溫拌再生瀝青混合料體系粘結特性研究

摘 要：為研究溫拌再生過程中不同粘結體系的強度，依據表面自由能理論，計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強度變化情況。研究結果顯示：再生瀝青混合料中存在三類粘結破壞形式;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，均使酸堿作用力發生變化;無水條件下的粘結破壞需要能量作用，而浸水條件則會使再生瀝青混合料的破壞變為自發進行;溫拌再生條件下，混合料水穩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。

關鍵詞：道路工程;溫拌再生瀝青混合料;粘附作用;水穩定性

瀝青路面本質上是粘結材料組成的柔性層狀體系，其強度主要來源于材料所具有的抗剪強度，該強度可以用庫倫方程來表達，其中：為集料顆粒間擠嵌形成的內摩擦角，為正應力，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，且界面的強度形成主要依靠瀝青之間的粘附效應，這些界面在研究中往往被認為結合能力較弱，易發生剝離，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，較低的溫度條件減弱了新-舊瀝青間的融合，形成了明顯的應力集中界面[1]-[2][3]。國內外學者通過研究瀝青與礦物集料粘附的發生原因和過程，認為瀝青-集料的粘附力主要由機械結合力、物理吸附力、化學鍵結合力構成[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，對其他物質具有自發的吸附特征，將瀝青與集料混合以后，瀝青可以緊密的吸附于集料表面。當瀝青中的酸性成分與集料中的堿性成分發生化學反應時，會產生化學鍵結合力，化學鍵結合力相對于范德華力和氫鍵具有能高的強度和耐久性。

再生瀝青混合料內的瀝青可依據粘附形式分為結構瀝青及自由瀝青，結構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生任何物理化學反應，僅裹附在結構瀝青外層。再生瀝青混合料體系中的粘結破壞可以視為粘附作用的逆過程，當破壞發生于結構瀝青與集料之間或新-舊瀝青界面，則認為是粘附性破壞;發生于自由瀝青內部，則認為是粘聚性破壞。

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。這是因為老化改變了瀝青的化學組成，輕質組分（芳香分、飽和分）的比例降低瀝青質和膠質增多。相關研究表明，瀝青的表面自由能與飽和分、芳香分、瀝青質和蠟含量呈負相關，與膠質含量呈正相關，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系，與Ni、V、Fe等金屬元素含量的相關性不顯著，瀝青老化后表面自由能降低[5]。

瀝青與石灰巖在無水條件下發生粘附性破壞時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，根據表面能原理，該破壞過程不能自發進行，瀝青石灰巖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自發的從集料表面剝落。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吸附能實現瀝青與集料的剝離。

結論

通過分析再生瀝青混合料中瀝青與集料的粘結特征，認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，瀝青混合料的粘結破壞可以分為瀝青-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生;當有水侵入時，再生混合料體系中的粘附與粘聚破壞則會自發進行;

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

參考文獻

[1]陳輝強，郭鵬，鄭智能，王威娜.界面作用下溫拌再生混合料設計方法及其水穩性研究[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參數研究[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散研究[D].山東：中國石油大學，2008.

作者簡介

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