《道路工程材料》課程教學(xué)難點(diǎn)解析

張增平+韓繼成+賈猛+班孝義+魏龍

摘要：針對《道路工程材料》課程教學(xué)中瀝青與礦粉交互作用這一難點(diǎn)，本文從瀝青混合料強(qiáng)度構(gòu)成和組成結(jié)構(gòu)、交互作用機(jī)理、交互作用程度影響因素等三方面進(jìn)行解析。

關(guān)鍵詞：瀝青；礦粉；交互作用；路用性能

瀝青-礦粉之間的相互作用對瀝青混合料的粘彈性有重要影響，影響著混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性以及抗疲勞性等路用性能[1]。在《道路工程材料》教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生對瀝青與礦粉交互作用理解存在難度。本文通過從瀝青混合料強(qiáng)度形成和組成結(jié)構(gòu)、交互作用影響因素、交互作用機(jī)理等幾方面來重點(diǎn)闡述瀝青與礦粉的交互作用重要性。

一、瀝青混合料強(qiáng)度構(gòu)成和組成結(jié)構(gòu)

瀝青混合料屬于作為一種多相分散體系材料，其強(qiáng)度構(gòu)成主要由礦質(zhì)顆粒之間的內(nèi)摩阻力、嵌擠力、瀝青本身粘結(jié)力以及瀝青與礦粉之間作用的粘結(jié)力所構(gòu)成[2]。瀝青混合料的粘聚力和勁度模量等性質(zhì)都與瀝青性質(zhì)以及瀝青-礦粉作用交互程度有關(guān)，適當(dāng)?shù)慕换プ饔媚軌虮苊鉃r青路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，提高路面耐久性[3]。可見瀝青與礦粉的交互作用對瀝青混合料強(qiáng)度具有重要意義。

二、瀝青與礦粉交互機(jī)理

為了探究瀝青與礦粉的相互作用機(jī)理，H . M .鮑爾雷曾采用紫外線分析法對石灰石和石英石兩種典型的礦粉與同種瀝青交互作用進(jìn)行研究[4]，如圖1所示，結(jié)果表明：距礦粉表面不同厚度處（膠質(zhì)+瀝青質(zhì)）的組分比例與（飽和分+芳香分）的組分比例不同，發(fā)現(xiàn)瀝青膜距礦粉表面越近，膠質(zhì)+瀝青質(zhì)的組分比例越高，飽和分+芳香分的組分比例越低，且瀝青分子量、碘值、皂化值也在變化，呈距離礦粉表面越近其值越小規(guī)律。

由圖1可見，在不同巖性的礦粉表面形成的吸附溶化膜厚度不同[5]，在石灰石礦粉表面形成較為發(fā)育的吸附溶化膜，在石英石礦粉表面形成較為致密的吸附溶化膜，當(dāng)瀝青同石灰石相互作用時，由于在石灰石表面有未補(bǔ)償?shù)拟}離子和碳酸根離子的分子引力對瀝青的最大活性組分產(chǎn)生吸附，瀝青中的表面活性分子以其極性端定向于石灰石，而非極性端（碳?xì)浠衔铮┒ㄏ蛴跒r青，在適宜的條件下，會發(fā)生化學(xué)吸附，被吸附的瀝青分子以化學(xué)鍵的形式固著在石灰石表面。

瀝青與礦粉交互作用的實質(zhì)是瀝青能夠吸附在礦粉表面，并且瀝青的不同組分得到了重新排列，形成的吸附溶化膜，隨著石灰石表面為補(bǔ)償鈣離子和瀝青中表面活性組分的增加，在吸附時的化學(xué)相互作用的能力就會增長，石灰石的水穩(wěn)定性就會相應(yīng)的增加[6]。

三、交互作用程度的影響因素

（1）瀝青性質(zhì)

瀝青的粘度、含臘量、酸值等物理指標(biāo)以及化學(xué)組分對瀝青與礦粉的交互作用能力的強(qiáng)弱具有一定影響。在科爾貝特四組分分析法中，四種組分對瀝青與礦粉反應(yīng)貢獻(xiàn)率不同，瀝青中膠質(zhì)與瀝青質(zhì)組分因含有大部分的瀝青酸、瀝青酸酐等極性組分，他們與礦粉吸附屬于極性吸附和化學(xué)吸附，吸附能力強(qiáng)；而芳香分和飽和酚屬于非極性低分子，以范德華力與礦粉表面發(fā)生吸附，故吸附作用力較弱。

（2）礦粉比表面積和瀝青用量

在瀝青與礦粉固定的條件下，瀝青與礦粉的比例是影響瀝青混合料強(qiáng)度重要因素。當(dāng)瀝青用量很少時，不足以形成結(jié)構(gòu)瀝青薄膜來黏結(jié)礦料顆粒，隨著瀝青用量的增加，結(jié)構(gòu)瀝青膜逐漸形成，瀝青與礦料間的黏結(jié)力隨瀝青用量逐漸增大，當(dāng)瀝青足夠粘附在礦粉表面時，若瀝青用量繼續(xù)增加，自由瀝青逐漸增多，瀝青膠漿的黏結(jié)力隨自由瀝青的增加而降低，瀝青混合料的強(qiáng)度和路用性能也隨之降低[7]。

（3）礦粉的堿性和粒度

在不同礦粉粒度相同的情況下，礦粉的堿性越強(qiáng)，與瀝青的交互作用能力越大；而礦粉的粒度越小，表面積越大，與瀝青的交互作用能力越強(qiáng)[8]。

四、結(jié)束語

通過從瀝青混合料強(qiáng)度構(gòu)成和組成結(jié)構(gòu)、交互作用機(jī)理、交互作用程度影響因素等三方面對瀝青與礦粉的相互作用的解析，化解了教學(xué)難點(diǎn)，使學(xué)生能夠更加全面、更加深入的理解瀝青與礦粉的相互作用，能夠從整體上把握瀝青與礦粉的相互作用程度的影響因素。

參考文獻(xiàn)

[1]王秉綱，李 平，張爭奇，等.礦粉對瀝青老化性能的影響[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，27（4） ：6-9

[2]申愛琴.道路建筑材料[M] 北京：人民交通出版社，2010

[3]李立寒.道路工程材料[M] 北京：人民交通出版社，2013

[4]嚴(yán)家伋.道路建筑材料[M]北京：人民交通出版社，2004

[5]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001

[6]肖慶一，郝培文，徐鷗明，等.瀝青與礦粉粘附性的測定方法[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，27（1） ：19-22

[7]伍必慶.道路建筑材料[M] 北京：人民交通出版社，2012

[8]譚憶秋，王大慶，邊鑫，等.瀝青與礦料交互作用的影響因素[J] .公路交通科技，2012，29 （11）：7-12

作者簡介：

張增平，男， 35歲，陜西藍(lán)田人，長安大學(xué)公路學(xué)院道路系，副教授。研究方向：道路工程材料。