灰分對(duì)瀝青膠漿改性機(jī)理的研究

孫志永 李志勇 張麗娟

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088; 2.重慶交通大學(xué)土木學(xué)院，重慶 400074)

1 概述

天然瀝青是石油在自然界長期受地殼擠壓并與空氣、水接觸逐漸變化而形成的，以天然形態(tài)存在的石油瀝青，其中含有一定比例的礦物質(zhì)。按形成的環(huán)境可分為巖瀝青、湖瀝青、海底瀝青等。特立尼達(dá)湖瀝青，簡稱TLA，是一種產(chǎn)自于南美洲特立尼達(dá)的天然瀝青，其材料組成中灰分的含量較為固定，約為33%～39%[1]。由于灰分的存在，TLA在使用性能上與其他瀝青差別很大。本文主要目的在于分析灰分對(duì)湖瀝青改性瀝青膠漿的改性機(jī)理。試驗(yàn)所用基質(zhì)瀝青為中海油70號(hào)瀝青。

2 瀝青膠漿的粘附功

瀝青膠漿粘附功是指瀝青與集料粘附時(shí)而引起整個(gè)系統(tǒng)的亥姆霍茲自由能的減少量，它的大小等于把瀝青與集料之間單位界面分開之后形成兩個(gè)“裸露”單位面積所需要耗費(fèi)的功[2]。Fowkes認(rèn)為，跨越某一界面的粘附功(這里主要指瀝青與集料之間的粘附功)，可以由其分子間各特定類型相互作用所產(chǎn)生的粘附功的總和組成。根據(jù)范德華力理論和Lewis酸堿理論，不計(jì)微小的力，粘附功的表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

式中：Was——瀝青與集料之間的粘附功；

as——瀝青與集料界面；

根據(jù)范德華力理論，混合料進(jìn)行攪拌時(shí)，流動(dòng)的瀝青會(huì)對(duì)集料顆粒形成一層包圍膜，使原來的固、液獨(dú)立的結(jié)構(gòu)形成一種整體結(jié)構(gòu)。通過此理論，范德華力作用產(chǎn)生粘附功可用式(2)表示：

(2)

(3)

根據(jù)上面所述，Lewis酸堿性力作用產(chǎn)生的粘附功可轉(zhuǎn)化表示成:

(4)

(5)

(6)

其中，ΔS為填料的比表面積，比粘附功可用粘附功乘以比表面積的方式進(jìn)行計(jì)算；如用ΔWas表示比粘附功，其表達(dá)式如(7)所示：

ΔWas=Was×SS

(7)

通過粘附功Was含義可以得知，比粘附功ΔWas定義為將瀝青膠漿內(nèi)部的瀝青與礦粉分離開所做的功的大小，這個(gè)數(shù)值的大小能夠直接反映瀝青混合料所具有的強(qiáng)度。所以，對(duì)于不同填料制成的瀝青膠漿，其所采用相同的粉膠比時(shí)，如果瀝青膠漿此時(shí)所具有的比粘附功越大，則它就和填料之間的粘附越好，瀝青膠漿在路用性能方面的表現(xiàn)也就越好。

試驗(yàn)測(cè)得的瀝青和集料6個(gè)表面能量參數(shù)，逐一代入式(6)，即可得出瀝青在集料表面所形成的粘附功的大小。

3 集料的表面自由能

為了計(jì)算粘附功，需要通過試驗(yàn)的方法獲得集料的表面自由能，具體方法是通過試驗(yàn)測(cè)定接觸角獲得自由能參數(shù)(接觸角指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣—液界面的切線穿過液體與固—液交界線之間的夾角，是潤濕程度的量度[3])，按照直接測(cè)量物理量的不同，可分為量角法、測(cè)力法、長度法和透過法，本次試驗(yàn)測(cè)定集料的接觸角的方法擬采用透過測(cè)量法。

透過測(cè)量法主要依據(jù)柱管內(nèi)液體爬升的高度來測(cè)定所用填料與液體之間的接觸角。根據(jù)柱管內(nèi)所用液體爬升的高度h和時(shí)間t，然后通過毛細(xì)上升理論和式(8)，首先測(cè)出出填料與液體的接觸角，進(jìn)而計(jì)算出集料的表面自由能。試驗(yàn)所用材料為作為填料的石灰?guī)r礦粉和湖瀝青中的灰分。測(cè)定集料接觸角見圖1。

為測(cè)定石灰?guī)r礦粉及湖瀝青灰分的接觸角，本次試驗(yàn)選取去離子水、乙烷、甲酰胺三種液體，其表面自由能參數(shù)均為已知，其表面自由能參數(shù)見表1。

表1 液體的表面自由能參數(shù) MJ/m2

Washburn浸漬方程，如式(8)所示：

h2/t=(γlRcosθ)2η

(8)

式中：h——浸漬距離；

t——浸漬時(shí)間；

γl——液體的表面自由能；

R——毛細(xì)管的有效半徑；

θ——液體和固體之間的接觸角；

η——液體的粘度。

將因粘附作用而相互結(jié)合在一起的兩個(gè)物體，需要消耗一定的能量進(jìn)行做功才能分離它們，此過程中所做的功，稱為粘附功，一般用Wls表示，其表達(dá)式為:

Wls=γl(1+cosθ)

(9)

結(jié)合式(6)能夠得出：

(10)

式中：γl——液體的表面自由能；

θ——液體和固體之間的接觸角；

L——液體；

S——固體；

式(8)中，當(dāng)使用的液體表面自由能比較低時(shí)，此時(shí)的填料被液體完全浸潤，可以把cosθ=1看待，式(8)可以轉(zhuǎn)化成：

h2/t=γlR/2η

(11)

表2 不同填料的有效半徑和液體的接觸角

表3 不同填料的總表面能

4 填料的比表面積

比表面積是用來表示所有測(cè)試的顆粒在單位質(zhì)量下所具有表面積之和的指標(biāo)，一般用單位m2/kg或cm2/g表示。根據(jù)相關(guān)資料顯示，瀝青膠漿中所用填料粒度的大小與填料對(duì)瀝青的改性影響效果之間存在著一定的聯(lián)系，通常填料粒度的大小用比表面積來進(jìn)行表征。為了研究填料(礦粉、灰分)的粒度對(duì)基質(zhì)瀝青在改性效果上的作用，本文對(duì)不同填料(礦粉、灰分)的比表面積分別進(jìn)行了量測(cè)。試驗(yàn)過程中，采用馬爾文激光粒度儀對(duì)不同填料進(jìn)行了比表面積測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同填料比表面積測(cè)試結(jié)果

通過表4可以看出，礦粉的比表面積與目數(shù)之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，礦粉顆粒目數(shù)越多，其比表面積就越大；灰分的比表面積數(shù)值為1.225 m2/g，大于500目及其之前的礦粉，數(shù)值大小處于500目和600目的礦粉之間。

5 瀝青膠漿表面的自由能

表5 中海70號(hào)表面自由能各參數(shù) MJ/m2

6 瀝青膠漿的比粘附功

表6 不同填料瀝青膠漿的比粘附功

由表6可以得出：1)隨著礦粉目數(shù)的增加，礦粉瀝青膠漿的粘附功呈下降趨勢(shì)，即兩者呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。2)隨著礦粉目數(shù)的增加，瀝青膠漿的比粘附功呈增長趨勢(shì)，即礦粉目數(shù)越大，比粘附功越大。3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，湖瀝青灰分瀝青膠漿的粘附功和比粘附功的大小介于礦粉瀝青膠漿當(dāng)?shù)V粉目數(shù)為500目與600目之間的數(shù)值，且偏向于礦粉600目的數(shù)值。

7 結(jié)語

根據(jù)表面自由能理論，比粘附功在數(shù)值上能夠反映出瀝青膠漿與集料的粘結(jié)強(qiáng)度，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，湖瀝青灰分瀝青膠漿的比粘附功為85.26(僅僅略小于600目礦粉瀝青膠漿外)，湖瀝青具有灰分極小的粒徑，從而使其具有較大的比表面積是瀝青膠漿具有較大的比粘附功根本原因。同時(shí)也說明湖瀝青改性瀝青混合料具有較好的抗水損害的能力。