溫拌再生瀝青混合料體系粘結(jié)特性研究

摘 要：為研究溫拌再生過程中不同粘結(jié)體系的強(qiáng)度，依據(jù)表面自由能理論，計(jì)算不同體系的破壞比表面自由能，分析再生混合料中不同條件下的粘結(jié)強(qiáng)度變化情況。研究結(jié)果顯示：再生瀝青混合料中存在三類粘結(jié)破壞形式;瀝青的表面能主要由色散分量組成，瀝青老化或加入溫拌劑后，均使酸堿作用力發(fā)生變化;無水條件下的粘結(jié)破壞需要能量作用，而浸水條件則會(huì)使再生瀝青混合料的破壞變?yōu)樽园l(fā)進(jìn)行;溫拌再生條件下，混合料水穩(wěn)定性的降低主要是由于瀝青老化后，與集料粘附能力的降低。

關(guān)鍵詞：道路工程;溫拌再生瀝青混合料;粘附作用;水穩(wěn)定性

瀝青路面本質(zhì)上是粘結(jié)材料組成的柔性層狀體系，其強(qiáng)度主要來源于材料所具有的抗剪強(qiáng)度，該強(qiáng)度可以用庫倫方程來表達(dá)，其中：為集料顆粒間擠嵌形成的內(nèi)摩擦角，為正應(yīng)力，c為瀝青提供的粘聚力，瀝青所具有的粘聚力不僅對混合料強(qiáng)度的形成有著重要影響，還在瀝青路面抗水損壞中起著重要的作用。參考瀝青再生理論，瀝青混合料的再生過程中，混合料內(nèi)部粘附界面增多，除新拌瀝青混合料中存在的新瀝青-集料粘附界面外，還增加了多種類型的老化瀝青粘附界面，且界面的強(qiáng)度形成主要依靠瀝青之間的粘附效應(yīng)，這些界面在研究中往往被認(rèn)為結(jié)合能力較弱，易發(fā)生剝離，直接影響到了再生路面材料的抗水損害能力，尤其在溫拌條件下，RAP表面的老化瀝青在拌合過程中幾乎沒有脫離集料，同時(shí)，較低的溫度條件減弱了新-舊瀝青間的融合，形成了明顯的應(yīng)力集中界面[1]-[2][3]。國內(nèi)外學(xué)者通過研究瀝青與礦物集料粘附的發(fā)生原因和過程，認(rèn)為瀝青-集料的粘附力主要由機(jī)械結(jié)合力、物理吸附力、化學(xué)鍵結(jié)合力構(gòu)成[4]，物理吸附力主要包括范德華力和氫鍵，其形成原因可以用表面自由能原理解釋，瀝青和集料表面均存在不飽和立場，對其他物質(zhì)具有自發(fā)的吸附特征，將瀝青與集料混合以后，瀝青可以緊密的吸附于集料表面。當(dāng)瀝青中的酸性成分與集料中的堿性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合力，化學(xué)鍵結(jié)合力相對于范德華力和氫鍵具有能高的強(qiáng)度和耐久性。

再生瀝青混合料內(nèi)的瀝青可依據(jù)粘附形式分為結(jié)構(gòu)瀝青及自由瀝青，結(jié)構(gòu)瀝青通過潤濕及吸附作用粘附在集料表面，自由瀝青則與集料不發(fā)生任何物理化學(xué)反應(yīng)，僅裹附在結(jié)構(gòu)瀝青外層。再生瀝青混合料體系中的粘結(jié)破壞可以視為粘附作用的逆過程，當(dāng)破壞發(fā)生于結(jié)構(gòu)瀝青與集料之間或新-舊瀝青界面，則認(rèn)為是粘附性破壞;發(fā)生于自由瀝青內(nèi)部，則認(rèn)為是粘聚性破壞。

瀝青的表面自由能由色散分量與極性分量組成，其中色散分量占主要部分。對比溫拌瀝青與基質(zhì)瀝青的表面能可知，加入溫拌劑后，瀝青的表面自由能、色散分量、極性分量降低，Lewis酸（）分量降低，Lewis堿（）分量增大。對比老化瀝青、基質(zhì)瀝青的表面自由能分量可知，瀝青老化后整體的表面自由能降低，色散分量所占比例增大，極性分量比例降低。這是因?yàn)槔匣淖兞藶r青的化學(xué)組成，輕質(zhì)組分（芳香分、飽和分）的比例降低瀝青質(zhì)和膠質(zhì)增多。相關(guān)研究表明，瀝青的表面自由能與飽和分、芳香分、瀝青質(zhì)和蠟含量呈負(fù)相關(guān)，與膠質(zhì)含量呈正相關(guān)，與瀝青中C、H、O、N、S等非金屬元素的含量具有較好的二次方程關(guān)系，與Ni、V、Fe等金屬元素含量的相關(guān)性不顯著，瀝青老化后表面自由能降低[5]。

瀝青與石灰?guī)r在無水條件下發(fā)生粘附性破壞時(shí)的比表面自由能均大于零，破壞后體系的表面能增大。表明該破壞過程從外界吸收了能量，根據(jù)表面能原理，該破壞過程不能自發(fā)進(jìn)行，瀝青石灰?guī)r集料均能夠形成良好的粘附效果。通過分析有水條件下瀝青-集料體系的粘附性破壞可知：破壞過程的比表面自由能均小于零，表明有水條件下瀝青會(huì)自發(fā)的從集料表面剝落。并且，比表面自由能極性分量大于色散分量，說明水侵入粘附體系后，主要通過降低瀝青-集料粘附體系的化學(xué)吸附能實(shí)現(xiàn)瀝青與集料的剝離。

結(jié)論

通過分析再生瀝青混合料中瀝青與集料的粘結(jié)特征，認(rèn)為再生瀝青混合料中存在如下粘附形式：新瀝青-集料、舊瀝青-集料、新瀝青-舊瀝青。同時(shí)，瀝青混合料的粘結(jié)破壞可以分為瀝青-瀝青之間的粘聚破壞，瀝青-集料、新、舊瀝青之間的粘附破壞;

瀝青的表面能主要由色散分量組成，瀝青老化或加入溫拌劑后，均使Lewis堿分量增大，Lewis酸分量降低;

在無水條件下，粘附與粘聚破壞需要在能量的作用下才能發(fā)生;當(dāng)有水侵入時(shí)，再生混合料體系中的粘附與粘聚破壞則會(huì)自發(fā)進(jìn)行;

溫拌再生條件下，新瀝青與舊瀝青之間的結(jié)合面通常不產(chǎn)生破壞，水穩(wěn)定性的降低應(yīng)主要由于RAP中瀝青-集料粘附性能的劣化，易出現(xiàn)剝蝕破壞，導(dǎo)致了溫拌再生混合料相比新拌混合料的水穩(wěn)定性降低。

參考文獻(xiàn)

[1]陳輝強(qiáng)，郭鵬，鄭智能，王威娜.界面作用下溫拌再生混合料設(shè)計(jì)方法及其水穩(wěn)性研究[J].公路，2016，61（12）：7-11.

[2]張德鵬，徐金枝，郝培文，Benjamin F.Bowers， Baoshan Huang， Xiang Shu， Brad C.Miller.基于GPC和FTIR的再生混合料新舊瀝青融合程度研究[J].中外公路，2016，36（06）：214-219.

[3]李琳，尹玉霞.高比例RAP摻量熱再生SMA混合料新舊料融合性及工廠化生產(chǎn)參數(shù)研究[J].公路工程，2016，41（04）：232-236+260.

[4]郝培文，張肖寧.瀝青與瀝青混合料[M].北京：人民交通出版社，2009.

[5]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].山東：中國石油大學(xué)，2008.

作者簡介

李韋劍（1994-），男，壯族，云南昆明人，工學(xué)碩士在讀，主要從事環(huán)保型筑路材料的研發(fā)與應(yīng)用方面研究。