1)，實(shí)際上表面能和表面張力在數(shù)值上是相等的。因此，表面張力的發(fā)展可以代表表面能的變化過程。

1964年，F(xiàn)owkes[7]提出材料的表面能可分為兩部分，一部分是γd，色散分量，另一部分是偶極作用力、氫鍵以及誘導(dǎo)力等組成的非色散力，他認(rèn)為只有色散分量對固-液界面產(chǎn)生作用。1969年，Owens和Wendt[8]發(fā)展了Fowkes法，認(rèn)為固液界面除了色散力作用外，同時還存在包括氫鍵在內(nèi)的極性作用力，稱之為幾何平均法。Van Oss[9]等在20世紀(jì)80年代后期提出了LW-AB法，將上述幾何平均法中的極性部分進(jìn)一步細(xì)化，認(rèn)為極性部分可描述為電子受體和電子給體之間的相互作用，也可稱為質(zhì)子酸堿作用，從而使表面能可以用三個參數(shù)表示。2007年，朱定一[10]在總結(jié)再次分析前人研究的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得到計算固體表面張力的新方法。通過建立有限液固界面體系的張力平衡，推導(dǎo)出在無限液固界面系統(tǒng)中液固界面張力和固相表面張力的關(guān)系式。使用不同計算方法獲得的表面張力數(shù)據(jù)比較可知，朱定一法和上述Van Oss的LW-AB法結(jié)果極為接近。

1.2粘附性的評價指標(biāo)

(1)粘附功Wab

粘附功表示瀝青與集料粘附過程中，體系能量的變化，其值能較好地反映三種材料之間粘附的效果。通常有如下計算方法：

①已知兩種材料各自的表面張力，以及它們的界面張力時，按式(1)計算：

Wab=γa+γb-γab

(1)

②已知兩種材料的表面能三參數(shù)，通過式(2)可得到它們之間的粘附功：

(2)

③已知瀝青與集料的接觸角，以及瀝青的表面張力，粘附功按式(3)計算：

Wab=γA(1+cosθ)

(3)

其中，a為集料參數(shù)，b為瀝青參數(shù)，θ為瀝青與集料接觸角，推導(dǎo)驗證三者計算結(jié)果相同。

(2)剝落功Wabw

剝落功Wabw是集料/瀝青+水→集料/水+瀝青/水的過程中集料、瀝青和水三相體系總能量的變化。也即為水置換集料表面瀝青的過程。在此期間，體系表面自由能的變化量為Gabw，該值通常為負(fù)值，而剝落功為正值，并且有如下關(guān)系：

Wabw=-Gabw

(4)

體系的自由能降低，水在混合料中會自發(fā)的將瀝青從集料表面剝落下來。因此可知，剝落功越大，促使水損害的熱力學(xué)勢能就越大，對于瀝青與集料的粘附破壞就越大，通常希望該值越小越好。

2　試驗及結(jié)果分析

2.1接觸角測定

借助德國制造OCA20型視頻光學(xué)接觸角測定儀可精確測量液滴在基體表面的接觸角，精確度可達(dá)0.1°。所用集料為石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖；瀝青為SK70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青。本試驗分為兩部分：集料表面能參數(shù)的測試，瀝青表面能參數(shù)的測試。

(1)集料表面能參數(shù)的測定

①切割大塊的集料，獲得尺寸3cm×2cm×1cm的長方體試件。

②使用磨光機(jī)打磨已切割試件的上下平面，并用粗砂紙、細(xì)砂紙多道打磨，再用拋光機(jī)拋光，得到光滑的表面。

③用蒸餾水清洗上述測試表面，再置于130℃烘箱中烘干2h，取出后備用；為獲取較多的平行試驗數(shù)據(jù)，每種集料試件制備3個。

④每個集料試件上分別滴定三種標(biāo)準(zhǔn)液體(水、甲酰胺、丙三醇)，使用接觸角測定儀分別獲得其與各個集料的接觸角。

(2)瀝青表面能參數(shù)的測定

①準(zhǔn)備好尺寸為10cm×1cm的薄板玻璃，表面干燥潔凈。

②將待測瀝青加熱至100℃，握住玻璃板的一端將其浸入瀝青杯中，浸潤深度大約9cm，之后迅速將上述玻璃板豎直吊起，沒有浸潤瀝青的一端在上，瀝青在重力的作用下自由伸展，確保試件四周不被灰塵污染、瀝青薄膜水平光滑。

③冷卻至室溫，置于干燥器中12h后以備后續(xù)測試。

④上述每種瀝青薄膜試件各備3個，用于后續(xù)對比試驗，其成品如圖1所示。

圖1　瀝青薄膜試件

⑤每個瀝青薄膜試件上分別滴定三種標(biāo)準(zhǔn)液體(水、甲酰胺、丙三醇)，使用接觸角測定儀分別獲得其與各個試件的接觸角。圖2為接觸角測試圖，得到表1標(biāo)準(zhǔn)液體在材料表面的接觸角測試結(jié)果。

圖2　接觸角測試圖

經(jīng)過計算可得表2，即瀝青、集料的表面能參數(shù)。

表2　集料、瀝青的表面能參數(shù)(單位：mJ/m2)

2.2粘附性的評價

(1)粘附功、剝落功

根據(jù)表2和式(2)，可得瀝青與集料的粘附功，如表3所示。由表3可知，三種集料與基質(zhì)瀝青的粘附功從大到小排序為：石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖；與改性瀝青的粘附功排序相同。這表明，石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖與瀝青的粘附性依次遞減。對比兩種瀝青與集料的粘附功，可知改性瀝青與3種集料的粘附性都較好。

表3　瀝青與集料的粘附功(單位：mJ/m2)

同樣，根據(jù)表2，結(jié)合式(4)，可得瀝青與集料的剝落功，如表4所示。

表4　瀝青與集料的剝落功(mJ/m2)

剝落功是指促使水損害的熱力學(xué)勢能，根據(jù)前述，剝落功越大，促使瀝青/集料界面分離的能量越大。由表4可知，石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖與兩種瀝青的剝落功都呈現(xiàn)遞增趨勢；石灰?guī)r和改性瀝青的剝落功最小，因此，該組合抵抗水損害的能力最強(qiáng)。

(2)配伍率Wab/Wabw

為更好地評判瀝青與集料的粘附效果，使用粘附功和剝落功的比值，定義為配伍率來表征粘附性。分析結(jié)果如圖3所示。

相比單獨(dú)分析粘附功、剝落功，比值法可以更加全面地分析粘附系統(tǒng)的抗水損性能，包含集料、瀝青和水，3個組件的共同作用。根據(jù)配伍率的概念可知，配伍率越高，表明該組合瀝青與集料的粘附效果更佳，反之較差。通過圖3可知，在6組組合中，改性瀝青和石灰?guī)r組合的配伍率最高，因而，其粘附效果最好，抵抗剝落的能力越強(qiáng)；花崗巖與基質(zhì)瀝青組合的配伍率最差，意味著該組合抵抗剝落的性能較差。石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖與2種瀝青的配伍性都呈現(xiàn)遞減趨勢。

圖3　瀝青與集料的配伍性

3　結(jié)論

(1)石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖分別與基質(zhì)瀝青、改性瀝青的粘附功大小呈遞減趨勢。

(2)配伍率可以全面地分析粘附系統(tǒng)的抗水損性能，在6組組合中，改性瀝青和石灰?guī)r組合的配伍率最高，其粘附效果最好；花崗巖與基質(zhì)瀝青組合的配伍率最差。

[1] 沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].北京：人民交通出版社，2001：140-171.

[2] 王勇.基于表面能理論的瀝青與集料粘附性研究[D].長沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，2010.

[3] 肖慶一，郝培文，徐歐明，等.瀝青與礦料粘附性的測定方法[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，27(1)：19-22.

[4] 韓森，劉亞敏，徐歐明，等.材料特性對瀝青-集料界面粘附性的影響[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，30(3)：7-9.

[5] Arno W Hefer，Amit Bhasin，Dallas N. Bitumen Surface Energy Characterization Using a Contact Angle Approach[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2006，18(6)：759-767.

[6] Amit Bhasin，Dallas N，Little P E. Characterization of Aggregate Surface Energy Using the Universal Sorption Device[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2007，19(8)：634-641.

[7] Fowkes F M，HuangY C，Shah B A，et al. Colloids Surf，1988，29(1)：243-261.

[8] Owens D K，Wendt R C. Appl Pol Sci，1969，13：1741-1747.

[9] Van Oss C J，Chaudhury M K，Good R J. Adv Colloid Interface Sci，1987，28(1)：35-64.

[10] 羅曉斌，朱定一，石麗敏.基于接觸角法計算固體表面張力的研究進(jìn)展[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7(19)：4997-5004.

Adhesion Mechanism of Asphalt and Aggregate by Surface Energy Method

PEI Jian-xin

(Shanxi Traffic Vocational and Technical College，Taiyuan 030031，Shanxi，China)

Water damage is a difficult problem that restricts the service life of asphalt pavement，and the adhesion between asphalt and aggregate is the key point of reducing water damage. In the paper，the surface energy parameters of asphalt and aggregate can be obtained by surface energy method and contact angle test and the adhesion effect was evaluated by calculating the adhesion work，stripping work and compatibility rate of asphalt and aggregate. Meanwhile，the influence of the temperature change on the adhesion of asphalt was analyzed. The results of this paper can provide a further study of adhesion mechanism of asphalt and aggregate theoretical reference for the adhesion between asphalt and aggregate.

road engineering，surface energy，asphalt and aggregate，adhesion mechanism

U 414