表觀特性對集料表面能參數(shù)的影響及預(yù)測模型研究

李振綱 李仁君 苗 強(qiáng) 馮浩浩 黃婷婷 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) (中遠(yuǎn)交科設(shè)計(jì)咨詢有限公司海南分公司3) 海口 570125)

0 引 言

瀝青路面在水分子的作用下,瀝青與集料之間的黏附性持續(xù)降低,在車輛荷載的聯(lián)合作用下,極易發(fā)生松散、剝落等早期病害,嚴(yán)重影響道路的服役壽命和使用性能[1].

針對瀝青路面水損害的研究表明:瀝青與集料黏附性降低是引發(fā)路面水損害的根本原因.對瀝青與集料的黏附性進(jìn)行評(píng)價(jià)主要采用水煮法和水浸法,這類方法受主觀判定等級(jí)的影響,屬于定性分析.盡管有學(xué)者對這兩種方法進(jìn)行改進(jìn),例如,計(jì)算浸水后集料表面瀝青的剝落率,以求能夠定量評(píng)價(jià)瀝青與集料之間的黏附性,但是由于單顆集料裹覆瀝青后的瀝青膜厚度要遠(yuǎn)大于瀝青混合料中集料表面實(shí)際的瀝青膜厚度,且觀察瀝青由集料表面剝落時(shí)多從二維角度出發(fā),與實(shí)際也存在較大差異[2].

近年來,基于表面能理論定量評(píng)價(jià)瀝青與集料黏附性的方法得到快速發(fā)展,并證明了瀝青和集料的性質(zhì)是影響集料與瀝青黏附性的重要因素[3].對瀝青混合料而言,集料占其總體積的90%以上,集料的表面性質(zhì)在很大程度上直接影響了瀝青與集料的界面黏附性能[4].集料的表面性質(zhì)包括化學(xué)、物理特性,對于化學(xué)組分一定的某類集料,通過改善其表觀特性,可以提升集料與瀝青的黏附性[5-7].現(xiàn)有路面設(shè)計(jì)規(guī)范也建議在工程采用立方體、棱角性好、表面粗糙的集料.但是現(xiàn)有的研究多從定性角度分析表觀特性的作用,僅考慮單個(gè)因素的影響,分析不夠全面.表面能和表觀特性均表征了集料的表面特性,因此綜合考慮二者之間的聯(lián)系,將為全面、定量評(píng)價(jià)瀝青與集料黏附性、提高瀝青路面水穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù).

文中測試粉末狀集料和顆粒狀集料的表面能參數(shù),采用集料圖像處理系統(tǒng)(aggregate image measurement system,AIMS)測定顆粒集料的表觀特性,以粉末狀集料的表面能為基準(zhǔn),基于灰色關(guān)聯(lián)法分析三項(xiàng)表觀特性指標(biāo)(表面紋理、球度、棱角性)對集料表面能的影響程度,基于粉末狀和顆粒狀集料的表面能及顆粒狀集料表觀特性提出集料的表面能預(yù)測模型.

1 集料表面能參數(shù)測試

1.1 試驗(yàn)材料

研究采用9種類型集料作為試驗(yàn)材料,包括輝綠巖、石灰?guī)r、玄武巖、石英砂巖及角閃巖等常見巖性集料.性能指標(biāo)檢測參數(shù)見表1.

表1 集料性能指標(biāo)

粉末狀集料表面能可認(rèn)為不受表觀特性的影響,從而減少變量的影響.采用振動(dòng)磨粉碎集料制備粉末狀集料,篩分得到粒徑小于0.075 mm的粉末狀集料,見圖1.

圖1 粉末狀集料

1.2 粉末狀集料表面能

1.2.1修正毛細(xì)上升法原理

當(dāng)測試試劑與樣品不能形成穩(wěn)定接觸角時(shí),采用張德潤[8]提出的修正毛細(xì)上升法測定粉末狀集料樣品的表面能.該方法認(rèn)為,當(dāng)樣品表面正好完全被一層飽和液膜包裹時(shí),樣品表面的擴(kuò)散壓力可以視為0.試驗(yàn)結(jié)束后,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理:擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到穩(wěn)定狀態(tài)下試驗(yàn)樣品在不同測試試劑下的m2/t值,可通過公式得到毛細(xì)管合成有效半徑Rc,見式(1).計(jì)算得到不同測試試劑下樣品的擴(kuò)散壓力,見式(2).毛細(xì)上升法試驗(yàn)示意圖見圖2.

圖2 毛細(xì)上升法示意圖

(1)

(2)

式中:Rc為合成有效半徑;η為試劑黏度;ρL為試劑密度;γL為試劑表面能;m為測試樣品質(zhì)量;t為浸潤時(shí)間;πc(ML)為擴(kuò)散壓力.

將不同測試試劑的擴(kuò)散壓力及測試試劑的表面能代入式(3),即可求解出集料的表面能.

(3)

式中:γL為試劑表面能;γP為粉末狀集料表面能;γLW為集料表面能參數(shù)的非極性分量;γ+為集料表面能參數(shù)的極性酸分量;γ-為集料表面能參數(shù)的極性堿分量.

1.2.2粉末狀集料表面能參數(shù)測試

采用全自動(dòng)表面張力儀,分別稱取50 g不同巖性的粉末狀集料作為試驗(yàn)樣品,選用2-戊酮、甲酰胺、正己烷作為試驗(yàn)試劑,進(jìn)行3組平行試驗(yàn)以減小誤差.潤濕性檢驗(yàn)后,測量不同巖性的粉末狀集料的表面能.試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 粉末狀集料表面能參數(shù) 單位:erg/cm2

由表2可知:不同巖性的集料表面能相差很大,而相同巖性的集料表面能也存在差異.其中,巖性相同的玄武巖1的表面能總量甚至達(dá)到了玄武巖2的1.65倍.

1.3 顆粒狀集料表面能

1.3.1蒸氣吸附法試驗(yàn)原理

蒸氣吸附法是基于蒸氣吸附理論,采用磁懸浮重量平衡系統(tǒng),測試顆粒狀集料樣品在試劑各階蒸氣壓下的飽和蒸氣吸附量,計(jì)算測試試劑在集料表面的擴(kuò)散壓力,并聯(lián)立Young-Dupre方程計(jì)算集料表面能參數(shù)γg[9].選用以上九種集料中粒徑為2.36～4.75 mm的顆粒作為試驗(yàn)對象,選用蒸餾水、2-戊酮、甲苯作為測試試劑.試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 顆粒狀集料表面能參數(shù) 單位:erg/cm2

1.3.2顆粒狀集料和粉末狀集料表面能差異性分析

兩種固體狀態(tài)下集料的表面能參數(shù)對比,見圖3.

圖3 不同狀態(tài)集料表面能參數(shù)對比

由圖3可知:粉末狀集料表面能均小于顆粒狀集料的表面能,平均相差46%.這是因?yàn)榉勰罴蠘悠返牧叫∮?.075 mm,其表觀特性值也遠(yuǎn)小于顆粒狀集料.而集料性質(zhì)是由巖性和幾何特性共同決定的,當(dāng)兩者巖性相同時(shí),表面能的差異可認(rèn)為是其表觀特性不同造成的.由此可以推斷,表觀特性是影響集料表面能的重要因素.

2 表觀特性對集料表面能的影響

2.1 集料表觀特性測試方法

采用AIMS對集料表觀特性進(jìn)行定量分析,獲得集料棱角性、球度及表面紋理這三個(gè)表觀特性指標(biāo)的具體大小.AIMS由集料圖像采集系統(tǒng)和集料圖像分析程序兩部分組成,試驗(yàn)開始時(shí),先通過高分辨率相機(jī)和多倍放大顯微鏡來收集集料的數(shù)字圖像,再通過分析程序?qū)⒓媳碛^特性以圖表的形式表現(xiàn)出來[10-12].測試結(jié)果圖見圖4.

圖4 AIMS表觀特性測試結(jié)果圖

2.2 基于AIMS的表觀特性指標(biāo)測試

選用粒徑為2.36～4.75 mm的集料作為測試樣品,并且集料樣品的最小顆粒數(shù)目不少于50個(gè),以提高測量數(shù)據(jù)精確度.測得的表觀特性指標(biāo)與表面能數(shù)據(jù)見表4.

表4 集料表觀特性指標(biāo)

由表4可知:同一巖性集料的表面能與其表觀特性指標(biāo)大小成正相關(guān).分析各表觀特性指標(biāo)對集料表面能影響的原因:棱角性指標(biāo)表征集料顆粒表面的棱角數(shù)量,棱角性指標(biāo)的增大意味著瀝青與集料顆粒接觸面積變大,集料表面能增大;表面紋理指標(biāo)表征集料顆粒的粗糙程度,表面紋理指標(biāo)的增大反映集料表面越粗糙,表面積增大,集料表面能增大;球度指標(biāo)則表征集料輪廓形狀上的變化大小,球度指標(biāo)越大,代表集料顆粒越趨近于球形,瀝青與集料顆粒的接觸越充分,集料表面能也對應(yīng)增大.同時(shí),對于同種巖性的集料,不同表觀特性指標(biāo)對其表面能影響程度不同,而不同巖性的集料,各表觀特性指標(biāo)對其表面能的影響程度也存在著差異.

3 表觀特性對集料表面能影響程度分析

由于集料表觀特性的三個(gè)指標(biāo)對集料表面能的影響趨勢相同,難以通過多因素分析法等方法分析表觀特性指標(biāo)對表面能的影響程度.采用灰色關(guān)聯(lián)分析法,分析集料表觀特性對集料表面能的影響,采用分析數(shù)列確定、變量的量綱一的量化、兩極最大值和最小值等方法求得灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的大小,反映不同表觀特性指標(biāo)的影響程度.不同關(guān)聯(lián)系數(shù)的影響程度見表5.

表5 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)與影響程度關(guān)系

采用灰色關(guān)聯(lián)法分析集料各表觀特性指標(biāo)對集料表面能的影響程度,對應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)見表6.

表6 表觀特性值灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

由表6可知:不同表觀特性指標(biāo)對表面能的影響程度不同,而同一表觀特性指標(biāo)對不同類型集料的影響也不相同.從總體上來說,三個(gè)表觀特性指標(biāo)對集料表面能的影響依次為:棱角性>表面紋理>球度.分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),不同巖性的集料,表觀特性指標(biāo)的影響程度不同;而對于同一巖性的集料,因其產(chǎn)地和加工方式的不同,表觀特性指標(biāo)的影響程度也不同.對各表觀特性指標(biāo)在巖性相同和巖性不同兩種情況下對不同集料表面能的影響程度進(jìn)行分析,結(jié)果見表7.

表7 表觀特性對集料表面能影響程度表

4 基于表觀特性的集料表面能預(yù)測模型

通過蒸氣吸附法可以直接測得精確的集料表面能參數(shù)值,以此來研究瀝青與集料間的黏附性.但是蒸氣吸附法存在著試驗(yàn)設(shè)備昂貴、試驗(yàn)操作復(fù)雜、試驗(yàn)時(shí)間較長等不足,無法在實(shí)際工程中進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用;而毛細(xì)上升法所用的試驗(yàn)設(shè)備比較容易獲得,并且試驗(yàn)時(shí)長較短,適合大范圍推廣,但是受試驗(yàn)量程的限制,無法直接測得顆粒狀集料的表面能.根據(jù)前文,當(dāng)粉末狀集料和顆粒狀集料的巖性相同時(shí),兩者表面能的差異主要是由其表觀特性造成的,這意味著兩者在一定程度上可以相互轉(zhuǎn)換.針對以上不足,筆者提出了一種基于粉末狀集料表面能和表觀特性指標(biāo)的顆粒狀集料預(yù)測模型.

集料的表觀特性中,球度指標(biāo)(SP)和棱角性指標(biāo)(GA)同屬于宏觀尺度,但是兩者相差4個(gè)數(shù)量級(jí),同時(shí)棱角性指標(biāo)對集料表面能的影響程度大于球度指標(biāo).因此,預(yù)測模型中表觀特性宏觀尺度的指標(biāo)只考慮棱角性.表面紋理(TX)作為表觀特性的微觀指標(biāo),和棱角性指標(biāo)共同表征集料表觀特性的綜合指標(biāo)CAAT,即

CAAT=10×TX+0.5×GA

(4)

式中:CAAT為集料表觀特性綜合指標(biāo);TX為集料表面紋理指標(biāo);GA為集料棱角性指標(biāo).

粉末狀集料的表觀特性可以認(rèn)為是0,以此作為限制條件,集料表面能的預(yù)測模型為

γg=ek×CAAT(γp)

(5)

式中:γg為顆粒狀集料表面能;γp為粉末狀集料表面能;k為表觀特性集料表面能影響系數(shù).

將8種不同類型的輝綠巖、石灰?guī)r、玄武巖以及角閃巖的CAAT值和對應(yīng)的粉末狀集料表面能代入預(yù)測模型中進(jìn)行擬合,通過規(guī)劃求解得到表觀特性集料表面能影響系數(shù)k值為1.31×10-4,擬合的結(jié)果和相對誤差見表8.

表8 集料表面能實(shí)測值與模型預(yù)測值相對誤差表

由表8可知:預(yù)測模型擬合得到的表面能與實(shí)測的表面能之間均在的相對誤差在5%附近,經(jīng)過計(jì)算得到擬合優(yōu)度R2為0.92,擬合優(yōu)度較好,說明預(yù)測模型可靠.

將石英砂巖的相關(guān)參數(shù)代入預(yù)測模型中,驗(yàn)證模型的有效性,見表9.

表9 模型驗(yàn)證表

由表9可知:石英砂巖表面能的預(yù)測值與實(shí)測值之間的相對誤差為0.3%,誤差遠(yuǎn)小于5%,證明該模型可以用來進(jìn)行顆粒狀集料表面能的預(yù)測.

5 結(jié) 論

1) 相同巖性的集料粉末狀態(tài)和顆粒狀態(tài)下的表面能相差很大,粉末狀態(tài)的集料表觀特性指標(biāo)可以視為0,而顆粒狀的集料表觀特性指標(biāo)均為確定值,集料的表觀特性是影響集料表面能的重要因素之一.

2) 同一表觀特性指標(biāo)對不同種類的集料表面能影響程度不同,三個(gè)表觀特性指標(biāo)與表面能的關(guān)聯(lián)系數(shù)從大到小依次為棱角性、表面紋理、球度.其中,表觀特性指標(biāo)對不同種類的集料的表面能的影響程度各不相同,對于工程中常用的輝綠巖和石灰?guī)r集料,棱角性、表面紋理對表面能的影響程度較大,工程中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注集料表觀特性中的棱角性和表面紋理指標(biāo).

3) 提出了基于表觀特性指標(biāo)和粉末狀集料表面能參數(shù)的顆粒狀表面能參數(shù)預(yù)測模型,該模型擬合優(yōu)度良好,可用來進(jìn)行顆粒狀集料表面能參數(shù)的預(yù)測,以及對瀝青-集料黏附性進(jìn)行評(píng)價(jià).