相對濕度對瀝青與集料黏附性的影響

羅 晶 羅 蓉 涂崇志

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術研究中心2) 武漢 430063)

0 引 言

瀝青路面投入使用的早期，水損害是主要破壞形式之一.水損害是導致瀝青路面出現坑槽、變形等病害的重要原因[1-3].

國內外對瀝青混合料水損害的研究，主要集中在水以液態形式滲入瀝青混合料內部，降低混合料的力學性質、進而產生混合料的損傷等方面.通常認為，瀝青混合料水損害產生的原因是液態水從路面裂縫、空隙滲入瀝青與集料的界面，在凍融、車輛動載產生的空隙水壓力或真空負壓吸附力作用下，使瀝青膜從集料表面剝落[4-5].然而，大量工程實踐表明，瀝青路面水損害并非僅出現在潮濕多雨地區，一些干旱少雨地區同樣出現了不容忽視的水損害現象[6-7].即使瀝青混合料不透水，混合料也一直隨著外界溫度和濕度變化不斷“吸入”和“呼出”水氣.水氣運動攜帶水分子以氣態形式進入瀝青混合料內部，同樣導致瀝青路面產生嚴重的水損害[8-10].有很多學者研究水氣在瀝青膜、瀝青膠砂、瀝青混合料中的擴散系數，并與液態水進行對比，證實了水氣更容易進入瀝青混合料內部[11].

已有學者運用表面能理論計算瀝青、集料之間的黏附功，評價瀝青與集料的黏附性，進而評價瀝青混合料的抗水損害能力[12-13].瀝青混合料的服役環境是復雜的,在空氣和路基之間的濕度梯度的影響下，水氣在混合料內部運動，導致瀝青混合料內部水分子含量不斷變化[14].不同水分子質量濃度環境下，瀝青、集料的表面性質也隨之發生變化，從而導致黏附性發生改變.文中將探究不同相對濕度對瀝青、集料的表面能參數以及瀝青與集料的黏附性的影響.

1 相對濕度對瀝青表面能參數的影響

1.1 表面能基本理論及試驗原理

1.1.1表面能基本定義

表面能是在恒溫恒壓條件下，系統增加單位表面積時外界必須對系統所做的功，用γ表示.現國際通用的三分量形式，將表面能參數γ分為非極性分量γLW和極性分量γAB，各分量單位均為erg/cm2.此分量形式下兩相材料之間的相互作用力的表達式為

(1)

1.1.2瀝青表面能測試試驗原理及方法

加熱瀝青使其均勻附著在玻片表面并冷卻，制備瀝青涂膜玻片.將瀝青玻片水平放置在試驗腔中，利用滴定針管釋放5 μL試劑到瀝青表面形成穩定液滴.通過光學影像設備捕捉測試試劑在固態瀝青表面形成的穩定接觸角，計算瀝青材料的表面能參數.接觸角是指常溫瀝青(固體)、測試試劑(液體)、空氣(氣體)之間的三相接觸點處，液體邊緣與固體表面形成的夾角.接觸角常用θ表示，見圖1.

圖1 接觸角示意圖

表面能參數的計算采用Young-Dupre方程為

(2)

將接觸角數據代入其中可計算瀝青的表面能參數.計算瀝青的表面能參數至少需要三種試劑測得三種接觸角值以聯立方程.

1.2 不同相對濕度瀝青表面能參數測試試驗

1.2.1試驗過程

選用70#基質瀝青和SBS改性瀝青，將制備好的瀝青玻片放在0%，20%，40%，60%，80%，100%六個不同相對濕度環境中養生，用濕度計隨時監測養生環境的濕度變化情況.六個濕度環境對應氣態水分子濃度見表1.已有研究表明，細集料瀝青混合料在不同相對濕度下養生的平衡時間為三個月，因此認為，瀝青玻片在各相對濕度下養生三個月也能達到平衡.為了探究達到平衡之前，瀝青表面能參數隨養生時間的變化規律，本研究設置了1，2，7，15，30，60，90 d七個測試時間節點.

表1 相對濕度對應氣態水分子濃度(20 ℃)

1.2.2試驗結果和分析

測得兩種瀝青不同濕度養生不同時間節點時，與三種試劑(甲酰胺，乙二醇，丙三醇，表面能參數見表2的接觸角，算得表面能參數總量.同一養生條件下的樣品進行三組平行試驗，平行試驗表面能參數總量變異系數均低于6.61%，說明數據穩定有效.為判定瀝青表面能隨濕度環境的變化情況，分別計算不同養生時間兩種瀝青表面能參數總量的變異系數CV1，與不同相對濕度兩種瀝青表面能參數總量的變異系數CV2，見表3～4.

表2 三種試劑的表面能參數

表3 70#基質瀝青表面能參數隨時間與相對濕度的變異系數

表4 SBS改性瀝青表面能參數隨時間與相對濕度的變異系數

當相對濕度不變時：70#基質瀝青表面能參數總量，隨養生時間變化的數據變異系數最大為5.52%，SBS改性瀝青表面能參數總量，隨時間變化的數據變異系數最大為4.64%.即瀝青表面能參數總量隨養生時間變化數據離散度小，說明瀝青的表面能參數總量基本不隨養生時間長短變化.當養生時間不變：70#基質瀝青表面能參數總量，隨相對濕度變化的數據變異系數最大為5.16%，SBS改性瀝青表面能參數總量，隨相對濕度變化的數據變異系數最大為5.21%.即瀝青表面能參數總量隨相對濕度變化數據離散度小，說明瀝青的表面能參數總量基本不隨相對濕度發生變化.綜合上述，瀝青的表面能參數總量，隨外界水分子濃度和在不同水分子濃度環境下的養生時間發生變化小，即瀝青材料的濕度敏感性低.

2 相對濕度對集料表面能參數的影響

2.1 集料表面能試驗原理及方法

集料對試劑蒸氣的飽和擴散壓力πe不可忽略，當液體的表面能γL小于固體的表面能γS時，液體將固體表面完全潤濕，固-液界面的接觸角為0°.采用Young-Dupre方程的另一種形式：

(3)

集料表面能參數測試采用蒸氣吸附法，測試集料對不同試劑的表面擴散壓力，代入式(3)并聯立方程組可計算集料的表面能參數.式(3)需求解三個未知數，故至少需要采用三種試劑進行試驗.試驗采用定制的磁懸浮重量平衡系統，原理見圖2.

圖2 磁懸浮重量平衡系統

試驗步驟為：洗凈烘干約200 g粒徑為2.36～4.75 mm的集料.向蒸氣容器單元注入15 mL試劑，并向樣品桶放入集料樣品.將集料加熱至150 ℃并持續12 h，保證樣品表面不附著空氣雜質.稱量裝樣前后樣品桶質量可以計算樣品質量.進行十階蒸氣吸附試驗，在各階蒸氣壓力下，控制樣品腔體內蒸氣壓恒定.此時集料開始吸附試劑蒸氣，達到吸附飽和狀態后，系統將進入下一階的蒸氣吸附試驗.在試驗過程中磁懸浮天平將不斷稱量樣品的質量，確定各階蒸氣壓下的蒸氣吸附量.

采用M-BET模型描述固體對氣體的吸附過程，可得集料對各種試劑蒸氣的單分子層飽和吸附量，據此計算出用于計算擴散壓力的比表面積.對測得的試劑蒸氣壓p下，單位質量集料吸附蒸氣的質量n，繪制吸附等溫線.采用Dubinin-Astakhov模型進行擬合可得到n與p的關系，結合Gibbs方程求解集料表面的擴散壓力.

(4)

式中：πe為擴散壓力；R為理想氣體常數；T為試驗溫度，℉；M為水的摩爾質量，g/mol；Aπe′為用于計算的集料比表面積，m2/g；p1為各階蒸氣壓；p0為飽和蒸氣壓.測得集料的三個表面擴散壓力，代入式(3)可以計算干燥環境下的集料的表面能參數.

2.2 表面能參數的計算

2.2.1計算過程

不同相對濕度下水蒸氣的蒸氣壓和水蒸氣的飽和蒸氣壓之間的關系為

(5)

式中：RH為相對濕度；p0為水蒸氣的飽和蒸氣壓，mbar；p1為不同相對濕度下的水蒸氣的蒸氣壓，mbar.

將式(5)代入(4)可得在不同相對濕度環境下水蒸氣對集料的擴散壓力.

(6)

在不同相對濕度環境下，集料的表面能總量為

(7)

將干燥集料表面能參數總量代入式(7)，可計算不同相對濕度條件下的表面能參數總量.

2.2.2結果與分析

選用四種酸堿度不同的集料(玄武巖、花崗巖、石灰巖、石英砂巖)，其化學組分測試得SiO2含量見表5.集料與蒸餾水、2-戊酮、甲苯三種試劑進行蒸氣吸附法試驗測得干燥條件表面能參數，見表6.

表5 集料SiO2含量

表6 集料干燥情況下的表面能參數總量

采用式(6)計算不同相對濕度環境水氣在集料表面的擴散壓力，結果見表7.

表7 不同相對濕度下水蒸氣對集料的擴散壓力

最終得到各種集料在不同相對濕度環境下的表面能總量及其變化率，見表8.

由表8可知，四種集料的表面能皆隨環境相對濕度即氣態水分子濃度的增加而降低，相對濕度對集料表面能參數總量的影響十分顯著.將不同相對濕度下集料的表面能參數總量變化趨勢繪制成趨勢線見圖3.

表8 不同相對濕度下集料表面能總量(erg/cm2)及變化率

圖3 不同相對濕度集料的表面能參數總量

由圖3可知，四種集料表面能參數總量隨相對濕度即氣態水分子質量濃度的上升而下降的趨勢線較為平滑.采用線性擬合的方式對四種集料的表面能參數總量變化趨勢進行擬合.擬合精度均在0.9以上，說明集料的表面能參數總量隨相對濕度線性減少.由線性擬合的斜率絕對值，可知玄武巖<石灰巖<花崗巖<石英砂巖.說明不同集料濕度敏感性不同，且酸性集料更容易受到外界氣態水分子的影響.

3 相對濕度對瀝青-集料黏附性的影響

在不同相對濕度環境下，瀝青與集料之間的黏附作用應為兩相材料之間的作用[15].所以在不同相對濕度下的瀝青-集料黏附結合能計算應采用兩相材料的計算法則：

(8)

式中：γSA為瀝青與集料在干燥情況下的界面張力；γAV為瀝青與水氣的界面張力，由于水氣對瀝青的表面能沒有影響，所以γAV=γA，γSV是集料與水氣的界面張力，而集料在水氣的影響下的表面張力為γSV=γS-πe(RH)，所以不同相對濕度環境下瀝青與集料的黏附功為

(9)

計算瀝青、集料與液態水三相材料的黏附功，為

(10)

式中：γSW為集料與液態水的界面張力；γAW為瀝青與液態水的界面張力.

采用式(9)～(10)分別計算70#基質瀝青、SBS改性瀝青與玄武巖、花崗巖、石灰巖、石英砂巖四種集料在不同濃度氣態水分子和液態水環境下的黏附功.結果見圖4.

圖4 70#基質瀝青、SBS改性瀝青與四種集料的黏附功

圖4中黏附功正負值的含義為：黏附功為負值時瀝青與集料黏附釋放能量，可自發發生黏附；黏附功為正值時瀝青與集料黏附需要從外界吸收能量，故無法自發黏附.因此圖中黏附功值越趨向于縱坐標正向其黏附性越差，越趨近于縱坐標負向其黏附性越好.可知兩種瀝青與四種集料的黏附功在相對濕度從0%向100%增大時均從負值向正值增加.證明相對濕度越大，瀝青與集料的黏附性越差，抗水損害能力也下降.在液態水環境中的黏附功大于100%濕度條件，即液態水環境中瀝青混合料黏附性能相較于氣態水環境更差.計算不同水環境黏附功相較于干燥條件的黏附性下降率，見表9～10.

表9 70#基質瀝青與集料的黏附性下降率

表10 SBS改性瀝青與集料的黏附性下降率

由表9～10可知：相對濕度從0%提升到100%時，70#基質瀝青與四種集料的黏附性下降99.28%以上，SBS改性瀝青與四種集料的黏附性下降93.60%以上；在液態水環境中，70#基質瀝青與四種集料的黏附性下降148.40%以上，SBS改性瀝青與四種集料的黏附性下降143.29%以上.當相對濕度大于80%時，氣態水造成的黏附性下降率近似等于液態水的一半.氣態水環境對黏附功的影響程度雖不及液態水，但氣態水分子更容易進入瀝青與集料界面.因此，氣態水分子對瀝青混合料黏附性的影響不可忽略，其濃度越高越容易使瀝青從集料上剝落.

4 結 論

1)70#基質瀝青和SBS改性瀝青在相同相對濕度環境中養生不同時間，不同的相對濕度環境中養生相同后，表面能總量數據變化變異系數均在6%以內.說明瀝青的表面能參數總量隨氣態水分子濃度以及養生時間變化不明顯，即瀝青材料的濕度敏感性低.

2)考慮了集料對不同濃度水氣擴散壓力的影響.根據不同相對濕度條件下集料表面能計算公式，計算得到玄武巖、花崗巖、石灰巖、石英砂巖四種集料表面能參數總量.在相對濕度從0%提升到100%后，降低率均大于60%.說明氣態水分子濃度對集料表面能參數總量的影響顯著；采用線性擬合的方式對四種集料的表面能參數總量變化趨勢進行擬合，擬合精度均在0.9以上，說明集料的表面能參數總量隨相對濕度線性減少；根據線性擬合的斜率絕對值，玄武巖<石灰巖<花崗巖<石英砂巖，說明不同集料濕度敏感性不同，且集料酸性越強越容易受到外界氣態水分子的影響.

3)不同相對濕度及液態水環境對瀝青-集料界面黏附性的影響：相對濕度越高即氣態水分子濃度越大瀝青與集料黏附性能越差.液態水環境中瀝青混合料黏附性能相較于氣態水環境更差.當相對濕度大于80%時，氣態水造成的黏附性下降率近似等于液態水的一半，而且氣態水分子更容易擴散進入瀝青-集料界面，說明水氣對瀝青混合料黏附性的影響不可忽略.