相對濕度對瀝青與集料黏附性的影響

程夢澤

（1.河北交規院瑞志交通技術咨詢有限公司，石家莊 050000；2.河北省道路結構與材料技術創新中心，石家莊 050000）

1 引言

當前瀝青水損害大多從液態水的角度展開研究，分析瀝青混合料力學性質的變化與混合料損傷。液態水通過瀝青路面空隙進入瀝青與集料界面中，在車輛壓力影響下，導致瀝青剝落。但是在實踐應用中，在部分干旱少雨地區，瀝青路面也會發生水損害。本文在分析氣態水分子的擴散系數后，認為氣態水分子比液態水更容易滲入混合料內部，造成瀝青路面病害，有必要對該問題展開深入研究。

2 表面能基本理論

將試驗條件控制在恒定溫度與恒定壓強時，每當系統增加1個單位的表面積時，外界向系統做的功就是表面能γ，可以將γ細分為非極性分量γLW、極性分量γAB兩部分，單位為eV/?2（1?=10-10m）。用式（1）表達兩相材料的相互作用力：

式中，γSL為固體材料和液體材料之間的界面吉布斯自由能；為固體材料表面能總量；γL為液體材料表面能總量與分別為固體材料、液體材料的表面能非極性分量；分別為固體材料表面能極性酸分量、堿分量分別為液體材料表面能參數酸分量、堿分量[1]。

3 相對濕度對瀝青表面能參數的影響

3.1 瀝青表面能測試方法

加熱瀝青，并將其移動到玻片上，使其均勻附著，然后冷卻，獲得瀝青玻片。將其平放在試驗腔內，抽取5μL試劑，放置于瀝青表面，在試劑保持穩定后，通過光學設備分析試劑接觸玻片時產生的角度，根據接觸角數據即可獲得瀝青的表面能參數[2]。此時的接觸角θ為瀝青固體、試劑液體、空氣氣體3種物質在穩定狀態下構成的夾角。通過式（2）計算瀝青表面能參數：

3.2 不同相對濕度條件下，瀝青表面能測試試驗

3.2.1 試驗程序

試驗材料選擇70#基質瀝青與SBS改性瀝青制成瀝青玻片，并將瀝青玻片移動到0%、20%、40%、60%、80%、100%幾種相對濕度條件，對瀝青玻片進行養護，利用濕度計對瀝青材料濕度進行數據檢測，濕度數據信息參見表1。

表1 不同相對濕度對應的氣態水分子濃度（20℃）

細集料瀝青混合料養生時間為90 d，為研究瀝青表面能參數的變化規律，現設置1 d、2 d、7 d、15 d、30 d、60 d、90 d若干測試節點。

3.2.2 試驗結果

在本試驗中，選擇甲酰胺、乙二醇、丙三醇作為試驗試劑。為分析瀝青表面和相對濕度環境情況，要以不同養護時間作為影響因素，分析瀝青材料的表面能變異系數CV1；并設置另外一組試驗對比，以不同相對濕度作為影響因素，分析不同瀝青表面能參數的變異系數CV2。發現如果相對濕度相同，70#基質瀝青的CV1最大值為5.52%，而SBS改性瀝青的CV1最大值為4.64%[3]。可以認為瀝青表面能參數總量與養生時間有小數據離散度；如果養生時間相同，70#基質瀝青CV2的最大值為5.16%，而SBS改性瀝青的CV2最大值為5.21%。即相對濕度變化時，瀝青表面能參數不會產生變化。

4 相對濕度對集料表面能參數產生的影響

4.1 集料表面能測試方法

集料會對試劑蒸氣產生飽和擴散壓力πe，如果固體表面能γS大于液體表面能γL，液體會完全潤濕固體外表面，固體與固液界面接觸角也會變為0°，集料表面能參數為：

利用蒸氣吸附法計算集料表面能數據，并研究集料對試劑的表面擴散壓力的實際影響，結合式（3）可獲得集料表面能參數數據。因為式（3）中涉及3個未知數，所以，需要用到3種試劑分別進行試驗[4]。試驗基本結構如圖1所示。

圖1 磁懸浮重量平衡系統示意圖

集料規格選擇2.36~4.75 mm，質量控制在200 g，在充分洗凈、烘干后，向蒸氣容器添加15 mL測試試劑，將集料樣品放置在樣品桶內，以150℃、12 h加熱條件處理集料。準備十階蒸氣吸附試驗，使樣品腔體內蒸氣壓穩定。試劑蒸氣會被吸附在集料上，達到飽和狀態，再做下一階試驗。樣品質量數據由磁懸浮天平稱量獲得，利用樣品質量變化分析在不同階蒸氣壓條件下集料吸附蒸氣的能力[5]。

將試劑蒸氣壓設為p，結合單位質量的集料吸附試劑蒸氣質量n，可獲得吸附等溫線圖像，并用式（4）計算集料表面擴散壓力：

式中，R為理想氣體常數；T為試驗溫度，℃，M為水的摩爾質量，g/mol；A′πe為集料比表面積，m2/g；p1為不同階的蒸氣壓，mPa；p0為飽和蒸氣壓，mPa；n為單位質量集料吸附蒸汽質量。

在獲得集料的πe后代入式(3)，可獲得集料在干燥條件下的表面能參數。

4.2 集料表面能參數計算

4.2.1 計算過程

在不同相對濕度條件下，可以將水蒸氣的蒸氣壓與飽和蒸氣壓建立關系是相對濕度）。

在不同相對濕度條件下，水蒸氣對于集料的πe為：

集料的γS為：

4.2.2 計算結果與分析

現選擇玄武巖、花崗巖、石灰巖、石英砂巖幾種擁有不同酸堿度的集料，可以將SiO2數據整理為表2內容。

表2 集料的Si O2含量

在干燥條件下，試劑選擇蒸餾水、2-戊酮、甲苯，使用蒸氣吸附法做集料試驗，獲得集料的表面能參數，玄武巖為134.94 eV/?2、花崗巖136.38 eV/?2、石灰巖108.02 eV/?2、石英砂巖172.07eV/?2。

如果相對濕度不同，可以通過式（5）獲得水蒸氣在集料表面產生的擴散壓力，可以發現在相對濕度提升時，幾種集料的γ都呈現下降趨勢，因此，相對濕度對集料πe有明顯影響。而在不同相對濕度下，集料πe的變化趨勢均保持平滑狀態，通過線性擬合分析的變化趨勢，擬合精度超過0.9，證明集料πe會隨著相對濕度呈現線性降低趨勢[6]。發現石英砂巖線性擬合斜率最大，其次為花崗巖、石灰巖，玄武巖斜率最小，即不同集料在濕度敏感性方面具有一定差異，容易受到氣態水分子影響的集料為酸性集料。

5 相對濕度對瀝青與集料黏附性的影響

相對濕度不同時，瀝青和集料之間存在黏附作用的本質是兩相材料的相互作用力，在不同相對濕度下分析瀝青和集料的黏附功，可以通過式（7）獲得：

式中，γSA為干燥條件下瀝青和集料界面的吉布斯自由能；γAV為瀝青和氣態水分子的界面吉布斯自由能。因為氣態水分子對瀝青γ并無影響，所以γAV=γA（γA為瀝青界面張力）；γSV為集料和氣態水分子的界面吉布斯自由能。集料受到氣態水分子影響，集料的表面吉布斯自由能可以用γSV=γS-πe（RH）（γS為集料界面吉布斯自由能）計算。所以，如果相對濕度不同，可以將瀝青和集料的黏附功ΔGaSVA轉化為：

即瀝青、集料、液態水的黏附功可以轉化為：

式中，γSW是集料和液態水之間的界面吉布斯自由能；γAW是瀝青和液態水之間的界面吉布斯自由能。

通過式（7）~式（9）分析兩種瀝青（70#基質瀝青、SBS改性瀝青）和4種集料（玄武巖、花崗巖、石灰巖、石英砂巖）。選擇兩種試驗環境：氣態水分子、液態水環境，以不同濃度條件計算黏附功數據，發現相對濕度從0%至100%變化時，瀝青和集料黏附性會逐漸降低，應用在實際中，會使瀝青路面逐漸喪失原本的抗水害能力。如果在液態水環境，黏附功數據大于100%，即在當前試驗環境下，瀝青和集料的黏附性比氣態水條件下黏附性更低[7]。

將相對濕度0%提升至相對濕度100%，會出現70#基質瀝青與集料黏附性超過99%的降幅現象；如果在液態水條件下，70#基質瀝青和4種集料黏附性的下降幅度超過148%；在相對濕度超過80%時，因氣態水導致黏附性降低的下降幅度僅有液態水的50%。盡管瀝青在液態水環境下會產生比氣態水環境下更強的黏附效果，但是氣態水分子會比液態水分子更容易進入瀝青集料界面，從內至外地對瀝青路面造成水損害，即氣態水分子對于瀝青集料黏附性影響更為嚴重。

6 結語

盡管本文系統地研究了相對濕度對瀝青與集料黏附性的影響，部分內容具有實踐價值，但是在具體應用時仍建議結合其他文獻對氣態水分子性質做深入研究，從多方面詳細分析瀝青與集料的黏附性，優化本文理論內容。希望相關技術人員可以在吸收本文核心內容基礎上，對材料性質做更深入研究，為我國公路運輸行業蓬勃發展貢獻力量。