長(zhǎng)期老化對(duì)瀝青表面能及其與集料黏附性的影響

雷俊安, 鄭南翔, 董善真

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 云南 昆明 650051)

瀝青材料在路面施工和后期運(yùn)營(yíng)使用過程中,必然會(huì)發(fā)生熱氧老化、紫外老化等現(xiàn)象[1-2],進(jìn)而影響其與集料的黏附性以及混合料的水穩(wěn)定性.中國(guó)常采用水煮法或水浸法評(píng)價(jià)瀝青-集料間的黏附性,這種試驗(yàn)方法受人為因素影響較大,無法對(duì)瀝青與集料之間的黏附性進(jìn)行準(zhǔn)確量化[3-4].隨著界面理論的不斷發(fā)展,應(yīng)用表面自由能理論評(píng)價(jià)瀝青與集料之間黏附性的研究越來越多[5-6].Elphingstone[7]研究表明運(yùn)用表面能理論能很好地分析瀝青與集料的黏附性.李海蓮等[8]、李波等[9]等運(yùn)用表面能理論研究了的溫拌苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青的黏附性.Cheng等[10-11]運(yùn)用表面能原理測(cè)試了10種瀝青的表面能參數(shù),并計(jì)算了瀝青-集料的黏附功,發(fā)現(xiàn)其與凍融劈裂強(qiáng)度比之間有良好的相關(guān)性.Hefer等[12]運(yùn)用表面能理論研究了有水作用下瀝青與集料的剝落過程,發(fā)現(xiàn)水的pH值越大，其剝落功越大.魏建明等[13]采用躺滴法測(cè)試了瀝青的表面能,發(fā)現(xiàn)其與瀝青-集料之間拉拔強(qiáng)度相吻合.季節(jié)等[14]基于表面能理論建立了有/無水條件下瀝青-集料黏附模型,發(fā)現(xiàn)水的存在降低了瀝青-集料的界面黏附能力.羅蓉等[15]基于表面能理論得出黏附性從大到小依次為玄武巖、石灰?guī)r、花崗巖、石英砂巖、破碎礫石.李振霞等[16]研究了熱老化對(duì)瀝青混合料的抗水損害性能,發(fā)現(xiàn)熱老化能夠提升混合料的抗水損害性能.楊進(jìn)宇等[17]研究了短期老化對(duì)溫拌瀝青表面能的影響,發(fā)現(xiàn)短期老化增加了溫拌瀝青的表面能.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者多從表面能角度出發(fā)研究了原樣瀝青與集料之間的黏附性,但針對(duì)長(zhǎng)期老化之后瀝青的表面能及其與集料的黏附性研究較少,且不同類型瀝青長(zhǎng)期老化后的黏附性變化不同.因此,本文針對(duì)不同類型的瀝青,基于表面能理論和接觸角試驗(yàn),研究了長(zhǎng)期老化作用對(duì)瀝青表面能及其與不同類型集料黏附性的影響.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

選取基質(zhì)瀝青(BA)、SBS改性瀝青(SBS-MA)、橡膠瀝青(RA)、高黏瀝青(HVA)4種瀝青,瀝青的基本性質(zhì)見表1.選取石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖3種集料(5～10mm),其基本性質(zhì)見表2.

表1 瀝青的基本性質(zhì)

表2 集料的基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1長(zhǎng)期老化試驗(yàn)

首先對(duì)4種瀝青試樣進(jìn)行短期老化試驗(yàn),試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(RTFOT),老化瓶中瀝青質(zhì)量控制為(35.0±0.5)g,老化溫度為(163.0±0.5)℃,老化時(shí)間為85min.將短期老化后的4種瀝青試樣收集起來,倒進(jìn)老化盤內(nèi),裝入壓力老化試驗(yàn)儀中,將壓力容器壓強(qiáng)調(diào)整為(2.1±0.1)MPa,溫度保持在90～110℃,試驗(yàn)時(shí)間為20h,即完成長(zhǎng)期老化試驗(yàn).

1.2.2接觸角試驗(yàn)

選取3種表面能參數(shù)已知的液體：蒸餾水、丙三醇和乙二醇,測(cè)試其與老化前后瀝青和集料的接觸角,液體的表面能參數(shù)見表3.

表3 液體表面能參數(shù)

(1)瀝青的接觸角測(cè)試 首先,將瀝青樣品加熱至165℃,使其完全融化成液體并攪拌均勻;然后,將干燥的載玻片完全浸入熱瀝青,充分黏附后將載玻片緩慢拿出,使其表面形成1層光滑的瀝青,待冷卻后,對(duì)載玻片周圍進(jìn)行修整;最后,將3種液體滴到瀝青膜片上.

(2)集料的接觸角測(cè)試 首先,對(duì)3種集料進(jìn)行切割處理，形成平坦的表面;然后,用粗、細(xì)砂紙對(duì)集料表面進(jìn)行細(xì)致的拋光,打磨后的集料用蒸餾水多次清洗并放入105℃的烘箱中烘干至恒重;最后,將3種液體滴到集料光滑的表面上.

用OCA20型光學(xué)視頻接觸角測(cè)定儀,在25℃下進(jìn)行接觸角測(cè)試,每個(gè)樣品進(jìn)行3次平行測(cè)試,結(jié)果取平均值.

1.2.3表面能及黏附性理論

γSV-γSL=γLVcosθ

(1)

式中：γSV、γSL和γLV分別為固-氣、固-液和液-氣界面張力;θ為液、固、氣三相平衡時(shí)的接觸角.

由楊氏方程可以推導(dǎo)出判斷潤(rùn)濕過程的公式.

沾濕：

Wa=γSV+γLV-γSL=γLV(cosθ+1)

(2)

浸濕：

Wi=γSV-γSL=γLVcosθ

(3)

鋪展：

S=γSV-(γSL+γLV)=γLV(cosθ-1)

(4)

式中：Wa、Wi和S分別為黏附功、浸潤(rùn)功和鋪展系數(shù).

黏附功又可以用固、液兩相中各自的極性分量和色散分量來表示：

(5)

由于瀝青的加熱溫度、滴落高度及液滴的大小難以控制,測(cè)得的瀝青與集料的接觸角離散性較大,因此選擇式(5)計(jì)算黏附功.將式(5)帶入式(2)中：

(6)

將式(6)進(jìn)行變換：

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 接觸角

集料與液體的接觸角見表4.由表4可見：集料與3種液體的接觸角均表現(xiàn)為石灰?guī)r<玄武巖<輝綠巖;石灰?guī)r最容易被液體所潤(rùn)濕.

表4 集料與液體的接觸角

瀝青與液體的接觸角見圖1.由圖1可見：老化前后4種瀝青的接觸角大小均表現(xiàn)為BA>SBS-MA>RA>HVA,4種瀝青中基質(zhì)瀝青最容易被液體所浸潤(rùn),而高黏瀝青最不易被液體所浸潤(rùn);4種瀝青經(jīng)過老化后,與不同液體的接觸角均明顯增大,其中老化后瀝青與水的接觸角中,基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠瀝青和高黏瀝青分別增大了2.72°、1.80°、2.08°和1.68°,老化對(duì)基質(zhì)瀝青的影響最為明顯,對(duì)高黏瀝青影響最小;瀝青與水的接觸角在一定程度上反應(yīng)了瀝青混合料的抗水損害性能,老化后瀝青與水的接觸角增大，表明老化增加了瀝青的疏水性能,老化在一定程度上提升了瀝青混合料的抗水損害能力.

圖1 瀝青與液體的接觸角Fig.1 Contact angle between asphalt and liquid

2.2 表面能

物質(zhì)具有從高能量狀態(tài)趨向于低能量穩(wěn)定狀態(tài)的特性,物體的表面能越大就越不穩(wěn)定,只有通過減小自己的面積來達(dá)到減小表面能的目的,因此表面能越大，物體所具有的吸附能力也就越強(qiáng).根據(jù)測(cè)得的液體與瀝青及集料的接觸角和3種液體的表面能,結(jié)合式(7)可以計(jì)算得到瀝青和集料的表面能,集料的表面能及其分量見表5,老化前后瀝青的表面能及其分量見圖2.

表5 集料的表面能及其分量

圖2 老化前后瀝青的表面能及其分量Fig.2 Surface energy and its components of asphalt before and after aging

由表5可見：不同集料的表面能大小不同,石灰?guī)r的表面能最大,因此其對(duì)瀝青的吸附能力也越強(qiáng);輝綠巖的表面能最小；玄武巖的表面能居中，與石灰?guī)r相接近.

2.3 黏附功

黏附功表征了瀝青與集料黏附性能.圖3為根據(jù)瀝青和集料的表面能參數(shù)計(jì)算得到的老化前后瀝青-集料的黏附功Wa.

圖3 老化前后瀝青-集料的黏附功Fig.3 Adhesion work of asphalt-aggregate before and after aging

由圖3可以看出：對(duì)3種巖性集料而言,4種瀝青老化前后與集料的黏附功均表現(xiàn)為HVA>RA>SBS-MA>BA,表明高黏瀝青與集料的黏附性能最好;對(duì)于同種瀝青而言,老化前后其與集料的黏附功均為石灰?guī)r>玄武巖>輝綠巖,表明3種集料中石灰?guī)r與瀝青黏附性最好;所選取的巖性集料和瀝青組合中,高黏瀝青與石灰?guī)r的黏附性能最好,基質(zhì)瀝青與輝綠巖的黏附性能較差;經(jīng)過長(zhǎng)期老化后,除基質(zhì)瀝青與3種集料的黏附功變化不大之外,其余3種瀝青與集料的黏附功均有所降低,SBS改性瀝青、橡膠瀝青、高黏瀝青與3種集料的黏附功分別平均降低了3.71%、3.13%、2.01%,表明長(zhǎng)期老化對(duì)SBS改性瀝青黏附性影響最為明顯,對(duì)基質(zhì)瀝青黏附性影響最小.

3 結(jié)論

(1)長(zhǎng)期老化增大了瀝青與水的接觸角,基質(zhì)瀝青(BA)、SBS改性瀝青(SBS-MA)、橡膠瀝青(RA)、高黏瀝青(HVA)與水的接觸角分別增大了2.72°、1.80°、2.08°、1.68°,瀝青的疏水性能增強(qiáng),說明老化在一定程度上提升了瀝青混合料的抗水損害能力;老化前后瀝青與水的接觸角大小為BA>SBS-MA>RA>HVA.

(2)表面能大小依次為HVA>RA>SBS-MA>BA,長(zhǎng)期老化降低了瀝青的表面能,老化后BA、SBS-MA、RA、HVA的表面能分別降低了1.98%、7.43%、6.47%、3.22%,表面能的降低增大了瀝青混合料中集料的剝落性能.

(3)長(zhǎng)期老化降低了瀝青與集料的黏附性,長(zhǎng)期老化后SBS-MA、RA、HVA瀝青的黏附功平均降低了3.71%、3.13%、2.01%,長(zhǎng)期老化對(duì)SBS改性瀝青黏附性影響最明顯.