基于表面能理論的再生集料與瀝青黏附性影響研究

馮浩浩 苗 強(qiáng) 李振綱 羅 蓉

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063)

0 引 言

隨著道路交通量的增長和服役時(shí)間的延長,部分高速公路路面需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和改造,因此產(chǎn)生大量的廢舊路面材料[1].一方面廢舊路面材料的處理占用大量空間,增加用地成本;另一方面石料屬于不可再生資源,過度開采會對環(huán)境造成嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致石料資源緊張[2].部分地區(qū)缺乏石灰?guī)r等堿性優(yōu)質(zhì)路面材料,本地石料多為酸性,與瀝青的黏附效果較差,在進(jìn)行路面鋪筑時(shí)所需集料需要遠(yuǎn)距離運(yùn)輸.因此對廢舊路面材料的再生利用開展研究至關(guān)重要.

水損害是導(dǎo)致路面出現(xiàn)早期病害的重要原因,其發(fā)生與瀝青混合料水穩(wěn)定性密切相關(guān).水分侵入瀝青與集料界面,降低瀝青對集料的黏附性,致使瀝青從集料表面剝落.集料表觀特性決定集料與瀝青的接觸面積,是影響瀝青與集料黏附作用強(qiáng)弱的重要因素.王璐[3]通過凍融劈裂試驗(yàn)研究棱角性對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響,試驗(yàn)結(jié)果顯示凍融劈裂強(qiáng)度與粗集料平均棱角性系數(shù)有較好的線性關(guān)系,粗集料棱角性越強(qiáng),瀝青與集料間的黏附效果越好.然而,由于瀝青混合料顆粒間長期嵌擠、摩擦作用,再生集料相比新集料細(xì)化程度增大,粗糙程度降低,直接影響再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.李希友[4]對不同級配和摻量的再生瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)低摻量條件下,細(xì)級配有助于提升再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性.陳思賢[5]對溫拌再生瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性分析,研究發(fā)現(xiàn)再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性會隨著摻量的增加而降低.這些研究都表明含有再生集料的瀝青混合料水穩(wěn)定性能較差.由于再生集料與瀝青間的黏附作用是影響再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的核心因素,因此準(zhǔn)確評價(jià)再生集料與瀝青間的黏附性,選取最佳再生集料摻配比例,對再生瀝青混合料的研究與應(yīng)用有著重要意義.

傳統(tǒng)瀝青與集料間黏附性的評價(jià)方法主要有水煮法、水浸法等.此類方法雖能比較直觀地展示集料和瀝青間的黏附剝落情況,但主觀因素影響很大,僅作定性評價(jià),且試驗(yàn)結(jié)果誤差較大.目前應(yīng)用廣泛的是基于表面能理論定量分析瀝青與集料間的黏附性[6].表面能理論從微觀角度入手,通過測試瀝青、集料的表面能參數(shù),計(jì)算瀝青-集料間無水與有水情況下的黏附結(jié)合能,獲得其匹配性指標(biāo),精準(zhǔn)評價(jià)其水穩(wěn)定性能.文中采用表面能理論,對再生集料及新集料的表觀特性指標(biāo)和表面能參數(shù)進(jìn)行測試,分析再生集料與新集料間表面能差異產(chǎn)生原因.根據(jù)原材料表面能參數(shù)測試結(jié)果,計(jì)算不同摻配比例下再生瀝青混合料的黏附結(jié)合能與匹配性指標(biāo),建立宏觀條件下水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果與匹配性指標(biāo)ER值之間的關(guān)系,從而確定最佳再生集料摻配比例.

1 材料性能參數(shù)

1.1 集料

考慮到實(shí)際工程應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)成本,本次僅對4.75 mm以上粗骨料進(jìn)行回收研究.京港澳高速G4段鋪筑時(shí)路面結(jié)構(gòu)主要采用石灰?guī)r,回收養(yǎng)護(hù)過程中產(chǎn)生的廢舊材料,抽提分離出集料.為避免集料表面殘留瀝青對試驗(yàn)結(jié)果的影響,對經(jīng)過抽提后的集料在(538±5) ℃的環(huán)境下高溫煅燒處理2 h,再進(jìn)行篩分得到本文研究所用的再生集料.新集料采用同一加工廠所產(chǎn)的石灰?guī)r集料,根據(jù)文獻(xiàn)[7]進(jìn)行性能指標(biāo)測試,再生集料及新集料的物理力學(xué)性質(zhì)見表1.

表1 粗集料力學(xué)性能檢測結(jié)果

1.2 瀝青

采用SBS改性瀝青,根據(jù)文獻(xiàn)[8]進(jìn)行性能測試,結(jié)果見表2.

表2 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

1.3 礦粉

采用湖北當(dāng)?shù)氐氖規(guī)r礦粉,其物理性能指標(biāo)見表3.

表3 礦粉性能指標(biāo)

1.4 再生集料摻配比例

Espino等[9]發(fā)現(xiàn),再生集料的推薦摻配比例為20%～40%,此時(shí)瀝青混合料有較好的服役性能.確定再生集料的摻配比例方案見表4.

表4 不同摻配方案

2 材料表面能參數(shù)測試

2.1 表面能相關(guān)理論

采用GvOC理論體系計(jì)算材料的表面能,該體系認(rèn)為瀝青和集料主要有三個(gè)基本的表面能參數(shù),即非極性分量、極性酸分量和極性堿分量,其表示形式為

(1)

式中:γ為材料表面能;γLW為材料表面能非極性分量;γAB為材料表面能極性分量;γ+為材料表面能極性酸分量;γ-為材料表面能極性堿分量.

表面能理論中采用式(2)的黏附結(jié)合能來量化集料與瀝青之間的黏附性.在路面服役期間,水分侵入到瀝青-集料界面,致使瀝青與集料間黏附性降低,隨著外界荷載長期作用,最終瀝青從集料表面剝落,引發(fā)路面水損害.因此,對再生集料與瀝青的黏附性能進(jìn)行評價(jià)時(shí),需要綜合考慮有水狀況下瀝青與集料間的黏附結(jié)合能,其計(jì)算公式為

(2)

(3)

將待測試樣置于恒溫、恒濕環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)24 h后再進(jìn)行測試.每種試樣類型均進(jìn)行三組平行試驗(yàn),剔除因操作失誤造成的異常值后選取平均值作為測試結(jié)果.

2.2 集料表觀特性測試

集料表觀特性對瀝青與集料間的吸附效果有重要影響,其表面紋理和棱角性是影響集料表面能的重要因素[10],因此需要測試長期服役環(huán)境下集料表觀特性指標(biāo)變化,以對表面能參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對照.采用德國生產(chǎn)的AIMS圖像測試系統(tǒng),將不同檔位的集料均勻置于特定托盤中,通過燈光獲得不同檔位集料的投影輪廓,高倍相機(jī)拍攝集料的表面紋理,所得圖像自動導(dǎo)入電腦軟件當(dāng)中,分別測試4.75～9.5、9.5～13.2、13.2～16、16～9 mm四個(gè)不同檔位再生集料與新石灰?guī)r集料的表觀特性,獲得其三個(gè)表觀特性指標(biāo):描述集料輪廓邊界平滑程度的棱角性指標(biāo)、描述集料空間形狀的球度指標(biāo),描述集料表面粗糙程度的表面紋理指標(biāo).棱角性指標(biāo)越小,集料輪廓曲線越平滑;球度指標(biāo)越小,集料的外觀性狀越接近圓形,表面紋理指標(biāo)越小,集料的表面越光滑.各檔集料的測量數(shù)目見表5,均滿足技術(shù)要求的推薦樣本數(shù)量.

表5 集料顆粒測量數(shù)目 單位:mm

利用AIMS獲得各檔集料的幾何輪廓及表觀紋理,其中再生集料與新集料的表觀紋理差異見圖1.導(dǎo)入圖像處理軟件后進(jìn)行計(jì)算,獲得再生集料與新集料的表觀特性指標(biāo)見表6.

圖1 再生集料與新集料表觀紋理差異

表6 集料表觀特性指標(biāo)

由表6可知:新集料表觀特性指標(biāo)整體大于再生集料表觀特性指標(biāo).其中表面紋理指標(biāo)差異最大,再生集料相比新集料下降了63%,棱角性指標(biāo)下降了16%.這說明再生集料相對新集料表面紋理粗糙程度下降,邊緣突出棱角數(shù)量降低,輪廓更光滑.造成這種差異的原因是在攤鋪過程和長期荷載作用下集料間彼此嵌擠、摩擦,再生集料相比新集料要經(jīng)受更多的打磨和破碎,導(dǎo)致再生集料細(xì)化程度升高,粗糙程度降低.表觀特性是集料表面能的主要影響因素之一,再生集料表觀特性指標(biāo)的降低會影響集料表面能參數(shù)大小,導(dǎo)致再生集料與瀝青間的黏附性降低.

2.3 集料表面能參數(shù)測試

現(xiàn)有集料表面能參數(shù)的測試方法主要有靜滴法、蒸氣吸附法等.由于集料表面的復(fù)雜紋理,推薦使用蒸氣吸附法.將待測集料放入容器內(nèi),通入試劑蒸氣,測試集料的飽和吸附量,計(jì)算得到集料的擴(kuò)散壓力.測試原理見圖2.

圖2 蒸氣吸附法測試原理

根據(jù)計(jì)算得到的擴(kuò)散壓力,聯(lián)立式(2)計(jì)算得到再生集料及新集料的表面能參數(shù).

(4)

將已知的化學(xué)試劑表面能參數(shù)代入式(4),聯(lián)立求解得到再生集料及石灰?guī)r新集料的表面能參數(shù),見表7.

表7 集料表面能參數(shù)測試結(jié)果 單位:erg/cm2

測試結(jié)果顯示:再生集料的表面能要遠(yuǎn)小于新集料,水分置換再生集料表面瀝青油膜的能力大于新石灰?guī)r集料,根據(jù)前文的表觀特性測試結(jié)果可知:由于長期摩擦作用,再生集料紋理光滑程度升高,導(dǎo)致再生集料對瀝青的吸附能力降低.

將再生集料及新集料表面能參數(shù)測試結(jié)果代入式(5),加權(quán)平均計(jì)算不同摻配比例的集料復(fù)合表面能參數(shù),計(jì)算結(jié)果見表8.

表8 不同摻配比例下集料表面能參數(shù) 單位:erg/cm2

γM=γR×α+γN×(1-α)

(5)

式中:γM為集料復(fù)合表面能總量;γR為再生集料表面能總量;γN為新集料表面能總量;α為再生集料摻量比例.

隨著再生集料摻配比例的增加,集料整體表面能總量呈現(xiàn)下降趨勢,從1號方案到7號方案,再生集料的摻配比例增加了40%,表面能總量降低了24%.即集料與瀝青的黏附能力隨著摻配比例的增加而降低.

2.4 瀝青表面能參數(shù)測試

瀝青表面能參數(shù)測試采用靜滴法試驗(yàn),該試驗(yàn)由光學(xué)接觸角儀完成,測試原理見圖3.具體步驟為:準(zhǔn)備潔凈玻片,將其浸入加熱融化的瀝青試樣中,制備完成瀝青試樣的涂膜玻片需要在干燥常溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)12 h.將表面能參數(shù)已知的4種化學(xué)試劑通過滴定系統(tǒng)與涂膜玻片緩慢吸附接觸,通過光學(xué)測量設(shè)備獲得液滴與玻片間的接觸圖像,通過計(jì)算機(jī)的圖像處理系統(tǒng)計(jì)算試劑與玻片的接觸角.其測試步驟見圖4.

圖3 光學(xué)接觸角儀成像原理

圖4 瀝青表面能參數(shù)測試步驟

瀝青的表面能參數(shù)求解公式為

(6)

根據(jù)已知表面能參數(shù)的測試試劑,聯(lián)立方程組求解得到瀝青表面能參數(shù),計(jì)算結(jié)果見表9.

表9 SBS改性瀝青表面能參數(shù) 單位:erg/cm2

2.5 匹配性指標(biāo)計(jì)算

計(jì)算再生集料與瀝青無水及有水情況下的黏附結(jié)合能,水分作用下瀝青、集料與水組成三相材料,其黏附結(jié)合能是再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的重要評價(jià)因素[11].以無水及有水情況下黏附結(jié)合能比值的絕對值作為再生集料與瀝青表面能匹配指標(biāo),計(jì)算公式見式(7),不同摻配比例的計(jì)算結(jié)果見表10.

表10 再生集料與瀝青匹配性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

(7)

由表10可知:隨著摻配比例的增加,再生集料與瀝青的匹配性指標(biāo)逐漸降低,瀝青與集料間的黏附性下降,在外界水氣作用下,高摻配比例再生瀝青混合料中的瀝青更易從集料表面剝落,最終導(dǎo)致水損害發(fā)生.

3 再生瀝青混合料水穩(wěn)定性能試驗(yàn)

3.1 再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)京港澳高速G4段中下面層原級配比例,結(jié)合AC-20C瀝青混合料礦料級配范圍要求,根據(jù)貝雷法對再生瀝青混合料進(jìn)行礦料級配設(shè)計(jì),經(jīng)過調(diào)整后確定的級配比例見圖5.根據(jù)文獻(xiàn)[8]標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為4.6%.

圖5 再生集料級配曲線設(shè)計(jì)

按照確定的合成級配和最佳油石比制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,測試其體積指標(biāo)和力學(xué)性能,取其平均值作為最終結(jié)果,測試結(jié)果見表11.

3.2 再生瀝青混合料水穩(wěn)定性能驗(yàn)證

以浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)為代表的宏觀水穩(wěn)定性試驗(yàn)可以直觀反映再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性.根據(jù)實(shí)測的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比來量化宏觀情況下再生瀝青混合料抗水損害能力,與前文計(jì)算所得基于細(xì)觀的再生瀝青混合料表面能匹配性指標(biāo)形成聯(lián)系,通過宏-細(xì)觀多尺度反映不同摻量情況下再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能,優(yōu)選最佳摻量方案.根據(jù)文獻(xiàn)[8]進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn),測試結(jié)果見圖6.

圖6 不同摻量條件下再生瀝青混合料宏觀水穩(wěn)定性指標(biāo)

馬歇爾試件的浸水殘留穩(wěn)定度比不宜小于80%,凍融劈裂強(qiáng)度比不宜小于85%.由圖6可知:當(dāng)摻配比例小于30%時(shí),再生瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比滿足規(guī)范要求,當(dāng)摻配比例在25%時(shí),瀝青混合料水穩(wěn)定性勉強(qiáng)達(dá)到指標(biāo)要求;當(dāng)摻量大于30%后,再生瀝青混合料抵抗水損害的能力不足,實(shí)際服役情況下,再生瀝青混合料構(gòu)成的瀝青面層發(fā)生水損害的可能性較高.

綜合考慮ER值、宏觀再生瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工程應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)成本問題,選定摻配方案2為最佳方案,即再生集料中舊集料的最佳摻配比例為20%.

3.3 宏觀水穩(wěn)定性指標(biāo)與表面能匹配性指標(biāo)的聯(lián)系

根據(jù)以上試驗(yàn)測試結(jié)果,建立宏觀水穩(wěn)定性能指標(biāo)與表面能匹配性指標(biāo)關(guān)系,見圖7.浸水馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比與表面能匹配性指標(biāo)的線性回歸系數(shù)分別為0.980 1、0.988 4,說明再生瀝青混合料宏觀水穩(wěn)定性指標(biāo)與瀝青-再生集料表面能匹配性指標(biāo)有較高的相關(guān)性,隨著ER值增大,浸水馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比也隨之增大.由此可以證明,利用表面能理論定量評價(jià)再生瀝青混合料水穩(wěn)定性能是可行的,前文結(jié)論可靠.

圖7 再生瀝青混合料宏觀水穩(wěn)定性能指標(biāo)與ER值關(guān)系

4 結(jié) 論

1) 由于瀝青混合料顆粒間的摩擦、嵌擠作用,再生集料的表觀特性發(fā)生變化,集料粗糙程度降低,與瀝青的接觸面積減小,導(dǎo)致再生集料的表面能遠(yuǎn)小于新集料的表面能,再生集料與瀝青的黏附性能下降.隨著再生集料摻配比例的增加,集料復(fù)合表面能呈現(xiàn)下降趨勢.

2) 通過計(jì)算無水與有水情況下瀝青與集料的黏附結(jié)合能,獲得再生瀝青混合料的表面能匹配性指標(biāo)ER值,ER值與集料中再生集料摻配比例負(fù)相關(guān),當(dāng)再生集料摻配比例大于30%時(shí),ER值小于1,再生瀝青混合料更易發(fā)生水損害.

3) 通過再生瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了表面能匹配性指標(biāo)與宏觀水穩(wěn)定性指標(biāo)間良好的相關(guān)性,證明基于表面能理論提出的匹配性指標(biāo)ER值用于再生瀝青混合料水穩(wěn)定性評價(jià)的可靠性,在滿足瀝青混合料水穩(wěn)定性要求的前提下,結(jié)合考慮經(jīng)濟(jì)成本因素,確定京港澳高速路面再生集料的最佳摻量為20%.