鄧 沖，羅 蓉，張德潤(rùn)

(1.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引言

礫石是一種典型酸性石料，主要成分二氧化硅的含量超過(guò)了65%，其與瀝青的黏附性能較差，但是它具有耐磨耗性能強(qiáng)、石質(zhì)堅(jiān)硬、致密等優(yōu)點(diǎn)，能使集料之間的骨架嵌擠作用得到充分發(fā)揮，滿足瀝青路面強(qiáng)度、抗滑、耐磨耗等功能性要求[1-2]。若能通過(guò)合理的技術(shù)方法改善礫石與瀝青之間的黏附性，提高破碎礫石瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，結(jié)合其顯著的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，其極有可能成為理想的筑路材料，在保證瀝青路面路用性能的同時(shí)，降低公路工程長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)堿性集料資源的依賴，節(jié)省大量工程建設(shè)成本，從而實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

摻加抗剝落劑是目前國(guó)內(nèi)道路工程界改善酸性石料與瀝青黏附性能最常用的方法之一，常用的做法是運(yùn)用水煮法評(píng)定抗剝落劑摻加前后瀝青與酸性集料的黏附性等級(jí)，從而評(píng)價(jià)抗剝落劑對(duì)酸性石料黏附性能的改善效果，并且抗剝落劑的最佳摻量的確定方法，大多數(shù)是通過(guò)集料與瀝青黏附性等級(jí)提升幅度、瀝青混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比等水穩(wěn)定性指標(biāo)變化確定或直接經(jīng)驗(yàn)性的推薦[3-6]。其操作簡(jiǎn)單，快速便捷，但是水煮法以肉眼評(píng)判為主，人為主觀性強(qiáng)，且僅限于定性評(píng)價(jià)，同時(shí)現(xiàn)有的水穩(wěn)定性指標(biāo)均是從宏觀路用性能出發(fā)，并未涉及瀝青混合料微觀介質(zhì)界面黏附機(jī)理[7-10]。鑒于此，針對(duì)破碎礫石這種典型酸性石料，本研究采用表面能測(cè)試技術(shù)，從瀝青與集料黏附的微觀形成機(jī)理出發(fā)，定量分析抗剝落劑對(duì)破碎礫石與瀝青之間的黏附性影響并推薦最佳的抗剝落劑摻量，并且進(jìn)行宏觀路用性能試驗(yàn)輔以驗(yàn)證，以期為破碎礫石等酸性石料瀝青混合料的水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供一條新的思路與方法。

1 道路材料的表面能基本理論

1.1 表面能定義及基本參數(shù)

在保持恒定溫度、壓力與組成不變時(shí)，每當(dāng)增加單位表面積時(shí)，吉布斯自由能(Gibbs Free Energy)的增加值即為材料的表面自由能(簡(jiǎn)稱“表面能”)，材料的表面能通常采用γ表示，單位為ergs/cm2。材料的表面能由兩個(gè)基本分量組成[11-12]，即極性的路易斯酸堿分量(Lewis Acid-Base，γAB)與非極性的范德華色散分量(Lifshitz Van der Walls，γLW)。其中，γAB又包含路易斯酸分量(電子受體分量，γ+)和路易斯堿分量(電子供體分量，γ-)。γLW,γ+,γ-共同構(gòu)成了材料表面能的3個(gè)基本參數(shù)，其表達(dá)式如下所示：

(1)

1.2 道路材料的表面能評(píng)價(jià)體系

1.2.1 多相材料結(jié)合能運(yùn)算法則

將表面能理論運(yùn)用至道路工程領(lǐng)域，對(duì)于瀝青單相材料、瀝青-集料兩相材料、瀝青-集料-水三相材料的結(jié)合能及其分量的計(jì)算公式分別如下式所示[13-15]：

瀝青單相：

(2)

瀝青-集料兩相：

(3)

瀝青-集料-水三相：

(4)

1.2.2 瀝青混合料水穩(wěn)定性的表面能評(píng)價(jià)指標(biāo)

(5)

通常瀝青潤(rùn)濕集料表面是瀝青與集料黏附的前提，因此更高潤(rùn)濕性能的瀝青與同種集料之間能夠產(chǎn)生更好的黏附性能，這一特性可采用潤(rùn)濕系數(shù)S表征[17]：

S=γs-γls-γl。

(6)

另一方面，瀝青對(duì)集料的潤(rùn)濕本質(zhì)是瀝青自身內(nèi)聚性能與瀝青-集料界面黏附性能兩者之間的平衡，故需考慮瀝青自身的內(nèi)聚性能，并且運(yùn)用式(7)進(jìn)一步評(píng)價(jià)瀝青與集料組合的水穩(wěn)定性[18-19]：

(7)

綜上所述，將應(yīng)用表面能體系評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的指標(biāo)匯總于表1。

表1 瀝青混合料水穩(wěn)定性的表面能評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Surface energy evaluation indicators of water stability of asphalt mixture

由表1可以看出，3種表面能指標(biāo)均可用于定量評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，故可以運(yùn)用這些指標(biāo)定量研究抗剝落劑對(duì)破碎礫石瀝青混合料的水穩(wěn)定性影響；同時(shí)結(jié)合表面能的基本運(yùn)算法則可知，準(zhǔn)確測(cè)試破碎礫石及摻加不同摻量抗剝落劑瀝青的表面能3個(gè)基本參數(shù)是前提與基礎(chǔ)。

2 破碎礫石及不同摻量抗剝落劑瀝青的表面能參數(shù)測(cè)試

2.1 原材料

破碎礫石產(chǎn)自湖南岳陽(yáng)長(zhǎng)江一帶河卵石，通過(guò)三級(jí)破碎加工而成，同時(shí)瀝青選用道路石油基質(zhì)70#瀝青，對(duì)破碎礫石與瀝青進(jìn)行基本性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 破碎礫石及瀝青基本材料指標(biāo)Tab.2 Indicators of crushed gravel and basic asphalt material

圖1 水煮后破碎礫石表面瀝青嚴(yán)重剝離Fig.1 Severely stripped asphalt on surface of crushed gravel after boiling

由表2中試驗(yàn)結(jié)果可知，本研究采用的破碎礫石的壓碎值、磨耗值、針片狀等基本性能指標(biāo)均完全滿足規(guī)范要求，且性能十分優(yōu)異，但其與瀝青的黏附性能(2級(jí))遠(yuǎn)低于瀝青路面的技術(shù)要求，因此本研究采用摻加非胺類AMR(II型)瀝青抗剝落劑用來(lái)改善瀝青與集料的黏附性能?？箘兟鋭┑幕拘阅苤笜?biāo)如表3所示。

2.2 蒸氣吸附法測(cè)試破碎礫石表面能參數(shù)

蒸氣吸附法因其充分考慮了集料的形狀特征、表面紋理、棱角性等表觀特性，所以被認(rèn)為是目前測(cè)試集料表面能參數(shù)最為準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法[13]。它的基本原理是由向盛有集料試樣的密封腔體內(nèi)分別逐階通入3種已知表面能參數(shù)的測(cè)試試劑蒸氣(蒸餾水、2-戊酮、甲苯)直到趨近飽和蒸氣壓p0，通過(guò)擬合并繪出集料對(duì)3種測(cè)試試劑蒸氣的吸附等溫線n，然后計(jì)算集料對(duì)3種測(cè)試試劑的表面擴(kuò)散壓力πe，最后由式(8)建立方程組解得集料試樣的3個(gè)表面能基本參數(shù)。

表3 非胺類AMR(II型)瀝青抗剝落劑性能指標(biāo)Tab.3 Performance indicators of non-amine AMR (type II) asphalt anti-stripping agent

(8)

采用蒸氣吸附法測(cè)試破碎礫石樣品在20 ℃條件下的表面能參數(shù)，每組試驗(yàn)重復(fù)測(cè)試3次，3種測(cè)試試劑的表面能參數(shù)如表4所示，由式(8)得到的破碎礫石表面能參數(shù)列于表5中，從表5中表面能參數(shù)分布情況可知破碎礫石的表面能參數(shù)由極性堿分量γ-主導(dǎo)。

表4 測(cè)試試劑的表面能參數(shù)Tab.4 Surface energy parameters of test reagent

表5 破碎礫石的表面能參數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test result of surface energy parameters of crushed gravel

2.3 插板法測(cè)試不同摻量抗剝落劑瀝青的表面能參數(shù)

為研究抗剝落劑對(duì)破碎礫石與瀝青之間黏附性的影響，同時(shí)確定抗剝落劑的最佳摻量，將抗剝落劑分別以0%(未摻)，0.2%，0.4%，0.6%，這4種不同摻量摻入基質(zhì)70#瀝青中制備而成抗剝落劑改性瀝青。

本研究采用全自動(dòng)表面張力儀，由插板法測(cè)試不同摻量抗剝落劑改性瀝青的表面能參數(shù)，其采用的基本原理為接觸角理論[14]，即制備涂膜玻片，通過(guò)物理力學(xué)平衡原理測(cè)試涂膜玻片浸入測(cè)試試劑過(guò)程中形成的穩(wěn)定接觸角θ(如圖2所示)，然后通過(guò)Young-Dupre方程聯(lián)立方程組解得瀝青的表面能基本參數(shù)[15]。

(9)

圖2 插板法測(cè)試原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of test principle of Wilhelmy plate method

采用這一試驗(yàn)方法測(cè)試20 ℃、不同抗剝落劑摻量改性瀝青的表面能參數(shù)，為減小試驗(yàn)過(guò)程中的人為操作等引起的誤差，選取4種已知表面能參數(shù)的試劑作為測(cè)試試劑(蒸餾水、甲酰胺、乙二醇、丙三醇)，每組試驗(yàn)重復(fù)測(cè)試5次，然后通過(guò)超靜定方程組求解瀝青的3個(gè)表面能基本參數(shù)。測(cè)試得到的穩(wěn)定接觸角如表6所示，方程組求解得到的不同摻量抗剝落劑改性瀝青的表面能參數(shù)如表7所示。

從表6、表7中可以看出：摻加抗剝落劑后，接觸角θ隨摻量增加而呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，瀝青的γLW及γ-顯著降低，γ+則呈現(xiàn)基本增大的趨勢(shì)，總的表面能γ隨摻量的增加逐漸減小。結(jié)果表明：抗剝落劑的摻加會(huì)降低瀝青的表面能，進(jìn)而增加瀝青對(duì)集料的潤(rùn)濕性。

表6 不同摻量抗剝落劑改性瀝青的接觸角試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test result of contact angle of modified asphalt with different contents of anti-stripping agent

表7 不同摻量抗剝落劑改性瀝青的表面能試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Test result of surface energy of modified asphalt with different dosages of anti-stripping agent

3 破碎礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性定量分析

結(jié)合表5、表7測(cè)試得到的破碎礫石及瀝青的表面能參數(shù)，運(yùn)用公式(2)～(4)分別計(jì)算得到瀝青自身的內(nèi)聚能以及瀝青-集料組合在無(wú)水及有水條件下的結(jié)合能，繼續(xù)運(yùn)用公式(5)～(7)計(jì)算可得破碎礫石瀝青混合料的水穩(wěn)定性表面能評(píng)價(jià)指標(biāo)，將計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示，并繪制相應(yīng)曲線如圖3、圖4所示。

表8 破碎礫石瀝青混合料的結(jié)合能及水穩(wěn)定性的表面能評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.8 Calculation result of binding energy of crushed gravel asphalt mixture and surface energy of water stability

圖3 破碎礫石瀝青混合料結(jié)合能隨摻量變化的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between binding energy of crushed gravel asphalt mixture and dosage

圖4 破碎礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性指標(biāo)隨摻量變化的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between water stability indicators of crushed gravel asphalt mixture and dosage

從圖3中可以看出：隨著抗剝落劑摻量的不斷增加，瀝青自身的內(nèi)聚能逐漸降低，瀝青與破碎礫石在無(wú)水及有水狀態(tài)下的結(jié)合能不斷增大，并且在摻量為0.4%時(shí)達(dá)到峰值。這表明抗剝落劑摻量為0.4%時(shí)，瀝青與破碎礫石之間的黏附性能最佳，且水對(duì)破碎礫石瀝青混合料產(chǎn)生的剝離程度最小。

從圖4中同樣可以得到：各表面能的水穩(wěn)定性指標(biāo)與潤(rùn)濕系數(shù)都隨抗剝落劑摻量的增加而呈逐漸增大趨勢(shì)，且在摻量為0.4%時(shí)達(dá)到峰值，說(shuō)明綜合考慮瀝青與破碎礫石界面的黏附性能及抗剝落性能以及瀝青自身的內(nèi)聚性，瀝青抗剝落劑的最佳摻量為0.4%，且不同摻量抗剝落劑破碎礫石瀝青混合料的水穩(wěn)定性排序?yàn)椋?.4%摻量>0.6%摻量>0.2%摻量>0%摻量。

同時(shí)結(jié)合瀝青與破碎礫石自身的表面能分布以及瀝青對(duì)破碎礫石的潤(rùn)濕系數(shù)變化規(guī)律，可以推斷出，摻加抗剝落劑對(duì)破碎礫石與瀝青的黏附性改善的微觀機(jī)理主要體現(xiàn)為：

(2)在降低瀝青表面能的非極性分量γLW的同時(shí)顯著提高其極性酸分量γ+，與以堿分量γ-為主的破碎礫石形成互補(bǔ)，黏附結(jié)合能非極性分量小幅降低的同時(shí)極性分量得到大幅提高，瀝青與破碎礫石的黏附結(jié)合性能總體增大。

4 破碎礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證本研究提出的表面能評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠性，采用規(guī)范中推薦的試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)應(yīng)不同抗剝落劑摻量的破碎礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用的粗集料及細(xì)集料均為破碎礫石，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，采用的瀝青及抗剝落劑與上文相同，選用的級(jí)配類型為AC-20C，本研究選用的礦料級(jí)配曲線如圖5所示，確定的最佳油石比為4.0%。

圖5 試驗(yàn)選用的級(jí)配曲線Fig.5 Gradation curves selected for test

試驗(yàn)嚴(yán)格控制破碎礫石材料、級(jí)配、油石比等始終保持一致，進(jìn)行抗剝落劑摻量分別為0%，0.2%，0.4%，0.6%的破碎礫石瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表9所示。

表9 破碎礫石瀝青混合料的試驗(yàn)方案Tab.9 Test scheme of crushed gravel asphalt mixture

其中，為了更有效反映破碎礫石瀝青混合料的抗水侵蝕能力，本研究除了進(jìn)行常規(guī)的浸水馬歇爾試驗(yàn)方案，還增加了真空飽水馬歇爾試驗(yàn)項(xiàng)目。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將對(duì)應(yīng)于表9中各試驗(yàn)方案得到的測(cè)試結(jié)果匯總于表10中。將各指標(biāo)隨抗剝落劑摻量的變化關(guān)系繪制如圖6所示。

從圖6中可以看出：破碎礫石瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度、真空飽水浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比排序?yàn)椋?.4%摻量>0.6%摻量>0.2%摻量>0%摻量，這與表面能計(jì)算推導(dǎo)得出的排序結(jié)果一致，因此驗(yàn)證了本研究提出的水穩(wěn)定性的表面能評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠性。

表10 破碎礫石瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.10 Test result of water stability indicators of crushed gravel asphalt mixture

圖6 破碎礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test result of water stability indicators of crushed gravel asphalt mixture

5 結(jié)論

(1)采用蒸氣吸附法測(cè)試了破碎礫石的表面能參數(shù)，從表面能的分布情況來(lái)看破碎礫石的表面能參數(shù)以極性堿分量γ-主導(dǎo)；

(2)采用插板法測(cè)試了4種不同抗剝落劑摻量的瀝青表面能參數(shù)，摻入抗剝落劑后，瀝青的γLW及γ-顯著降低，γ+呈現(xiàn)基本增大的趨勢(shì)，總的表面能γ隨摻量的增加逐漸減小，由此可知，抗剝落劑的摻加會(huì)降低瀝青的表面能，進(jìn)而增加瀝青對(duì)集料的潤(rùn)濕性。

(3)通過(guò)瀝青與破碎礫石自身的表面能分布以及瀝青對(duì)破碎礫石的潤(rùn)濕系數(shù)變化，可以推斷出，摻加抗剝落劑對(duì)破碎礫石與瀝青之間的黏附性改善主要體現(xiàn)在降低瀝青自身的內(nèi)聚能，進(jìn)而增加其對(duì)集料的潤(rùn)濕性，以及提高瀝青的表面能酸分量γ+進(jìn)而增加其與集料的黏附結(jié)合能兩個(gè)方面。

(4)通過(guò)計(jì)算破碎礫石瀝青混合料的結(jié)合能以及表面能的水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后進(jìn)行瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證，可得出破碎礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性的微觀表面能評(píng)價(jià)指標(biāo)與宏觀性能試驗(yàn)指標(biāo)的排序相同，由此論證了表面能體系用于破碎礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性定量分析的準(zhǔn)確性。