應(yīng)用粘附功理論評(píng)價(jià)冷補(bǔ)瀝青與集料粘附性

楊朋龍武劍韓寧旭韓玉梅　　尹應(yīng)梅（廣州航海學(xué)院）（廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）（廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院）

應(yīng)用粘附功理論評(píng)價(jià)冷補(bǔ)瀝青與集料粘附性

楊朋1龍武劍2韓寧旭2韓玉梅1尹應(yīng)梅3
（1廣州航海學(xué)院）
（2廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
（3廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院）

本文首先分析了粘附功理論，應(yīng)用數(shù)學(xué)公式推理得到簡化的粘附功計(jì)算公式，采用接觸角分析儀、高精度表面張力分析儀等設(shè)備，測定不同種冷補(bǔ)瀝青的接觸角和表面張力等參數(shù)，計(jì)算得出不同種冷補(bǔ)瀝青的粘附功，進(jìn)而量化得出冷補(bǔ)瀝青與集料粘附性，為冷補(bǔ)瀝青的廣泛應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

粘附功；冷補(bǔ)瀝青；集料；粘附性

1　概論

業(yè)界認(rèn)為評(píng)價(jià)瀝青與集料的粘附性使用水煮法試驗(yàn)簡單易行且比較直觀，在工程及科研中應(yīng)用都很廣泛［1，2］。但水煮試驗(yàn)樣品少，試驗(yàn)條件不甚嚴(yán)格，且分級(jí)較粗，人為因素影響較大。水浸法試驗(yàn)樣品較多，可以避免以偏概全錯(cuò)誤的發(fā)生，而且水浸法有標(biāo)準(zhǔn)的剝落率圖對(duì)照評(píng)定，可以減少人為因素的影響。試驗(yàn)過程較水煮法復(fù)雜一些，但結(jié)果更可靠一些。最近，日本道路公團(tuán)提出了一種動(dòng)態(tài)震蕩剝離試驗(yàn)，考慮水浸的同時(shí)，還考慮了車輛荷載的影響。但這種試驗(yàn)對(duì)設(shè)備的要求較高，不太方便快速評(píng)價(jià)瀝青與集料的粘附性［3，4，5］。另外我國規(guī)范要求［6］，對(duì)于瀝青混合料最大粒徑大于13.2mm的集料采用水煮法，對(duì)于小于或等于13.2mm的集料采用水浸法等進(jìn)行試驗(yàn)，但是對(duì)于冷補(bǔ)瀝青混合料而言，其最大粒徑是跟使用條件有關(guān)系的（調(diào)查發(fā)現(xiàn)日本某冷補(bǔ)瀝青混合料的最大粒徑為4.75mm）。本文通過原理分析及一系列試驗(yàn)，探討了柴油型冷補(bǔ)瀝青與集料粘附性的機(jī)理，為冷補(bǔ)瀝青的廣泛應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

2　粘附功理論分析

資料表明，瀝青與集料的粘結(jié)力與粘附性具有良好的相關(guān)性，粘結(jié)力越強(qiáng)，瀝青混合料抵抗水破壞和交通荷載作用的能力也越強(qiáng)，因此可以說瀝青與礦料的粘結(jié)力與它們間的粘附性有著重要的關(guān)系［7］。瀝青與礦料間的微觀結(jié)合力主要有范德華力、氫鍵和化學(xué)鍵。這3種結(jié)合力同時(shí)存在于瀝青與集料的界面粘結(jié)體系之中，它們所起的作用相差懸殊，其中以物理吸附的范德華力為主，因而可以使用范德華力粘附的界面作用理論表征瀝青與礦料間的粘附力。瀝青與集料兩相的粘附力最大值通過簡化可表示為：

式中：na為瀝青單位體積內(nèi)的基本粒子的個(gè)數(shù)；ns為集料單位體積內(nèi)的基本粒子的個(gè)數(shù)；Aas為分子間色散作用能常數(shù)；las為瀝青與集料間的距離；Sas為瀝青與集料的界面面積。

由于式（1）中的幾個(gè)參數(shù)幾乎是不可測的，所以直接計(jì)算瀝青在集料表面的粘附力是相當(dāng)困難的。式（1）從側(cè)面反映了粘附力大小與界面面積以及兩相間距的關(guān)系。由以上結(jié)論推知，提高瀝青在集料表面的潤濕性能，有助于瀝青浸入和潤濕集料顆粒表面的孔隙和裂紋，這樣不但可以減小兩相間的距離，而且可以顯著提高接觸面積，待瀝青降溫固化后，可形成較高的強(qiáng)度。由此可以推出，瀝青在集料表面的潤濕性能，其直接影響到粘附力大小，因此采用潤濕性表征粘附強(qiáng)度是合理的。

由表面理論可知，潤濕性好壞是采用粘附功作為指標(biāo)表示的。粘附功可定義為瀝青與集料相接觸而引起整個(gè)系統(tǒng)的亥姆霍茲自由能的減少，也可以理解為將已接觸的瀝青與集料分離成兩個(gè)表面所需要做的功。表達(dá)式為式2：

式中：Was為粘附功；ra為瀝青表面張力；rs為集料表面張力；ras為瀝青與集料界面張力。

界面張力是液體表面層由于分子引力不均勻而產(chǎn)生的沿著表面作用于任一界線的張力。表面張力是分子力的一種表現(xiàn)。它發(fā)生在液體和氣體接觸時(shí)的邊界部分。是由于表面的液體分子處于特殊情況決定的。液體內(nèi)部的分子和分子間幾乎是緊挨著的，分子間經(jīng)常保持平衡距離，稍遠(yuǎn)一些就相吸，稍近一些就相斥，這就決定了液體分子不像氣體分子那樣可以無限擴(kuò)散，而只能在平衡位置附近振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。在液體表面附近的分子由于只顯著受到液體內(nèi)側(cè)分子的作用，受力不均，使速度較大的分子很容易沖出液面，成為蒸汽，結(jié)果在液體表面層（跟氣體接觸的液體薄層）的分子分布比內(nèi)部分子分布來得稀疏。相對(duì)于液體內(nèi)部分子的分布來說，它們處在特殊的情況中。表面層分子間的斥力隨它們彼此間的距離增大而減小，在這個(gè)特殊層中分子間的引力作用占優(yōu)勢(shì)。這種表面層中任何兩部分間的相互牽引力，促使了液體表面層具有收縮的趨勢(shì)，由于表面張力的作用，液體表面總是趨向于盡可能縮小。

瀝青液滴在集料表面覆蓋面積改變了△A=2πRdR，則表面自由能的變化為：

當(dāng)平衡時(shí)

當(dāng)dR→0時(shí)，由于Δθ→0，所以θ′=0，于是式（4）可以變成：

代入式（4）可得：

式中：R為瀝青液滴在礦料表面的接觸半徑；θ為瀝青在礦料表面的接觸角；θ′為濕潤穩(wěn)定后瀝青在礦料表面的接觸角。由式（6）可知，只需要測定瀝青的表面張力以及瀝青在礦料表面的接觸角，就可以求得瀝青在礦料表面的粘附功。根據(jù)冷補(bǔ)瀝青粘度的變化規(guī)律，80℃的粘度為其拌合溫度，此溫度下冷補(bǔ)瀝青與集料粘附情況最能反映出兩者間的粘附性，因此，本研究選擇在80℃下測定冷補(bǔ)瀝青的接觸角、表面張力以及粘附功。

3　試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 冷補(bǔ)瀝青對(duì)集料接觸角試驗(yàn)分析

表1　冷補(bǔ)瀝青接觸角

圖1　表面接觸角分析儀

圖2　50號(hào)冷補(bǔ)瀝青接觸角試驗(yàn)

瀝青與集料間的粘結(jié)牢靠程度的好壞取決于瀝青是否能理想地浸潤集料表面。材料學(xué)中通常將浸潤的過程利用接觸角的大小來衡量，接觸角越小，浸潤程度越好。本研究使用高精度表面接觸角分析儀（見圖1）測定3種冷補(bǔ)瀝青對(duì)集料的浸潤程度（見圖2～圖4），接觸角結(jié)果見表1。可以看出，在80℃條件下，50號(hào)冷補(bǔ)瀝青具有較小的接觸角，表明其對(duì)集料具有較好的浸潤。

圖3　70號(hào)冷補(bǔ)瀝青接觸角試驗(yàn)

圖4　90號(hào)冷補(bǔ)瀝青接觸角試驗(yàn)

3.2 冷補(bǔ)瀝青表面張力分析

為了研究冷補(bǔ)瀝青對(duì)集料的粘附性具體情況，本研究采用數(shù)碼高精度表面張力分析儀（見圖5），對(duì)3種冷補(bǔ)瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表2。可以看出，70號(hào)冷補(bǔ)瀝青具有較大的表面張力，可達(dá)10.5510-3（N·m-1）。

圖5　數(shù)碼高精度表面張力儀

表2　冷補(bǔ)瀝青表面張力

3.3 冷補(bǔ)瀝青與集料的粘附功

通過以上接觸角和表面張力數(shù)據(jù)，根據(jù)公式6，經(jīng)過計(jì)算冷補(bǔ)瀝青的粘附功見表3。可以看出，本研究所制備的70號(hào)冷補(bǔ)瀝青與集料具有較大的粘附功，也即70號(hào)冷補(bǔ)瀝青與集料具有較良好的粘附性。

表3　冷補(bǔ)瀝青粘附功

4　結(jié)論

⑴現(xiàn)有評(píng)價(jià)瀝青與集料粘附性試驗(yàn)方法具有一定的缺陷和不足，本文提出了采用粘附功理論評(píng)價(jià)冷補(bǔ)瀝青與集料粘附性等級(jí)。

⑵采用接觸角分析儀、高精度表面張力分析儀測定了不同種冷補(bǔ)瀝青的接觸角和表面張力等參數(shù)，計(jì)算得出不同種冷補(bǔ)瀝青的粘附功，進(jìn)而量化得出冷補(bǔ)瀝青與集料粘附性，為冷補(bǔ)瀝青的廣泛應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

⑶隨著不斷應(yīng)用和發(fā)展，冷補(bǔ)瀝青的種類還包括溶劑類、反應(yīng)類和乳化類等等，本研究使用的冷補(bǔ)瀝青是通過柴油作為溶劑來制備的，其它種冷補(bǔ)瀝青的性能特性還需要進(jìn)一步研究。

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廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金項(xiàng)目（GDDCE15-06），廣州航海學(xué)院科研項(xiàng)目（B422303、D420821）。