老化瀝青表面特性及再生劑潤濕作用研究

劉潤LIU Run

（揚州大學建筑科學與工程學院，揚州 225600）

0 引言

我國高速公路總里程已突破16 萬公里，早期建成的各等級公路陸續進入大中修期，在維修養護過程中產生大量廢舊瀝青回收料（Reclaimed Asphalt Pavement, RAP），據統計我國每年產生超過2 億噸RAP 料，對環境造成了巨大壓力。高效再生利用RAP 料是實施綠色公路建設的主要途徑，也是推進綠色交通發展、服務交通強國建設的重要環節，具有巨大的市場需求以及經濟、生態效益[1]。

熱再生技術是RAP 料高效再生利用的主要手段，但再生后再生混合料在使用過程中容易出現疲勞開裂、低溫開裂、水損害等病害，大大降低了熱再生技術的應用價值。RAP 料熱再生過程中會添加再生劑，以修復RAP 的老化性狀，改善熱再生瀝青混合料的性能。研究表明，再生劑的加入不僅起到“組分調節”的作用，更在新舊瀝青融合過程中起“潤滑”作用，從而提升新舊瀝青融合程度。因此，再生劑的潤濕作用影響了再生劑與老化瀝青的擴散行為及其融合狀態，最終引起再生瀝青混合料宏觀性能的變化。

本文基于表面能原理研究了再生劑在老化瀝青表面的潤濕作用。首先，研究了老化作用對瀝青表面特性的影響，分析了不同老化程度下瀝青接觸角和表面能的變化規律；其次，根據浸潤方程和浸潤速度方程，計算得到潤濕作用熱力學參數，研究了再生劑在老化瀝青表面的潤濕功和潤濕速度的變化規律及影響因素。研究結果可為再生劑的研發、熱再生的工藝優化提供科學指導[2-3]。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

采用了70#道路石油瀝青、PG76-22 SBS 改性瀝青和市售XT-2 型再生劑，其基本性能指標見表1 和表2。

表1 70# 道路石油瀝青和SBS 改性瀝青的性能指標

表2 再生劑性能指標

1.2 試驗方法

1.2.1 瀝青老化試驗

采用JTG E20-2011 規范中的旋轉薄膜老化試驗（RTFOT，T0610）和壓力老化加速瀝青老化試驗（PAV，T0630）對70#瀝青和SBS 改性瀝青進行短期老化和長期老化。其中，短期老化設置了45min、85min 和125min 三個時間段，長期老化設置了行10h、20h 及30h 三個時間段。

1.2.2 接觸角測試

采用躺滴法測定瀝青的接觸角所用儀器為JC2000DM 型光學接觸角測量儀，該儀器接觸角測試范圍為0~180°，分辨率為0.01°。躺滴法是一種基于光學成像原理的接觸角測試方法，要求待測瀝青樣品表面必須平整，否則會因為液滴形狀不對稱而影響測量結果[4]。因此，本文制備了瀝青薄膜來確保瀝青樣品表面平整，過程過下：

①將規格為寬25.4mm，長76.2mm，厚度1.2mm 的載玻片以及待測的老化瀝青樣品置于165℃烘箱中加熱2h。②然后將載玻片插入其中老化瀝青樣品中，浸泡5s 后提起懸掛，待多余瀝青沿著載玻片流下3min 即可獲取樣品，如圖1 和圖2 所示。

圖1 表面裹覆老化瀝青的載玻片

圖2 成型完畢的瀝青試樣

1.2.3 表面自由能測試

表面自由能是指固體或液體于真空產生一個新的空間所需的功。液體的表面自由能可以由張力儀直接測得，但固體的表面自由能則很難通過儀器直接測得，往往通過間接方法測定[5-6]，通常需通過借助表面能分量、狀態方程等途徑計算得出。

基于楊氏方程（Young 方程，見式（1），通過測定固液氣三相接觸界面接觸角，可計算固體表面能。

式中：γsv為固體表面能，也是固氣界面的張力；γlv為液體表面能；γsl為固-液界面能。

Fowkes 提出自由能分為色散分量和極性分量兩部分，見式（2）。

式中：γ—表面能；γd—色散分量；γp—極性分量。

隨后，Owens 和Wendt 在Fowkes 理論的基礎上又進行了改進，根據二人的結論，最終得出只需測量固體與兩種表面能參數已知的液體的接觸角，即可計算出固體的表面能，見式（3）[7]。

分別將兩種測試液體L1和L2的表面能γL1和γL2和各自與瀝青的接觸角θ1和θ2代入式（3）可求得和，再根據γsv=，便可求出固體表面自由能。

本文通過以蒸餾水為測試液體，測定蒸餾水在老化瀝青表面的接觸角，計算得出老化瀝青表面自由能，從而評判老化作用對瀝青表面特性的影響。

1.2.4 潤濕功及潤濕速度

根據Fowkes 等人研究，接觸角與黏附功、浸潤功以及鋪展系數之間的關系見式（4）-式（6）：

式中：γlV為固液界面張力；S 為鋪展系數；Wi為浸潤功；Wa為黏附功。

根據表面物理化學，從動力學角度看，可以通過液體在固體表面的潤濕速度和潤濕時間來評估固液相之間的潤濕過程，將固體表面的孔隙看作毛細管，根據液體的表面張力和粘度、固液界面接觸角和固體的表面形貌數據，可以計算液體流過毛細管的速度和時間，即潤濕速度v 和潤濕時間t，見式（7）、式（8）[8]：

式中：R 為老化瀝青表面毛細管半徑；γlV為再生劑表面張力；η 為再生劑的黏度；θ 為再生劑在老化瀝青表面的接觸角；L 為老化瀝青表面毛細管長度；本文假設R，L均為1[9]。

本研究測定再生劑在老化瀝青表面的接觸角，通過計算得到再生劑在不同老化瀝青表面的浸潤功和浸潤速率，研究再生劑在老化瀝青表面的浸潤規律及影響因素。

2 結果與討論

2.1 老化瀝青與蒸餾水接觸角變化規律

為研究老化瀝青表面特性，測得在25℃條件下，70#基質瀝青，PG76-22 SBS 改性瀝青在短期老化（RTFOT）和長期老化（PAV）后與蒸餾水接觸角，試驗結果見圖3 和圖4 所示，接觸角示意圖見圖5 和圖6 所示。

圖3 短期老化瀝青與蒸餾水接觸角變化

圖4 長期老化瀝青與蒸餾水接觸角變化

圖5 70# 短期老化85min 與蒸餾水接觸角

圖6 70# 長期老化10h 與蒸餾水接觸角

從圖3 中可知：對比瀝青種類，在短期老化階段，PG76-22 改性瀝青接觸角明顯比基質瀝青大；在長期老化階段，PG76-22 改性瀝青的接觸角隨著老化程度的增加而增大；70#基質瀝青在PAV 老化20h 后迅速上升，PAV 老化30h 后超越了PG76-22 改性瀝青的接觸角。這表明不同種類瀝青與蒸餾水的接觸角受老化程度影響各不相同[10]。

對比老化程度，無論是70#基質瀝青或是PG76-22改性瀝青，在短期老化階段，其接觸角均隨著老化時長的增加而逐漸變小；在長期老化階段，其接觸角則隨著老化時長的增加而逐漸變大。以70#瀝青為例，未老化原樣瀝青的接觸角為100.3°，短期老化45min、85min 和125min后，其接觸角分別減小至為98.9°至97.3°和96.4°；長期老化10h、20h 和30h 后，其接觸角分別為95.3°、101.1°和104.3°。由于接觸角越大，疏水性越強，這表明經短期老化后瀝青的親水性增加，而經長期老化后瀝青的疏水性增加。

2.2 老化瀝青表面能變化規律

根據2.1 測得蒸餾水與老化瀝青接觸角結果，結合式（1）-式（3），求得老化瀝青的色散分量、極性分量及表面能總量，結果分別見圖7-圖9 所示。

圖7 不同老化程度瀝青表面能色散分量

由圖7 可知，對于70#基質瀝青，在短期老化階段，其表面能色散分量隨著老化程度的增加而降低；在長期老化階段則隨著老化程度的增加而顯著增大，在PAV 老化20h后超過了11.76mJ·m-2。對于PG76-22 改性瀝青，在不同老化程度下，其表面能色散分量均隨著老化程度的增加而減小，且在短期老化階段的下降速率較長期老化階段的大。

由圖8 可知，對于基質瀝青和改性瀝青，其表面能極性分量的變化規律均出現了顯著的“兩階段”特征，即：在短期老化階段，表面能極性分量均隨著老化程度的加深而增大；在長期老化階段，極性分量則隨著老化程度的加深而下降，且70#基質瀝青的下降幅度更為顯著。

圖8 不同老化程度瀝青表面能極性分量

由圖9 可知，對于70#基質瀝青，相比于未老化原樣瀝青，老化瀝青表面能有一定程度下降；但主要發生在老化初期，隨后其表面能總量隨著老化程度的加深無明顯變化，在15.26 mJ·m-2~15.40mJ·m-2范圍內波動。對于PG76-22 改性瀝青，在短期老化階段，其表面能總量隨著老化程度的加深而快速下降；在長期老化階段，其表面能總量繼續顯著下降，其下降幅度較短期老化階段更加顯著。

圖9 不同老化程度瀝青表面能總量

2.3 老化瀝青與再生劑接觸角變化規律

為研究再生劑在老化瀝青表面擴散規律，測得在25℃條件下，再生劑在不同老化程度70# 基質瀝青和PG76-22 SBS 改性瀝青表面的接觸角，試驗結果見圖10和圖11 所示，接觸角示意圖見圖12 和圖13 所示。

圖10 再生劑與短期老化瀝青接程度

圖11 再生劑與長期老化瀝青接觸角

圖12 PG76-22 短期老化85min 接觸角

圖13 70# 瀝青長期老化20h 接觸角

潤濕按自發性不同可以分為三類：鋪展（spreading）、浸濕（immersion）和沾濕（adhesion），其中接觸角θ≈0°為鋪展，θ＜90°為浸濕，θ＞90°為沾濕[9-10]。由于再生劑與老化瀝青接觸角都處于44°-50°之間，因此判定再生劑在老化瀝青表面潤濕過程發生的是浸濕作用。

由圖10 和圖11 可知，從老化程度的影響來看，70#基質瀝青與再生劑的接觸角變化規律呈現出“中間低，兩端高”的特點，即在短期老化階段，隨著老化時長的增加而不斷降低；但在長期老化階段，其接觸角則隨著老化時長的增加而繼續增大。無論在短期老化還是長期老化階段，PG76-22 改性瀝青與再生劑接觸角始終隨老化時長的增加而持續增大。

從瀝青種類來看，除在短期老化45min 時，PG76-22改性瀝青與再生劑的接觸角始終大于70#基質瀝青，并且隨著老化程度的加深，兩種瀝青與再生劑的接觸角的差值進一步擴大。

2.4 再生劑在老化瀝青表面的潤濕作用規律

本研究選取潤濕功和潤濕速度作為綜合評價指標。由于再生劑在老化瀝青表面發生的是浸濕過程，因此，根據式（5）計算再生劑在老化瀝青表面的浸潤功wi，并根據式（7）計算再生劑在老化瀝青表面的鋪展潤濕的動力學參數浸潤速度v，結果見圖14 和圖15 所示。

圖14 再生劑與不同種類老化瀝青浸潤功

圖15 再生劑與不同種類老化瀝青浸潤速度

由圖14 可知，在短期老化階段，再生劑在70#基質瀝青表面的浸潤功隨著老化程度的加深而略微增加，而在長期老化階段，其浸潤功則隨著老化程度的加深而小幅下降，表明長期老化不利于再生劑在老化基質瀝青表面的浸潤過程。對于PG76-22 改性瀝青，無論在短期老化或長期老化階段，再生劑在其上的浸潤功均隨著老化程度的增加而略微減小，表明老化作用不利于再生劑在老化改性瀝青表面的浸潤過程。

對比兩種老化瀝青的浸潤功可知，總體而言，隨著老化程度的加深，70# 基質瀝青的其浸潤功較改性瀝青的大，在PAV 長期老化20h 后，再生劑在基質瀝青表面的浸潤功為12.66mJ·m-2，其在改性瀝青表面的浸潤功為11.79mJ·m-2，基質瀝青表面的浸潤功比改性瀝青的高7.4%。這表明再生劑在老化基質瀝青表面的浸潤作用較改性瀝青更容易發生[11-12]。

由圖15 可知，總體而言，再生劑在70#基質瀝青表面的浸潤速度（0.281m·s-1~0.296m·s-1）要大于在改性瀝青的（0.267m·s-1~0.290m·s-1）。當瀝青種類相同時，基質瀝青的浸潤速度經歷了先升高后降低，在短期老化125min 時浸潤速度達到最快；而改性瀝青的浸潤速度則始終保持降低，較短期老化初期時下降幅度最為明顯。

結合上述接觸角、浸潤速度和浸潤功的分析結果可知，老化程度對再生劑在瀝青表面的潤濕作用有一定影響，總體來說老化程度越高，再生劑在瀝青表面的浸潤作用越難行進，究其原因，可從以下方面考慮：①老化作用引起瀝青表面能變化，在其他條件不變的情況下，進而影響再生劑的潤濕作用效果。②老化作用引起瀝青黏度的變化，由于老化作用會使老化瀝青發生結構變化和組分遷移，造成輕質組分損失，黏度變大，從而阻礙再生劑在其上的潤濕作用。

3 結論

①瀝青與蒸餾水的接觸角均大于90°，表明瀝青是一種疏水材料。表面能結果表明，瀝青表面能分量中色散分量占主要部分，表明瀝青主要由非極性碳氫化合物組成。②老化作用對于瀝青表面特性影響較為顯著；對于70#基質瀝青和改性瀝青，接觸角均隨著老化程度的加深而出現先減小再增大的趨勢。兩種瀝青表面能總量則隨老化程度的加深而減小，主要是受色散分量的影響所致。③再生劑在老化瀝青上潤濕過程發生的是浸濕作用。其浸潤功與浸潤速度均隨著老化程度的增加而減小，表明老化程度加深會阻礙再生劑在老化瀝青表面的浸濕過程。此外，再生劑在老化基質瀝青表面的潤濕作用效果優于老化改性瀝青。