基于表面自由能理論的瀝青與集料匹配性分析

■何炎戀

（福建省交通建設(shè)工程試驗檢測有限公司，福州 350008）

瀝青混合料是由瀝青、集料與空隙組成的復(fù)合材料，其中瀝青與集料的黏附性能匹配性直接關(guān)系到瀝青混合料的使用性能。 若瀝青與集料的匹配性能不佳，將導(dǎo)致瀝青極易從集料表面剝落，造成瀝青路面出現(xiàn)坑洞、唧漿、脫空等水損害現(xiàn)象，降低瀝青路面的使用功能性與服役耐久性[1]。 因此，如何準確量化瀝青與集料的黏附性能匹配性已成為當前道路工程界研究的核心科學(xué)問題之一。

為量化瀝青與集料的黏附性能匹配性，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，并提出了多種試驗方法與評價體系， 其中最具代表性的是瀝青-集料的水煮法，即通過肉眼觀察浸煮后集料表面瀝青的剝落情況進行評級。 這一方法由于儀器易得、操作簡單、快捷高效等優(yōu)點已被我國規(guī)范列為瀝青與集料匹配性分析的標準方法。 然而，通過肉眼觀察集料表面瀝青的剝落程度無法準確量化瀝青-集料的黏附性能，更無法有效評價瀝青與集料各自對黏附性能的貢獻權(quán)重[2]。 鑒于此，本文擬采用目前國際上前沿的表面自由能理論進行瀝青與集料的黏附性能研究，以期為準確量化瀝青與集料的匹配性提供理論與試驗支撐。

1 表面自由能理論

1.1 基本定義

表面自由能是用來表征材料物理、化學(xué)及熱動力學(xué)特性的參數(shù)，它是指材料產(chǎn)生單位面積的裂縫釋放的能量。表面自由能最早于21 世紀初由美國德州農(nóng)工大學(xué)引入至道路工程領(lǐng)域[3]，用于評價瀝青混合料的自愈合、抗開裂、抗水損害等性能，隨后該理論被廣泛用于量化瀝青混合料的性能。 材料的表面能一般采用字母γ 表示，單位為ergs/cm2。 GvOC 模型是目前使用最為廣泛的表面能模型[4]，其充分考慮了材料之間的非極性作用力與極性電子之間的作用力。 在該模型中，材料的表面能由非極性色散分量γLW、極性酸分量γ+及極性堿分量γ-組成，其中極性酸分量與極性堿分量組成材料的極性分量γAB。

1.2 界面結(jié)合能

當瀝青（采用i 表示）與集料（采用j 表示）兩相界面接觸時，其黏附性能可通過黏附結(jié)合能進行表征，如式（1）所示，該值越大表明瀝青-集料的黏附性能越好。 當有水（采用k 表示）存在時，水會自發(fā)從集料表面置換瀝青，此時瀝青-集料-水三相介質(zhì)界面的黏附結(jié)合能采用表示，如式（2）所示，該值越大，表明水對瀝青-集料界面的侵蝕程度越深[5]：

1.3 匹配性評價體系

為準確量化瀝青-集料的匹配性， 需同時考慮瀝青-集料的界面黏附性與潤濕性， 提出采用下式（3）作為量化瀝青與集料匹配性的評價指標：

式（3）中：ER 表示匹配性評價指標，該值越大，表明瀝青與集料的匹配性越好；γi、γj分別表示瀝青與集料的表面能總量；γij表示瀝青與集料的界面張力。

2 試驗材料與方案

2.1 試驗材料

選取4 種不同類型集料作為試驗用集料材料，包括石灰?guī)r、輝綠巖、破碎礫石與角閃巖，同時選取1 種基質(zhì)70#瀝青作為試驗用瀝青材料， 各集料與瀝青的基本性能指標分別匯總于表1、2。

表1 集料的基本性能指標

表2 基質(zhì)70# 瀝青的基本性能指標

2.2 表面能試驗

對于集料， 采用蒸汽吸附法測試其表面能參數(shù)[6]。 首先，選取3 種已知表面能參數(shù)的測試試劑蒸汽（包括蒸餾水、2-戊酮與甲苯）；其次，通過蒸汽吸附儀連續(xù)測試在20°C 條件下集料樣品對各試劑蒸汽不同蒸汽壓下的飽和蒸汽吸附量，采用吉布斯吸附方程計算得到集料對各試劑蒸汽的擴散壓力；并最終通過GvOC 模型聯(lián)立方程組求解集料的3 個表面能基本參數(shù)。

對于瀝青，采用插板法測試其表面能參數(shù)[7-8]。首先，選取5 種已知表面能參數(shù)的測試試劑（包括蒸餾水、甲酰胺、丙三醇、乙二醇與二碘甲烷），其次，通過表面張力儀測試涂膜瀝青玻片在浸入測試試劑過程中形成的接觸角，最后，通過GvOC 模型聯(lián)立方程組計算瀝青的表面能參數(shù)。

2.3 宏觀水穩(wěn)定性試驗

為驗證表面能理論體系的可靠性，本研究將進行瀝青與不同集料組成瀝青混合料的宏觀水穩(wěn)定性試驗，包括凍融劈裂試驗與凍融循環(huán)無損動態(tài)模量試驗。 其中凍融劈裂試驗參照規(guī)范進行，具體試驗操作這里不再詳述。 在凍融循環(huán)無損動態(tài)模量試驗中， 首先將成型好的試件進行無損壓縮模量測試，隨后參照凍融劈裂試驗條件，將試件進行飽水及凍融循環(huán)處理，保證試件飽水率在70%～80%，凍融循環(huán)處理后再次進行凍融循環(huán)試驗，采用處理后的無損模量E*Wet與處理前的無損模量E*Dry比值評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。 凍融劈裂試驗與無損動態(tài)模量試驗裝置分別如圖1、2 所示：

圖1 凍融劈裂試驗

圖2 無損動態(tài)模量試驗

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 瀝青與集料的表面能

將測試得到的瀝青與集料的表面能參數(shù)匯總?cè)绫? 所示。 從表3 中各材料表面能參數(shù)分布可以看出，瀝青屬于非極性材料，集料屬于極性材料，且以堿分量為主。

表3 瀝青與集料的表面能參數(shù)

3.2 瀝青-集料的匹配性分析及驗證

基于測試得到的各材料的表面能參數(shù)，采用式（1）（2）計算不同瀝青-集料組合在無水與有水條件下的黏附結(jié)合能，采用式（3）計算各材料組合的表面能匹配性指標，將計算結(jié)果匯總?cè)鐖D3 所示。 從圖3 中可以看出，各集料與70# 瀝青的匹配性指標排序為：石灰?guī)r＞輝綠巖＞角閃巖＞礫石。

圖3 黏附結(jié)合能及表面能匹配性指標計算結(jié)果

進一步， 將宏觀水穩(wěn)定性試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。 為更直接地觀察表面能匹配性指標與宏觀水穩(wěn)定性指標之間的關(guān)聯(lián)性， 以表面能匹配性指標（ER）為橫坐標，宏觀水穩(wěn)定性比值為縱坐標，將三者關(guān)系如圖4 所示。從圖4 中可以看出，表面能匹配性指標與宏觀水穩(wěn)定性指標之間具有較好的線性正相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)均達到0.9 以上，證實了采用表面能匹配性指標評價瀝青-集料匹配性的合理性。

圖4 表面能匹配性指標與宏觀水穩(wěn)定性指標的關(guān)聯(lián)性

表4 宏觀水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出采用表面能理論研究瀝青與集料的匹配性， 通過測試各瀝青與集料樣品的表面能參數(shù)， 計算瀝青-集料組合在無水及有水存在條件下的黏附結(jié)合能及表面能匹配性指標，并通過宏觀水穩(wěn)定性試驗進行驗證，得出如下結(jié)論：（1）從瀝青與集料的表面能參數(shù)分布來看，瀝青屬于典型的非極性材料，集料屬于典型的極性材料，且表面能分量以堿分量主導(dǎo)；（2）不同瀝青-集料組合的表面能匹配性指標與瀝青混合料的宏觀水穩(wěn)定性評價指標之間具有良好的正相關(guān)性，驗證了本文提出的考慮黏附性及潤濕性的表面能匹配性指標的可靠性。