基于表面自由能理論的瀝青優選原則及方法*

顧曉燕 成志強

(青海交通職業技術學院1) 西寧 810000) (重慶交通大學土木建筑學院2) 重慶 400074)

基于表面自由能理論的瀝青優選原則及方法*

顧曉燕1)成志強2)

(青海交通職業技術學院1)西寧 810000) (重慶交通大學土木建筑學院2)重慶 400074)

基于瀝青混合料力學強度的瀝青材料優選原則，分別研究了不同標號、不同品牌瀝青，其常規性能指標(如針入度、軟化點、延度、布氏黏度)與瀝青表面自由能、極性分量、色散分量之間的關系，提出瀝青材料的優選方法.結果表明，隨瀝青表面自由能、色散分量的增大，對應瀝青混合料劈裂強度亦呈增大趨勢，而隨瀝青極性分量增大，其劈裂強度呈減小趨勢；瀝青材料優選時，宜采用表面自由能大、色散分量大、極性分量小的瀝青；瀝青表面自由能及其參數與瀝青常規指標間均呈現較好線性關系，且瀝青表面自由能與針入度、10 ℃延度指標呈負相關關系，與軟化點、135 ℃布氏黏度呈正相關關系；考慮瀝青混合料力學強度，在滿足現行規范要求的前提下，瀝青宜選用“針入度小、軟化點高、延度小、黏度大”的瀝青.

道路工程；瀝青混合料；劈裂強度；表面自由能；性能指標；優選原則

0 引 言

瀝青作為瀝青混合料中的膠黏材料，其材料性能直接影響瀝青混合料力學強度，進而影響瀝青路面的路用性能及使用壽命.瀝青混合料強度不足，則容易發生低溫開裂及水損等病害.目前，較大多數研究集中在礦料級配、混合料空隙率、油石比等宏觀性參數對瀝青混合料劈裂強度的影響，如彭勇等[1]研究了瀝青混合料空隙率、瀝青膜厚度、粉膠比等因素對瀝青混合料劈裂強度的影響；陸學元等[2]研究了礦料關鍵性篩孔0.075，4.75,9.5 mm篩孔通過率對瀝青混合料劈裂強度及水穩性能的影響.而對原材料性能，尤其是瀝青材料表面自由能等相關參數對瀝青混合料劈裂強度的影響相關方面研究尚少.

采用表面自由能理論評價瀝青-礦料的黏附性研究始于1997年，Elphingstone[3]采用表面自由能理論進行瀝青混合料的抗水損害和疲勞性能的預測研究；Cheng[4]測定并計算分析出有水、無水兩種條件下瀝青-礦料的黏附功，并較好解釋瀝青混合料水損害的機理；Bhasin等[5]提出采用表面自由能可對瀝青-礦料黏附性進行量化表征；Jonathan等[6]采用表面自由能理論研究了聚合物改性瀝青對瀝青-礦料水穩性能的影響；成志強等[7-8]基于表面自由能理論開展了溫拌再生瀝青混合料劈裂強度、水穩性能等相關方面的研究.綜合國內外研究現狀，表面自由能理論可較好解釋瀝青-礦料界面強度形成及混合料水損害機理，可采用表面自由能理論對瀝青-礦料黏附性進行量化表征，并預測瀝青混合料路用性能.

研究基于表面自由能(surface free energy,SFE)理論，建立瀝青表面自由能及其參數(極性分量、色散分量)與瀝青混合料的劈裂強度之間的關系，基于混合料強度提出瀝青材料的優選原則；為便于瀝青材料選擇，本研究進一步建立瀝青表面自由能、色散分量、極性分量與瀝青常規指標(如針入度、軟化點、延度、布氏旋轉黏度)之間的關系，從瀝青常規指標角度提出瀝青的優選方法.

1 瀝青表面自由能測試原理及方法

1.1 基本原理

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].研究采用躺滴法測試瀝青表面自由能，躺滴法是目前測試瀝青表面自由能及相關常熟較為常用的方法，該方法是將不同種類的已知表面能參數液體躺滴于瀝青試樣表面，通過測量不同躺滴液體與瀝青試樣之間的接觸角，反算瀝青試樣的表面能參數.

采用躺滴法進行瀝青表面自由能、瀝青極性分量、極性色散分量的測定，將瀝青表面自由能表示為

(1)

瀝青的色散分量與極性分量的計算可依據Young角度方程理論進行測定；Young接觸角原理見圖1.

圖1 Young接觸角原理圖

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

(2)

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.

通過測定已知表面自由能滴定液體在瀝青表面的接觸角，依據式(2)建立方程組即可求解瀝青表面自由能及相關參數.

1.2 測試方法

首先將待測瀝青試樣加熱，采用3 cm×6 cm薄鋁蘸入瀝青，并將其懸掛(見圖2)；待瀝青試樣冷卻至室溫后，置于干燥環境中24 h后進行接觸角測定試驗.文中接觸角θ的測量，采用HARKE-SPCAx1接觸角試驗儀器進行測量,見圖3.

圖2 瀝青試樣

圖3 小液滴測量法

當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(3)反算接觸角.

(3)

待瀝青試樣與不同滴定液體(參數見表1)接觸角測量后，按式(4)可進行瀝青極性分量、色散分量的計算.

(4) 表1 滴定液體參數(20 ℃) mJ·m-2

2 瀝青表面自由能與瀝青混合料劈裂強度的關系

采用4種不同瀝青作為研究對象，首先依據前述試驗方法進行4種瀝青表面自由能、極性分量、色散分量測定；其次分別成型相同級配(AC-13C型)，見圖4條件下的4種瀝青混合料，依據現行規范測定瀝青混合料凍前強度、凍后強度；并建立4種瀝青表面自由能、極性分量、色散分量與對應瀝青混合料劈裂強度的關系，試驗結果見圖5～7.

圖4 級配設計

圖5 瀝青混合料劈裂強度與表面自由能的關系曲線

圖6 瀝青混合料劈裂強度與極性分量的關系

圖7 瀝青混合料劈裂強度與色散分量的關系

由圖5～7可知：

1) 相同礦料前提下，表面自由能大的瀝青，其對應瀝青混合料的劈裂強度也較大，反之亦然；瀝青混合料劈裂強度的變化規律與瀝青表面自由能的變化規律基本一致，說明表面自由能理論一定程度上解釋說明瀝青混合料劈裂強度變化的試驗現象，符合材料表面自由能基本定義.

2) 建立瀝青色散分量、瀝青極性分量與瀝青混合料劈裂強度之間的關系；試驗結果表明，隨瀝青色散分量的增加，瀝青混合料劈裂強度亦增大；而瀝青極性分量的增加，瀝青混合料劈裂強度呈降低趨勢.

3) 瀝青極性分量主要為瀝青中Lewis酸、堿作用力，同時水為極性分子，瀝青極性分量越大，對水吸附作用越大，導致水積聚于瀝青-礦料接觸界面處，從而降低瀝青混合料整體力學強度；而瀝青色散分量主要為色散力、誘導力、取向力組成，該分量為瀝青黏附的物理分量，該值越大，其物理黏附作用力越大，瀝青混合料力學強度亦越大.

4) 瀝青路面原材選擇中，宜選用表面自由能大的瀝青；但表面自由能差別不顯著的幾種瀝青，宜選用色散分量大、極性分量小的瀝青，以提高瀝青混合料力學強度.

3 瀝青常規性能指標與表面自由能及參數的關系

為使研究結論更具普遍性與代表性，本研究分別采用不同標號(50#、70#、90#)、不同品牌(殼牌、蘭煉、克拉瑪依)的6種瀝青，研究其25 ℃針入度、軟化點、延度、布氏黏度等常規性能指標與瀝青表面自由能、極性分量、色散分量之間的關系，提出瀝青材料的優選方法.試驗結果見圖8～11.

圖8 瀝青25 ℃針入度與表面自由能之間的相關性

圖9 瀝青軟化點與表面自由能之間的相關性

圖10 瀝青10 ℃延度與表面自由能之間的相關性

圖11 瀝青135 ℃布氏黏度與表面自由能之間的相關性

由圖8～圖11可知：

1) 瀝青表面自由能和25 ℃針入度、延度、軟化點及布氏旋轉黏度間均呈現較好線性關系；且瀝青針入度、10 ℃延度指標與瀝青表面自由能呈負相關關系，瀝青軟化點、135 ℃布氏旋轉黏度與瀝青表面自由能呈正相關關系.

2) 針入度實際為一定質量負載的針尖墜入瀝青深度的度量，針入度越大，針尖墜入瀝青深度越大，墜入過程中，產生新瀝青接觸界面也越大；故針入度大的瀝青，其表面自由能越小，與試驗結果一致；其余指標分析方法類似，此處不再贅述.

3) 同種情況下，瀝青表面自由能越大，對應瀝青混合料劈裂強度越大；故瀝青路面原材選擇中，宜選用“針入度小、軟化點高、延度小、黏度大”的瀝青.

進一步研究了瀝青色散分量、瀝青極性分量與瀝青常規指標之間的關系，試驗結果見圖12～13.文中僅列出瀝青色散分量、瀝青極性分量與針入度的試驗結果，與其余指標如軟化點、延度、布氏黏度計等指標的關系，分析方法類似，本文不再贅述.

圖12 瀝青25 ℃針入度與極性分量之間的相關性

圖13 25 ℃針入度與瀝青色散分量之間的相關性

由圖12～13可知：

1) 瀝青極性分量、色散分量和25 ℃針入度之間具有一定的線性關系，且呈負相關關系，與表面自由能與瀝青25 ℃針入度關系相同，即“瀝青表面自由能與瀝青25 ℃針入度呈負相關關系”.

2) 瀝青軟化點、延度、布氏黏度與瀝青極性分量、色散分量同樣呈線性關系，且10 ℃延度指標與瀝青極性分量、色散分量呈負相關關系，瀝青軟化點、135 ℃布氏旋轉黏度與瀝青極性分量、色散分量呈正相關關系.

4 結 論

1) 表面自由能大的瀝青，對應的瀝青混合料劈裂強度較大，反之亦然；瀝青混合料劈裂強度的變化規律與瀝青表面自由能的變化規律基本一致；故在選用瀝青材料時，宜選用表面自由能大的瀝青作為原材，以提高瀝青混合料力學強度.

2) 隨瀝青色散分量的增加，瀝青混合料劈裂強度亦增大；而瀝青極性分量的增加，瀝青混合料劈裂強度呈降低趨勢；故在瀝青表面自由能相同的情況下，宜選用色散分量大、極性分量小的瀝青.

3) 建立瀝青表面自由能與瀝青常規性能指標的關系，得出瀝青表面自由能與瀝青各常規性能指標間存在較好線性關系；且瀝青針入度、10 ℃延度指標與瀝青表面自由能呈負相關關系，瀝青軟化點、135 ℃布氏旋轉黏度與瀝青表面自由能呈正相關關系；故瀝青路面原材選擇中，宜選用“針入度小、軟化點高、延度小、黏度大”的瀝青.

4) 瀝青極性分量、色散分量與瀝青常規指標之間亦呈線性關系，后續將對如何提高瀝青色散分量，降低瀝青極性分量進行深入研究，以提高瀝青混合料整體力學強度.

[1]彭勇,孫立軍,石永久,等.瀝青混合料劈裂強度的影響因素[J].吉林大學學報(工學版),2007,37(6):1304-1307.

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Asphalt Selection Principle and Method Based on Theory of Surface Free Energy

GU Xiaoyan1)CHENG Zhiqiang2)

(QinghaiCommunicationsTechnicalCollege,Xining810000,China)1)(SchoolofCivilEngineering&Architecture,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)2)

Based on the principle of asphalt material selection of asphalt mixture mechanical strength, this paper studies the effects of different grades and different brands of asphalt, the relationship among the regular performance indicators such as the penetration, softening point, ductility, brinell viscosity and surface free energy, polar component, dispersion component of those asphalts are built to put forward the asphalt material optimization methods. Results indicate that: the splitting strength of asphalt mixture has an increase tendency with the large of surface free energy and dispersion component, but has a decrease tendency with polar component. Asphalt material optimization principle is the largest surface free energy and dispersion component, but the smallest polar component of asphalt. It shows good linear relationship for conventional indicators with surface free energy and its parameters of asphalts. For surface free energy, it shows a negative correlation with penetration, 10 ℃ ductility, but positive correlation with softening point, 135 ℃ brinell viscosity. Premising of the current specification requirement, the asphalt is optimally selected, whose indexes are small penetration, high softening point, small ductility and high viscosity, considering the mechanical strength of asphalt mixture.

road engineering; asphalt mixture; splitting strength; surface free energy; performance index; selection principle

2017-02-01

*重慶交通大學研究生教育創新基金項目(20120121)、重慶市第五屆“科慧杯”研究生創新基金項目(51011)資助

U416

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.016

顧曉燕(1983—)：女，碩士，講師，主要研究領域為土木建筑材料