王金鳳,李曉民,張國(guó)宏,,韓慶奎,高 峰,魏定邦

(1.中海油氣開(kāi)發(fā)利用公司，北京 100025;2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司， 蘭州 730030;3.甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司，蘭州 730203;4.蘭州交通大學(xué)，蘭州 730070)

?

基于接觸角方法瀝青與石料粘附特性及路用性能研究

王金鳳1,李曉民2,張國(guó)宏2,3,韓慶奎3,4,高 峰1,魏定邦3

(1.中海油氣開(kāi)發(fā)利用公司，北京 100025;2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司， 蘭州 730030;3.甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司，蘭州 730203;4.蘭州交通大學(xué)，蘭州 730070)

瀝青-石料粘附失效產(chǎn)生的病害，如松散、脫粒、麻面、坑槽等，致使瀝青路面使用性能下降，危及行車(chē)安全，基于表面自由能理論的躺滴法作為接觸角法中評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附性的試驗(yàn)方法，因其操作簡(jiǎn)單、定量評(píng)價(jià)、人為誤差小等特點(diǎn)，成為了近年來(lái)研究評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附性的熱點(diǎn)。本文采用躺滴法，以西北地區(qū)三種品牌瀝青與甘肅省七種石料作為研究對(duì)象，利用水煮法、躺滴法評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附性與AASHTO T283評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，水煮法定性評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附等級(jí)、接觸角法定量評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附功與AASHTO T283評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)的決定系數(shù)分別為0.1956、0.2731、0.4793，0.8179、0.7173、0.7997，說(shuō)明接觸角法粘附功定量評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附性能夠較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性；同時(shí)三種瀝青的粘附能力依次為C>B≥A，七種石料的粘附能力依次為平?jīng)錾蠗钍規(guī)r>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖>東樂(lè)石灰?guī)r>永登玄武巖>出卜拉溝玄武巖>定西花崗巖。

接觸角法； 瀝青-石料粘附性； 路用性能； 評(píng)價(jià)方法

1 引 言

近年來(lái)，由于瀝青-石料粘附失效所產(chǎn)生的病害，不僅發(fā)生在潮濕多雨地區(qū)，在少雨干旱地區(qū)由于瀝青的老化致使瀝青-石料粘附失效產(chǎn)生的病害也廣泛存在，如脫粒、松散、松散等。國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青-石料粘附性的研究，基本上基于以下六種理論：力學(xué)理論、化學(xué)反應(yīng)理論、表面能理論、表面構(gòu)造理論、分子定向理論和靜電理論。在以上六種理論基礎(chǔ)上，衍生出諸多試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附性。

國(guó)外ASTM D 4541“Pull-off Strength of Coatings using Portable Adhesion Testers”可用來(lái)確定涂料與金屬基層之間的粘附力的強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)的魏建明[1]博士受此啟發(fā)，采用類(lèi)似的儀器與方法，將涂層換為瀝青或者瀝青膠漿，金屬基層使用石料代替，采用力學(xué)手段研究瀝青與石料間的粘附強(qiáng)度；Leopoldo[2]等通過(guò)化學(xué)試驗(yàn)表明，石料與瀝青中腐殖酸反應(yīng)產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物使瀝青-石料具有了粘附性，且在酸性條件下，產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物疏水，而在中性和堿性條件下則不疏水。此外Curti[3]調(diào)查了瀝青和石料界面交互作用，結(jié)果表明瀝青和石料的交互作用取決于石料的化學(xué)成分，瀝青的化學(xué)成分也影響其之間的相互作用，但遠(yuǎn)低于石料的作用；Elphingstone[4]的研究結(jié)果表明，混合料的疲勞和抗水損害性能可以通過(guò)表面自由能的計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)，并且指出石料的性質(zhì)極大地影響著瀝青-石料的粘附過(guò)程，同時(shí)瀝青的影響較??；張肖寧[5]等利用激光三角測(cè)量技術(shù)微距測(cè)量系統(tǒng)對(duì)不同表面構(gòu)造的石料進(jìn)行分形維數(shù)測(cè)定，分形維數(shù)越大，表面結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，以此來(lái)選取石料，可提高路面抗滑性能和瀝青-石料粘附性；Perry[6]認(rèn)為瀝青與石料之間的粘附性，主要是由于瀝青中的極性分子與石料表面的極性分子定向吸附形成的，他從分子的極性方面闡述了瀝青-石料粘附的機(jī)理，并提出了物理吸附與化學(xué)吸附的概念。嚴(yán)家伋[7]認(rèn)為當(dāng)瀝青與石料接觸時(shí)，瀝青-石料體系形成雙電層而產(chǎn)生靜電引力。它可以看作一個(gè)電容器由于兩種不同的物質(zhì)接觸而充電，界面的作用力就是雙電層之間的作用力。例如某些膠粘劑從被粘物上剝離時(shí)有明顯電荷的存在便是對(duì)該理論的有力證明。在室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，國(guó)內(nèi)外常用水煮法-簡(jiǎn)單、快速評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附等級(jí)的一種方法，但由于要求“微沸”的試驗(yàn)條件，水煮后取出石料產(chǎn)生的“二次污染”以及人為定性觀測(cè)評(píng)級(jí)，致使所得結(jié)果精準(zhǔn)性差，重現(xiàn)性不高。因此，選取一種簡(jiǎn)單可靠且適合甘肅省定量評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附性的評(píng)價(jià)方法具有十分重要的意義。

躺滴法(Sessile Drop Method)是利用光學(xué)手段測(cè)量接觸角的一種方法，此方法可評(píng)估固體表面局部區(qū)域的潤(rùn)濕情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可直接測(cè)量介于液滴基線和液/固/氣三相接觸點(diǎn)處的液/固界面切線間的角度，即接觸角。本文采用躺滴法，選取甘肅省常用三種瀝青、七種石料，進(jìn)行接觸角試驗(yàn)，計(jì)算瀝青-石料粘附功，利用AASHTO T283標(biāo)準(zhǔn)水損害評(píng)價(jià)方法進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，所得的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)分別與水煮法定性評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附等級(jí)、接觸角法定量評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附功進(jìn)行相關(guān)性分析，比較兩種評(píng)價(jià)方法與路用性能的線性關(guān)系，并將甘肅省常用三種瀝青、七種石料進(jìn)行粘附性優(yōu)異程度排序。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

試驗(yàn)選擇甘肅省常用七種石料作為研究對(duì)象。分別為玄武巖(黑山湖、永登、出卜拉溝)、石灰?guī)r(東樂(lè)、平?jīng)錾蠗?、蛇紋巖(玉石灣)、花崗巖(定西)。相關(guān)石料特性如表1所示。

表1 石料特性Tab.1 Characteristics of stones

瀝青選用甘肅省常用三種瀝青A、B、C，瀝青特性、紅外光譜對(duì)比、SEM元素相對(duì)含量等數(shù)據(jù)如表2、3以及圖1、2所示。

表2 瀝青特性Tab.2 Characteristics of asphalt

表3 不同品牌瀝青元素相對(duì)含量Tab.3 Different brands of asphalt element relative content

圖1 三種瀝青紅外光譜對(duì)比圖Fig.1 Three kinds of asphalt infrared spectrum comparison chart

2.2 試驗(yàn)方法

水煮法和AASHTO T283水損害試驗(yàn)方法分別采用規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E-20-2011)和《高性能瀝青路面(Superpave)基礎(chǔ)參考手冊(cè)》。許濤等[8]對(duì)比浸水馬歇爾、凍融劈裂、AASHTO T283(改進(jìn)的洛特曼法)三種瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)，結(jié)果表明AASHTO T283(改進(jìn)的洛特曼法)比較真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際(如施工過(guò)程中的短期老化，路面的碾壓，揉搓 成型方式以及早期空隙率；多次凍融條件下，溫度脹縮作用和瀝青乳化對(duì)瀝青混合料的影響)，是目前國(guó)際上最嚴(yán)格、最有效的評(píng)價(jià)方法。三種瀝青-七種石料組成的21種瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)曲線圖如3所示。

接觸角法包括躺滴法[9]、Wilhelmy吊片法[10]以及毛細(xì)管上升法(燈芯法)[11-13]。躺滴法試驗(yàn)時(shí)，首先將加熱呈液態(tài)瀝青注入微量注射器中，將微量注射器安裝在接觸角儀推進(jìn)器上，打開(kāi)高溫加熱控制裝置，使瀝青溫度保持163 ℃融化狀態(tài)下3 min，然后定量滴落在石料表面，最后通過(guò)圖像分析軟件分析瀝青在石料表面的形狀，獲取瀝青-石料的接觸角，通過(guò)粘附功本構(gòu)方程計(jì)算瀝青-石料粘附功。Murat[14]等利用躺滴法與Wilhelmy吊片法和萬(wàn)能吸附裝置測(cè)量接觸角進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：躺滴法是一種較為客觀精確的測(cè)量接觸角的方法。

圖2 B瀝青SEM圖(a)及元素相對(duì)含量示意圖(b)Fig.2 SEM schematic image (a) and elements relative content (b) of B bitumen

3 結(jié)果與討論

3.1 水煮法定性評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附等級(jí)

利用水煮法，人為定性評(píng)價(jià)三種瀝青與七種石料的粘附等級(jí)，所得結(jié)果如圖4所示。

圖3 21種瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)曲線圖Fig.3 21 kinds of asphalt mixture gradation design graphs

圖4 三種瀝青-七種石料粘附等級(jí)Fig.4 Three kinds of asphalt-seven kinds of stone adhered rating

結(jié)果表明，瀝青的粘附優(yōu)異等級(jí)分別為C>B≥A，石料的粘附優(yōu)異等級(jí)分別為平?jīng)錾蠗钍規(guī)r=東樂(lè)石灰?guī)r=出卜拉溝玄武巖>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖=永登玄武巖>定西花崗巖。

3.2 接觸角法定量評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附功

利用躺滴法，測(cè)量三種瀝青與七種石料的接觸角，計(jì)算粘附功定量評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附性，所得結(jié)果如圖4所示。

表4 三種瀝青-七種石料接觸角及粘附功Tab.4 Three kinds of asphalt-seven kinds of stones contact angle and adhesion work

圖5 三種瀝青-七種石料粘附功對(duì)比圖Fig.5 Comparison chart of three kinds of asphalt-seven kinds of stone adhesion work

由表4和圖5可知，同種瀝青下，七種石料的粘附功大小依次為平?jīng)錾蠗钍規(guī)r>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖>東樂(lè)石灰?guī)r>永登玄武巖>出卜拉溝玄武巖>定西花崗巖。同種石料下，三種瀝青的粘附功大小依次為C>B≥A。

3.3 水穩(wěn)定性

依據(jù)瀝青混合料AASHTO T283水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法對(duì)七種石料、三種瀝青進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)，凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)值如表5所示。

同種瀝青，不同種石料橫向比較水穩(wěn)定性，由好到壞的趨勢(shì)為平?jīng)鍪規(guī)r>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖>永登玄武巖>東樂(lè)石灰?guī)r>出不拉溝玄武巖>定西花崗巖；同種石料，不同種瀝青縱向比較瀝青抵抗水損害能力大小趨勢(shì)為C>B>A。

表5 三種瀝青-七種石料凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)Tab.5 Three kinds of asphalt-seven kinds of stone thaw splitting strength ratio (TSR)

注：TSR單位%

3.4 相關(guān)性分析

利用水煮法定性評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附等級(jí)、接觸角法定量評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附功分別與AASHTO T283評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)進(jìn)行相關(guān)性分析，所得決定系數(shù)R2如圖6～8所示。

圖6 A瀝青-七種石料粘附等級(jí)(a)、粘附功(b)與TSR線性相關(guān)性Fig.6 Linear correlation of A asphalt-seven kinds of stone adhesion level (a), adhesion work (b) with TSR

圖7 B瀝青-七種石料粘附等級(jí)(a)、粘附功(b)與TSR線性相關(guān)性Fig.7 Linear correlation of B asphalt-seven kinds of stone adhesion level (a), adhesion work (b) with TSR

圖8 C瀝青-七種石料粘附等級(jí)(a)、粘附功(b)與TSR線性相關(guān)性Fig.8 Linear correlation of C asphalt-seven kinds of stone adhesion level (a), adhesion work (b) with TSR

如圖6～8所示，水煮法定性評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附等級(jí)，三種瀝青-七種石料凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)的線性關(guān)系決定系數(shù)R2分別為0.1956、0.2731、0.4793，R2值較小，說(shuō)明水煮法定性評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附等級(jí)不能準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性；接觸角法所得粘附功定量的評(píng)價(jià)了瀝青-石料粘附特性，粘附功與瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)的線性關(guān)系決定系數(shù)R2值分別為0.8179、0.7173、0.7997，說(shuō)明接觸角法粘附功定量評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附性能夠較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性，接觸法對(duì)于研究瀝青-石料粘附性和瀝青混合料路用性能更具有參考價(jià)值。

4 結(jié) 論

(1)水煮法粘附等級(jí)定性評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附性，瀝青的粘附優(yōu)異等級(jí)分別為C>B≥A，石料的粘附優(yōu)異等級(jí)分別為平?jīng)錾蠗钍規(guī)r=東樂(lè)石灰?guī)r=出卜拉溝玄武巖>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖=永登玄武巖>定西花崗巖；

(2)接觸角法粘附功定量評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附性，同種石料下，三種瀝青的粘附功大小依次為C>B≥A，同種瀝青下，七種石料的粘附功大小依次為平?jīng)錾蠗钍規(guī)r>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖>東樂(lè)石灰?guī)r>永登玄武巖>出卜拉溝玄武巖>定西花崗巖；

(3)AASHTO T283試驗(yàn)方法TSR評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性，同種石料，不同種瀝青縱向比較瀝青抵抗水損害能力大小趨勢(shì)為C>B>A，同種瀝青，不同種石料橫向比較水穩(wěn)定性，由好到壞的趨勢(shì)為平?jīng)鍪規(guī)r>玉石灣蛇紋巖>黑山湖玄武巖>永登玄武巖>東樂(lè)石灰?guī)r>出不拉溝玄武巖>定西花崗巖；

(4)水煮法定性評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附等級(jí)、接觸角法定量評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附功分別與AASHTO T283評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)的決定系數(shù)分別為0.1956、0.2731、0.4793，0.8179、0.7173、0.7997，說(shuō)明接觸角法粘附功定量評(píng)價(jià)瀝青-石料粘附性能夠較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性，接觸法對(duì)于研究瀝青-石料粘附性和瀝青混合料路用性能更具有參考價(jià)值。

[1] 魏建明.瀝青/集料的表面自由能及水分在瀝青中的擴(kuò)散研究[D].北京:中國(guó)石油大學(xué)學(xué)位論文,2008.

[2] Influence of humic acids on oil sand processing.Part I: Detection and quantification of humic acids in oil sand ores and their effect on bitumen wettability[J].InternationalJournalofMineralProcessing,2014,126:117-125.

[3] Curtis C W.Investigation of asphalt-aggregate interactions in asphalt pavements[J].Abstr.Pap.Am.Chem.Soc.,1992,204:29-45.

[4] Elphingstone G M.Adhesion and cohesion in asphalt-aggregate systems[D].Texas A&M University,1997.

[5] 張肖寧,孫楊勇.粗集料的表面微觀紋理的激光測(cè)量方法及分形性質(zhì)研究[J].公路交通科技.2011(1):19-24.

[6] Perry L M,Whidbee B,Robets S.SHRP-A-341: Fundamental properties of asphalt-aggregate interactions including adhesion and absorption: adsorption and desorption of asphalt models from MRL aggregates[R].Washington, DC: Strategic Highway Research Program, National Research Council, 1994.

[7] 嚴(yán)家伋.道路建筑材料[M].北京:人民交通出版社，1997.

[8] 許 濤,黃曉明.瀝青混合料水損害性評(píng)價(jià)方法研究[J].公路,2013,(8):13-17.

[9] Ardebrant H,Pugh R J.Wetting studies on silicate minerals and rocks used in bituminous highways[J].ColloidsandSurfaces,1991,(58):111-130.

[10] Yildirim I.Surface free energy characterization of powders[D].Blacksburg:Virginia Polytechnic Institute and State University,2001.

[11] Biliski B,Holysz L.Some theoretical and experimental limitations in the determination of surface free energy of siliceous solids[J].PowderTechnology,1999,102(2):120-126.

[12] Sinkonde D,Wen H,Xiao Y.Evaluate the simple surface energy of aggregates using the capillary rise method[J].JournalofTestingandEvaluation,2007,35(6):618-623.

[13] Drelich J,Bukka K,Miller J D.Surface tension of toluene-extracted bitumens from Utah oil sands as determined by wilhelmy plate and contact angle techniques[J].Energy&Fuels,1994,8(3):700-704.

[14] Murat K, Rifat B.Assessment of a sessile drop device and a new testing approach measuring contact angles on aggregates and asphalt binders[J].J.Mater.Civ.Eng.,2014,26:391-398.

Adhesion Properties of Asphalt-stone and Road Performance Based on Contact Angle Method

WANGJin-feng1,LIXiao-min2,ZHANGGuo-hong2,3,HANQing-kui3,4,GAOFeng1,WEIDing-bang3

(1.Offshore Oil & Gas Development & Utilization Company,Beijing 100025,China;2.Gansu Province Transportation Planning Survey and Design Institute Co. Ltd,Lanzhou 730030,China;3.Gansu Changlong Institute of Highway Maintenance Technology Ltd,Lanzhou 730203,China;4.Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Diseases, such as loose, threshing, pockmarked face, pits, etc., because of asphalt-stone adhesion failure, can decline the usability of asphalt pavement endanger traffic safety. The surface free energy based on the theory of sessile drop method as the contact angle method in the evaluation of asphalt-stone adhesion test method, because of its simple, quantitative evaluation, small human error and other features, has become a recent research hot spots to evaluate the asphalt-stone adhesive properties. In this paper, sessile drop method as the test method, three brands asphalts in the Northwest Territories and seven kinds of typical stones in Gansu Province as the research object. Water cooking method and sessile drop method assess asphalt-stone adhesion, meanwhile AASHTO T283 method assess water stability of asphalt mixture. The results showed that water cooking method-qualitatively evaluate adhesion levels asphalt-stone, the contact angle method-quantitatively evaluate adhesion work of asphalt-stone, with AASHTO T283-evaluate freeze-thaw splitting strength ratio (TSR) about water stability of asphalt mixture their determine coefficients are 0.1956,0.2731,0.4793,0.8179,0.7173,0.7997, respectively. Therefore, the contact angle method evaluates quantitatively adhesion work of asphalt-stone can be more accurate evaluation on water stability of asphalt mixture; Simultaneously three asphalt adhesion ability order was C> B≥A, seven stone adhesion ability on the order of Pingliang Shangyang limestone> Jade Bay serpentinite> Black Lake basalt> Dongle limestone> Yongdeng basalt> Chubolagou basalt > Dingxi granite .

contact angle method;asphalt-stone adhesion;road performance;evaluation methods

王金鳳(1966-)，女，正高級(jí)工程師.主要從事道路材料與養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究.

張國(guó)宏，工學(xué)博士，高級(jí)工程師.

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2389-07