基于表面自由能研究水溫耦合作用對瀝青黏結性能的影響

馬翔，胡緒泉，王麗麗，仲光昇

(1.南京林業大學 土木工程學院，南京 210037；2.蘇州三創路面工程有限公司，江蘇 蘇州 215128)

0 引言

瀝青路面使用過程中水的侵蝕會破壞瀝青與集料的界面，降低瀝青結合料的黏結性[1-2]，從而出現剝落和松散病害，降低瀝青路面壽命[3]。對于瀝青黏結性能的評價，在試驗方法上，最常用的是水煮法，但它只能用于定性評價，且受主觀因素影響較大，也無法評估瀝青黏聚力。近年來，許多學者利用表面能理論對瀝青混合料的水穩定性進行了一系列研究。Bhasin等[4]基于表面自由能理論計算了瀝青-集料體系的結合能，以及瀝青膜從集料表面剝落時的整個體系減少的能量，結果表明瀝青與不同集料的結合能有著顯著的差別。陳燕娟等[5]研究發現加入抗剝落劑改性后，可以增加瀝青的表面能和瀝青與集料的黏附功，同時減小了瀝青-集料體系的剝落功。豆瑩瑩等[6]基于表面能研究了再生瀝青的黏附性，發現老化瀝青添加再生劑后，瀝青表面自由能和黏附功增大，抗水剝落能力增強。羅蓉等[7]采用表面能理論研究了不同瀝青與集料的黏附性，與改進水煮法所得結果一致，驗證了表面能評價體系的可靠性。Zhu等[8]基于表面能研究了氧化石墨烯改性瀝青的黏附性，結果表明氧化石墨烯可提高瀝青-集料體系的黏附力和抗水損害能力。

目前，也有一些學者基于表面能理論研究了外界環境因素對瀝青黏附性的影響[9-10]，但對于水溫耦合作用影響的研究較少。在各種外界環境因素中，水和溫度是影響瀝青黏附性的主要外因[11-12]，因此分析水溫耦合作用對瀝青黏附性的影響尤為重要。本研究旨在通過表面自由能理論研究水溫耦合作用(高溫水浴、凍融循環)對瀝青黏結性能的影響；通過接觸角試驗測定3種測試液體(蒸餾水、甘油和甲酰胺)與玄武巖、SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)改性瀝青和高黏瀝青(HVA)水溫耦合作用前后的接觸角，分析水溫耦合前后瀝青表面能參數、黏聚功以及瀝青-集料系統的黏附功，并通過大空隙瀝青混合料的飛散試驗驗證不同瀝青與集料黏結性能的優劣關系。

1 表面自由能理論

1.1 表面自由能定義

表面能理論以經典潤濕理論為基礎，通過液體對固體進行潤濕形成了固-液之間的黏附力，潤濕過程使得體系表面積減小，固-液體系會對外部做功，產生黏附功。相反地，體系形成新的表面積，外界需要對其做功，即物體表面單位分子比內部分子多出的勢能[13]。表面自由能(SFE)的基本定義為：在恒溫、恒壓條件下使物體增加單位表面積時外界對物體所做的功。根據Van Oss等[14]的觀點，表面能γ可分為極性酸堿分量γp和非極性色散分量γd，各參數之間的關系為

γ=γd+γp。

(1)

當固-液浸潤達到平衡時，根據楊氏方程可得[15]

γlcosθ=γs-γsl。

(2)

式中：γsl為固-液界面的表面能；θ為液體與固體的接觸角；γl為液體的表面能；γs為固體的表面能。

(3)

將公式(3)代入公式(2)可得

(4)

1.2 黏附功和黏聚功

瀝青黏聚功與瀝青表面自由能直接相關[17]，表達式為

wc=2γa。

(5)

式中：wc為瀝青黏聚功；γa為瀝青表面自由能。

黏附功是指在真空中分離兩相界面所需的外界功。在無水(干燥條件)時，瀝青和骨料之間的黏附功用公式(6)表示[7]，該公式表征瀝青-集料界面黏結強度。

(6)

式中：wd為瀝青-集料黏附功；γg為集料的表面能；γa和γg為瀝青-集料界面的表面能。

康川司法所共有三名工作人員，除一位所長外，一名工作人員被長期借調到鎮政府內的人民調解委員會，另外一名工作人員輔助所長負責司法所日常事務，所以該司法所的實際工作人員只有兩名。雖然我國《社區矯正實施辦法》第三條第二款規定：“社會工作者和志愿者在社區矯正機構的組織指導下參與社區矯正工作”，但是由于康川司法所地處西寧市多巴鎮，地理位置相對偏遠，經濟相對落后，至今沒有社區工作者和志愿者參與司法所的社區矯正工作，只有街道辦事處的工作人員偶爾就近輔助司法所的工作人員完成零星的社區矯正工作。

2 材料與方法

2.1 原材料

大空隙瀝青混凝土由于其空隙率大[18-19]，更容易受到水、溫度等自然環境的影響，水溫耦合作用對這類瀝青混凝土中集料-瀝青界面黏附特性影響的研究更重要，為此，本研究結合排水性大空隙瀝青混凝土實際應用情況，選用SBS改性瀝青和HVA進行對比研究，集料選用玄武巖，2種瀝青的基本性質見表1。

表1 瀝青關鍵技術指標

2.2 試驗方法

2.2.1 接觸角試樣制備

首先將SBS改性瀝青、HVA按規范溫度加熱至流動狀態，然后將載玻片垂直插入瀝青中，靜置3～4 s取出，使載玻片表面形成一層厚度均勻的瀝青膜，置于干燥器中養生24 h備用。試樣成型及儲存期間要避免灰塵污染以免影響試驗結果。集料試樣的制作是先從玄武巖石塊取芯，切割成片，再用砂紙打磨平整表面，然后放入超聲波清洗機中清洗30 min，避免粉塵顆粒對接觸角測試的影響，最后放入160 ℃烘箱中，烘干備用。

水溫耦合試驗包括60 ℃高溫水浴和凍融循環，以-18 ℃下保溫30 min后再在60 ℃下保溫30 min作為1次凍融循環。在進行高溫水浴試驗時，首先將制備好的瀝青試樣放在平底盤中，倒入水，淹過瀝青，放在60 ℃水浴箱中保溫1、3 h。凍融循環試驗采用冰箱和水浴箱，凍融1次、3次。進行水溫耦合試驗的水應潔凈，避免水中的雜質污染瀝青試樣表面，確保試驗準確性。以瀝青原樣為對照。

2.2.2 接觸角試驗

本試驗采用DSA100接觸角測試儀測定3種測試液體(蒸餾水、甘油、甲酰胺)在瀝青與集料表面的接觸角，測試溫度為室溫( 25 ℃)，如圖1所示。為保證準確性，每個樣品進行5次平行測試，結果取平均值。3種測試液體的表面能參數見表2。

圖1 接觸角試驗Fig.1 Contact angle test

表2 測試液體表面能參數

2.2.3 肯塔堡飛散試驗

改為60 ℃高溫水浴1、3 d以及凍融循環1次、3次，其中在-18 ℃下保溫12 h后再在60 ℃水中保溫12 h作為1次循環。用于飛散試驗的馬歇爾試樣較接觸角試樣水溫耦合養生時間變長，這是因為短時間水溫耦合作用對瀝青混合料影響較小。此外，以標準飛散試驗，作為對照組。

3 結果與分析

3.1 接觸角有效性驗證

為確保瀝青表面能參數計算結果準確，有關研究提出了接觸角有效性的驗證方法，即對于某一固體，不同測試液體的表面能γl與γlcosθ存在線性關系[20]。以玄武巖集料為例，γl與γlcosθ的關系如圖2所示。

圖2 γl與γlcosθ線性關系Fig.2 Linear relationship between γl and γlcosθ

由圖2可知，擬合直線的相關系數為0.919，γl與γlcosθ相關性良好，同樣的方法分析SBS改性瀝青和HVA水溫耦合前后的擬合直線，所得R2，見表3，由表3可知，γl與γlcosθ相關系數都為0.938～1，因此所測接觸角有效。

表3 不同γl與γlcosθ的決定系數(R2)

3.2 表面能及其分量

表面自由能是指在真空中分離固體或液體以產生新界面的能量[21]，表面能越大物體的吸附能力越大，因此表面能可用于評價瀝青混合料的水敏感性。根據測得的液體與瀝青的接觸角和測試液體的表面能參數，結合公式(3)，可計算得到瀝青水溫耦合前后的表面能及其分量，計算結果如圖3所示。

圖3 水溫耦合前后瀝青的表面能及其分量Fig.3 Surface energy parameters of asphalt before and after water temperature coupling

由圖3可知瀝青的極性分量小于色散分量，HVA的表面能和色散分量大于SBS改性瀝青，HVA的極性分量小于SBS改性瀝青。表面能越大，在形成新界面時所需能量越多，且色散分量越大，物理黏附力越大，極性分量越大，越容易吸收水分子，瀝青越容易從集料上剝落[22]，因此HVA較SBS改性瀝青有著更好的水敏感性。此外，高溫水浴和凍融作用都會降低瀝青的表面能及其分量，相較于凍融作用，高溫水浴對瀝青的表面能影響更大。60 ℃水浴1 h后，SBS改性瀝青和HVA的表面能的下降幅度分別為17.0%、6.9%，水浴3 h后分別為25.8%、10.0%，高溫水浴對SBS改性瀝青影響更大，這主要是因為在水熱的作用下SBS改性劑發生降解，表明HVA具有更好的水熱穩定性。凍融循環1次后，SBS改性瀝青和HVA的表面能的下降幅度分別為5.1%、2.1%，凍融循環3次后下降幅度分別為8.1%、3.6%，這也體現了HVA較好的抗凍融能力。

3.3 黏聚功

瀝青的黏聚功是指將單位面積的瀝青分為兩個表面的能量，內聚能越大，瀝青抗水損害能力越強。結合公式(5)計算得到水溫耦合前后的瀝青黏聚功，如圖4所示。

圖4 水溫耦合前后瀝青的黏聚功Fig.4 Cohesion work of asphalt before and after water temperature coupling

由于瀝青黏聚功是表面能的2倍，因此就變化趨勢而言，水溫耦合作用對瀝青內聚能的影響與其表面能相似。由圖4可知，HVA的黏聚功大于SBS改性瀝青的黏聚功，具有更好的抗水損害能力，究其原因，主要是SBS顆粒通過溶脹和吸附與基質瀝青交聯形成均勻的網絡結構，而高黏瀝青的這種網絡結構更加致密、穩定[23]，瀝青結構內部的黏結力更大。

3.4 黏附功

黏附功是在界面處將瀝青與集料分離所需的能量。黏附功越大，表明瀝青與集料界面分離所需能量越大，瀝青-集料體系越穩定，瀝青混合料水穩定性越好。玄武巖的表面能及其分量見表4。根據表4數據并結合公式(6)，計算了水溫耦合前后SBS改性瀝青、HVA與玄武巖的黏附功，如圖5所示。

表4 集料的表面能及其分量Tab.4 Surface energy and its components of aggregate mJ·m-2

圖5 水溫耦合前后瀝青-玄武巖黏附功Fig.5 Adhesion work of asphalt-aggregate before and after water temperature coupling

由圖5可知， HVA與玄武巖的黏附功大于SBS改性瀝青。高溫水浴1 h后，SBS改性瀝青和HVA與玄武巖的黏附功下降幅度分別為7.9%、3.5%，高溫水浴3 h后分別為11.6%、5.1%。說明相較于SBS改性瀝青，HVA與玄武巖的黏附功受高溫水浴作用的影響程度更小。凍融1次后，SBS改性瀝青和HVA與玄武巖的黏附功下降幅度分別為2.5%、1.0%，凍融3次后下降幅度分別為6.0%、1.8%。說明HVA具有更好的抗凍融能力。

總體而言，瀝青-集料黏附功隨高溫水浴時間及凍融循環次數的增加而逐漸降低，這主要是因為在水和溫度的共同作用下，瀝青中極性組分富集且其他組分向瀝青質轉化，從而導致瀝青在集料表面的附著力降低[24]。相較于凍融作用，高溫水浴對黏附功的降低幅度更大；各種水溫耦合工況對HVA-集料界面的不利影響均較SBS改性瀝青-集料界面小，HVA-集料體系表現出更好的水溫穩定性，由此可見，HVA-集料界面的水穩定性更好，在水穩定性要求苛刻的地區推薦采用HVA作為瀝青混合料的膠結料以提高其耐久性。

3.5 混合料抗松散性能驗證

瀝青與集料間的黏附特性與瀝青混合料的抗松散性能密切相關，為了驗證本研究關于瀝青類型及環境條件對瀝青與集料間的黏附特性的影響，選擇能充分接觸水溫和凍融等環境條件的大空隙瀝青混合料PAC-13進行飛散試驗，評價其抗松散性能。玄武集料與SBS和HVA2種瀝青成型的PAC-13瀝青混合料在水溫耦合作用后的飛散損失如圖6所示。由圖6可知，HVA混合料飛散損失小于SBS改性瀝青混合料，體現了HVA混合料具有更好的黏結強度。隨水溫耦合時間的增加，飛散損失增大，瀝青混合料抗松散能力逐漸降低。60 ℃水浴3 d，SBS改性瀝青混合料和HVA瀝青混合料的飛散損失增加幅度分別為57.4%、40.4%，凍融循環3次后增加幅度分別為48.4%，32.6%。這表明HVA瀝青混合料具有更好地抗水溫耦合作用的能力，且相較于凍融作用，高溫水浴對瀝青混合料抗松散性能的影響更大。試驗結果與表面自由能計算結果一致，從而驗證采用高黏瀝青能夠明顯提高大空隙瀝青混合料的抗松散能力，改善其水穩定性。

圖6 水溫耦合作用前后PAC-13飛散損失Fig.6 PAC-13 flying loss before and after water temperature coupling

4 結論

(1)水溫耦合作用會降低瀝青表面能、黏聚功和瀝青-集料黏附功，從而降低瀝青-集料界面的穩定性，相較于凍融循環，高溫水浴作用的影響程度更大。

(2)高黏瀝青的表面能和黏聚功大于SBS改性瀝青，高黏瀝青-集料界面的黏附功也大于SBS改性瀝青-集料界面的黏附功，且受水溫耦合作用的不利影響更小，高黏瀝青-集料界面表現出優異的水穩定性，高黏瀝青作為大空隙瀝青混凝土的膠結料可提升其耐久性。

(3)通過大空隙瀝青混合料的抗松散驗證，水溫耦合作用降低了瀝青混合料抗松散能力，與表面自由能計算結果一致，高黏瀝青能夠明顯提高大空隙瀝青混合料的抗松散能力，改善其水穩定性。