基于表面能的Sasobit?影響WMA劈裂強度機理研究

孔令云，徐 燕，成志強

（1.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室，重慶 400074；2.四川省內江市交通運輸局，四川 內江 641000；3.山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

傳統瀝青混合料拌和技術一般分為熱拌與冷拌兩種，其中熱拌瀝青混合料耗能多，污染大，而冷拌瀝青混合料使用范圍有限.鑒于兩者缺陷，溫拌瀝青混合料（WMA）應運而生.溫拌瀝青混合料是一類使用特定技術或降黏劑使混合料在較低溫度下進行拌和、攤鋪及壓實，其拌和溫度介于熱拌（150～180℃）瀝青混合料和冷拌（30～50℃）瀝青混合料之間，性能達到（接近）熱拌瀝青混合料的新型路面材料［1］.Sasobit?溫拌劑可直接摻入瀝青結合料中，經過簡單的機械攪拌即可使用，不需要高速剪切拌和［1－2］，因此被廣泛應用.但相關研究［3－5］發現，相同礦料且同種級配的瀝青混合料在摻入Sasobit?溫拌劑后會使其劈裂強度、凍融劈裂強度明顯降低，但目前對造成這種現象的原因尚無深入研究.

一般情況下，瀝青與礦料的黏附性會直接影響到瀝青混合料劈裂強度.相關文獻［6－8］表明，可采用瀝青表面自由能來表征瀝青的黏附性，而瀝青的黏附性又直接關系到混合料的劈裂強度.因此，本研究從材料表面能角度出發，首先通過躺滴法測定了Sasobit?溫拌劑摻量（質量分數，本文所涉及的摻量等除特別指明外均為質量分數）分別為0%，2%，3%，4%的瀝青表面自由能（SFE），并分析SFE 及相關參數的影響；其次對應成型不同Sasobit?溫拌劑摻量下的瀝青混合料馬歇爾試件，并測定試件劈裂強度、凍融劈裂強度；最后分析不同Sasobit?溫拌劑摻量下瀝青混合料劈裂強度與瀝青表面自由能之間的關系，以此探究Sasobit?溫拌瀝青混合料劈裂強度降低的原因，為Sasobit?溫拌瀝青混合料性能改善提供理論基礎.

1 瀝青表面自由能測定原理

表面自由能為在真空條件下分開固體或液體并產生一個新的界面所需要的功［9－10］.依據Fowkes［11］以及Owens［12］的研究理論，瀝青表面自由能可表示為：

式中：γb為瀝青表面自由能，mJ／m2；分別為瀝青色散分量和極性分量，mJ／m2.

瀝青的色散分量與極性分量可依據Young角度方程［13］進行計算.Young接觸角如圖1所示.

依據圖1可建立Young角度方程，其實質為液體在固體表面上的接觸角度與材料表面自由能的關系，其公式為：

圖1 Young接觸角示意圖Fig.1 Young contact angle diagram［13］

式中：γgs為固體的表面張力；γgl為液體的表面張力；γls為固體－液體的界面張力；θ為γgl與γls的夾角.

固體－液體的界面張力又可表示為：

式中：γl為液體表面能；γs為固體表面能；為液體色散分量；為液體極性分量；為固體色散分量；為固體極性分量.

綜合上述各式可推出：

2 瀝青表面自由能測定

采用高速剪切機分別制備Sasobit?摻量為0%，2%，3%，4%的瀝青樣品并加熱至163 ℃，將3cm×6cm 薄鋁板置于烘箱中，60 ℃條件下預熱2h后蘸入瀝青，并懸掛起來，冷卻至室溫后，將其置于干燥環境中，24h后即可進行接觸角測試.試驗環境溫度為25℃.

采用HARKE－SPCAx1接觸角測量儀測定不同滴定液體與瀝青的接觸角.所選滴定液體均具有較大表面自由能且各不相同［14］，常溫下不易與瀝青發生反應.滴定液體基本參數［15］見表1.

表1 25℃下5種滴定液體的表面自由能及各分量Table 1 SFE and each component of liquid at 25℃［15］

滴定液體與瀝青接觸后成像，測定液滴高度H與寬度2R，依據式（7）［16］反算接觸角.每種滴定液體進行5次測角，每次測角時采用小液滴法進行6次測量，即每種滴定液體條件下的瀝青試樣有30個角度測量值，試驗結果見表2.

表2 25℃下所測接觸角的平均值及相對誤差Table 2 Average value and relative error of contact angle at 25℃

為驗證數據有效性，采用Kwok方法［10，17］進行檢驗：對于給定的某一固體，不同滴定液體的γlcosθ與γ1存在線性關系.本研究中線性決定系數R2均大于0.85，說明這兩者的線性關系較為明確.依據式（1）回歸計算不同Sasobit?摻量下的瀝青表面自由能，計算結果見圖2.

圖2 不同Sasobit?摻量下的瀝青表面自由能及各分量Fig.2 SFE of asphalts with different contents of Sasobit?

由圖2可知：

（1）所測瀝青表面自由能為24.920～28.633mJ／m2，與已有文獻［16］相近；與極性分量相比，色散分量所占瀝青表面自由能的比例較大［18－19］.

（2）與未摻Sasobit?時相比，摻入Sasobit?后使得瀝青表面自由能降低，與文獻［10］結論一致，但Sasobit?溫拌劑摻量與瀝青表面自由能的降低幅度無明顯規律.

（3）與未摻Sasobit?時相比，摻入Sasobit?后瀝青的色散分量降低，但同時增大了瀝青的極性分量，且Sasobit?摻量為2%，4%時，瀝青極性分量的增幅較明顯.

（4）與未摻Sasobit?時相比，摻入2%，3%，4%Sasobit? 后，瀝青表面自由能的降幅分別達到5.1%，3.6%，11.3%；色散分量降幅達到8.4%，4.0%，14.9%；極性分量增幅則達到68.9%，5.3%，69.2%，說明Sasobit?對瀝青極性分量影響較大，而對瀝青表面自由能、色散分量的影響較小.

3 混合料劈裂強度測定

試驗中制備AC－13C型Sasobit?溫拌瀝青混合料馬歇爾試件.所用原材料：Sasobit?摻量分別為基質70＃瀝青質量的0%，2%，3%，4%；集料分別采用石灰巖、花崗巖.混合料級配見表3，根據馬歇爾設計方法，通過擊實試驗確定的油石比為4.8%.試件成型條件：基質瀝青混合料擊實溫度為150℃，根據“擊實溫度－空隙率”關系（見表4），確定溫拌瀝青混合料擊實溫度為130℃（拌和后的基質瀝青混合料置于150℃烘箱中、溫拌瀝青混合料置于130℃烘箱中各恒溫2h）；采用標準擊實儀雙面擊實各50次［20］.試驗分成未凍組試件（在25 ℃水浴中2h）及凍融組試件（按規范［20］對其進行凍融循環）.測試2 組試件的（凍融）劈裂強度，試驗結果見表5.

表3 級配設計表Table 3 Gradation design

4 瀝青表面自由能與劈裂強度關聯分析

從圖2及表5可知，無論是花崗巖或石灰巖，瀝青表面自由能較大時，則瀝青混合料劈裂強度、凍融劈裂強度較大；隨著Sasobit?溫拌劑摻量的增加，瀝青表面自由能變化規律與對應混合料的劈裂強度、凍融劈裂強度變化規律相似，說明瀝青表面自由能的變化可較好解釋瀝青混合料劈裂強度的波動規律.

表4 Sasobit?溫拌瀝青混合料擊實溫度及其空隙率Table 4 Compaction temperature－void ratio of Sosabit?warm mix asphalt mixture

Sasobit?溫拌瀝青混合料劈裂強度、凍融劈裂強度與瀝青色散分量、極性分量關系見圖3.

從圖3可知，石灰巖或花崗巖瀝青混合料劈裂強度均與瀝青極性分量呈負相關，與瀝青色散分量呈正相關.摻入Sasobit?溫拌劑會降低瀝青的色散分量，同時增大瀝青的極性分量，因此摻有Sasobit?溫拌劑的瀝青混合料其劈裂強度降低.

原因是瀝青的色散分量主要包括London色散力、Debye誘導力、Keesom 取向力［9］，屬于黏附功中的物理黏附分量，其絕對值越大，則物理黏附越大，因此瀝青混合料的劈裂強度與瀝青色散分量呈正相關；而瀝青極性分量則包括Lewis酸作用力以及Lewis堿作用力［10］，其值越大，水分子就越容易吸附于瀝青表面［21］，從而導致瀝青與礦料界面發生剝離，最終影響瀝青混合料劈裂強度.

表5 劈裂強度試驗結果Table 5 Results of splitting strength

根據以往研究可知，瀝青的黏附性可用瀝青表面自由能來表征，而瀝青的黏附性又直接關系到瀝青混合料的劈裂強度［6－8］.Sasobit?固體石蠟由Fischer－Tropsch方法合成，主要為長鏈脂肪族碳氫化合物，呈疏水性，其碳鏈長度為40～100［22］，因而具有更高的熔點（約為100～130℃），可完全熔融于溫度高于115℃的瀝青之中.Sasobit?的摻入增大了瀝青的疏水性，降低了瀝青的表面自由能［10］.由此可見，本文結果與以往相關研究結論基本一致，同時進一步明確了瀝青混合料劈裂強度與瀝青表面自由能之間的定量關系.

圖3 瀝青混合料劈裂強度與瀝青極性分量、色散分量的關系Fig.3 Relationship between splitting strength of asphalt mixture and each component of asphalt

5 結論

（1）Sasobit?溫拌劑對瀝青極性分量影響較大，對瀝青表面自由能、色散分量影響較小.

（2）瀝青表面自由能越大，瀝青混合料劈裂強度越大；Sasobit?溫拌劑降低了瀝青表面自由能，故摻有Sasobit?溫拌劑的瀝青混合料劈裂強度降低.

（3）瀝青混合料劈裂強度與瀝青極性分量呈負相關，而瀝青混合料劈裂強度與瀝青色散分量呈正相關；Sasobit?溫拌劑在一定程度上減小了瀝青的色散分量，同時較大程度地增大了瀝青的極性分量，致使摻有Sasobit?溫拌劑的瀝青混合料劈裂強度降低.

（4）為了提高Sasobit?溫拌瀝青混合料的劈裂強度，改善其水穩定性，從表面能的角度，可采取增大瀝青混合料體系表面能的措施，如在瀝青混合料中添加可增大體系表面能的材料；對Sasobit?溫拌劑進行升級換代，增大Sasobit?溫拌瀝青的色散分量或減小其極性分量等等.

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