長期老化對瀝青表面能及其與集料黏附性的影響

雷俊安, 鄭南翔, 董善真

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司, 云南 昆明 650051)

瀝青材料在路面施工和后期運(yùn)營使用過程中,必然會發(fā)生熱氧老化、紫外老化等現(xiàn)象[1-2],進(jìn)而影響其與集料的黏附性以及混合料的水穩(wěn)定性.中國常采用水煮法或水浸法評價瀝青-集料間的黏附性,這種試驗(yàn)方法受人為因素影響較大,無法對瀝青與集料之間的黏附性進(jìn)行準(zhǔn)確量化[3-4].隨著界面理論的不斷發(fā)展,應(yīng)用表面自由能理論評價瀝青與集料之間黏附性的研究越來越多[5-6].Elphingstone[7]研究表明運(yùn)用表面能理論能很好地分析瀝青與集料的黏附性.李海蓮等[8]、李波等[9]等運(yùn)用表面能理論研究了的溫拌苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青的黏附性.Cheng等[10-11]運(yùn)用表面能原理測試了10種瀝青的表面能參數(shù),并計算了瀝青-集料的黏附功,發(fā)現(xiàn)其與凍融劈裂強(qiáng)度比之間有良好的相關(guān)性.Hefer等[12]運(yùn)用表面能理論研究了有水作用下瀝青與集料的剝落過程,發(fā)現(xiàn)水的pH值越大，其剝落功越大.魏建明等[13]采用躺滴法測試了瀝青的表面能,發(fā)現(xiàn)其與瀝青-集料之間拉拔強(qiáng)度相吻合.季節(jié)等[14]基于表面能理論建立了有/無水條件下瀝青-集料黏附模型,發(fā)現(xiàn)水的存在降低了瀝青-集料的界面黏附能力.羅蓉等[15]基于表面能理論得出黏附性從大到小依次為玄武巖、石灰?guī)r、花崗巖、石英砂巖、破碎礫石.李振霞等[16]研究了熱老化對瀝青混合料的抗水損害性能,發(fā)現(xiàn)熱老化能夠提升混合料的抗水損害性能.楊進(jìn)宇等[17]研究了短期老化對溫拌瀝青表面能的影響,發(fā)現(xiàn)短期老化增加了溫拌瀝青的表面能.

國內(nèi)外學(xué)者多從表面能角度出發(fā)研究了原樣瀝青與集料之間的黏附性,但針對長期老化之后瀝青的表面能及其與集料的黏附性研究較少,且不同類型瀝青長期老化后的黏附性變化不同.因此,本文針對不同類型的瀝青,基于表面能理論和接觸角試驗(yàn),研究了長期老化作用對瀝青表面能及其與不同類型集料黏附性的影響.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

選取基質(zhì)瀝青(BA)、SBS改性瀝青(SBS-MA)、橡膠瀝青(RA)、高黏瀝青(HVA)4種瀝青,瀝青的基本性質(zhì)見表1.選取石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖3種集料(5～10mm),其基本性質(zhì)見表2.

表1 瀝青的基本性質(zhì)

表2 集料的基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1長期老化試驗(yàn)

首先對4種瀝青試樣進(jìn)行短期老化試驗(yàn),試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(RTFOT),老化瓶中瀝青質(zhì)量控制為(35.0±0.5)g,老化溫度為(163.0±0.5)℃,老化時間為85min.將短期老化后的4種瀝青試樣收集起來,倒進(jìn)老化盤內(nèi),裝入壓力老化試驗(yàn)儀中,將壓力容器壓強(qiáng)調(diào)整為(2.1±0.1)MPa,溫度保持在90～110℃,試驗(yàn)時間為20h,即完成長期老化試驗(yàn).

1.2.2接觸角試驗(yàn)

選取3種表面能參數(shù)已知的液體：蒸餾水、丙三醇和乙二醇,測試其與老化前后瀝青和集料的接觸角,液體的表面能參數(shù)見表3.

表3 液體表面能參數(shù)

(1)瀝青的接觸角測試 首先,將瀝青樣品加熱至165℃,使其完全融化成液體并攪拌均勻;然后,將干燥的載玻片完全浸入熱瀝青,充分黏附后將載玻片緩慢拿出,使其表面形成1層光滑的瀝青,待冷卻后,對載玻片周圍進(jìn)行修整;最后,將3種液體滴到瀝青膜片上.

(2)集料的接觸角測試 首先,對3種集料進(jìn)行切割處理，形成平坦的表面;然后,用粗、細(xì)砂紙對集料表面進(jìn)行細(xì)致的拋光,打磨后的集料用蒸餾水多次清洗并放入105℃的烘箱中烘干至恒重;最后,將3種液體滴到集料光滑的表面上.

用OCA20型光學(xué)視頻接觸角測定儀,在25℃下進(jìn)行接觸角測試,每個樣品進(jìn)行3次平行測試,結(jié)果取平均值.

1.2.3表面能及黏附性理論

γSV-γSL=γLVcosθ

(1)

式中：γSV、γSL和γLV分別為固-氣、固-液和液-氣界面張力;θ為液、固、氣三相平衡時的接觸角.

由楊氏方程可以推導(dǎo)出判斷潤濕過程的公式.

沾濕：

Wa=γSV+γLV-γSL=γLV(cosθ+1)

(2)

浸濕：

Wi=γSV-γSL=γLVcosθ

(3)

鋪展：

S=γSV-(γSL+γLV)=γLV(cosθ-1)

(4)

式中：Wa、Wi和S分別為黏附功、浸潤功和鋪展系數(shù).

黏附功又可以用固、液兩相中各自的極性分量和色散分量來表示：

(5)

由于瀝青的加熱溫度、滴落高度及液滴的大小難以控制,測得的瀝青與集料的接觸角離散性較大,因此選擇式(5)計算黏附功.將式(5)帶入式(2)中：

(6)

將式(6)進(jìn)行變換：

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 接觸角

集料與液體的接觸角見表4.由表4可見：集料與3種液體的接觸角均表現(xiàn)為石灰?guī)r<玄武巖<輝綠巖;石灰?guī)r最容易被液體所潤濕.

表4 集料與液體的接觸角

瀝青與液體的接觸角見圖1.由圖1可見：老化前后4種瀝青的接觸角大小均表現(xiàn)為BA>SBS-MA>RA>HVA,4種瀝青中基質(zhì)瀝青最容易被液體所浸潤,而高黏瀝青最不易被液體所浸潤;4種瀝青經(jīng)過老化后,與不同液體的接觸角均明顯增大,其中老化后瀝青與水的接觸角中,基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠瀝青和高黏瀝青分別增大了2.72°、1.80°、2.08°和1.68°,老化對基質(zhì)瀝青的影響最為明顯,對高黏瀝青影響最小;瀝青與水的接觸角在一定程度上反應(yīng)了瀝青混合料的抗水損害性能,老化后瀝青與水的接觸角增大，表明老化增加了瀝青的疏水性能,老化在一定程度上提升了瀝青混合料的抗水損害能力.

圖1 瀝青與液體的接觸角Fig.1 Contact angle between asphalt and liquid

2.2 表面能

物質(zhì)具有從高能量狀態(tài)趨向于低能量穩(wěn)定狀態(tài)的特性,物體的表面能越大就越不穩(wěn)定,只有通過減小自己的面積來達(dá)到減小表面能的目的,因此表面能越大，物體所具有的吸附能力也就越強(qiáng).根據(jù)測得的液體與瀝青及集料的接觸角和3種液體的表面能,結(jié)合式(7)可以計算得到瀝青和集料的表面能,集料的表面能及其分量見表5,老化前后瀝青的表面能及其分量見圖2.

表5 集料的表面能及其分量

圖2 老化前后瀝青的表面能及其分量Fig.2 Surface energy and its components of asphalt before and after aging

由表5可見：不同集料的表面能大小不同,石灰?guī)r的表面能最大,因此其對瀝青的吸附能力也越強(qiáng);輝綠巖的表面能最小；玄武巖的表面能居中，與石灰?guī)r相接近.

2.3 黏附功

黏附功表征了瀝青與集料黏附性能.圖3為根據(jù)瀝青和集料的表面能參數(shù)計算得到的老化前后瀝青-集料的黏附功Wa.

圖3 老化前后瀝青-集料的黏附功Fig.3 Adhesion work of asphalt-aggregate before and after aging

由圖3可以看出：對3種巖性集料而言,4種瀝青老化前后與集料的黏附功均表現(xiàn)為HVA>RA>SBS-MA>BA,表明高黏瀝青與集料的黏附性能最好;對于同種瀝青而言,老化前后其與集料的黏附功均為石灰?guī)r>玄武巖>輝綠巖,表明3種集料中石灰?guī)r與瀝青黏附性最好;所選取的巖性集料和瀝青組合中,高黏瀝青與石灰?guī)r的黏附性能最好,基質(zhì)瀝青與輝綠巖的黏附性能較差;經(jīng)過長期老化后,除基質(zhì)瀝青與3種集料的黏附功變化不大之外,其余3種瀝青與集料的黏附功均有所降低,SBS改性瀝青、橡膠瀝青、高黏瀝青與3種集料的黏附功分別平均降低了3.71%、3.13%、2.01%,表明長期老化對SBS改性瀝青黏附性影響最為明顯,對基質(zhì)瀝青黏附性影響最小.

3 結(jié)論

(1)長期老化增大了瀝青與水的接觸角,基質(zhì)瀝青(BA)、SBS改性瀝青(SBS-MA)、橡膠瀝青(RA)、高黏瀝青(HVA)與水的接觸角分別增大了2.72°、1.80°、2.08°、1.68°,瀝青的疏水性能增強(qiáng),說明老化在一定程度上提升了瀝青混合料的抗水損害能力;老化前后瀝青與水的接觸角大小為BA>SBS-MA>RA>HVA.

(2)表面能大小依次為HVA>RA>SBS-MA>BA,長期老化降低了瀝青的表面能,老化后BA、SBS-MA、RA、HVA的表面能分別降低了1.98%、7.43%、6.47%、3.22%,表面能的降低增大了瀝青混合料中集料的剝落性能.

(3)長期老化降低了瀝青與集料的黏附性,長期老化后SBS-MA、RA、HVA瀝青的黏附功平均降低了3.71%、3.13%、2.01%,長期老化對SBS改性瀝青黏附性影響最明顯.