相對濕度對瀝青與集料黏附性的影響

程夢澤

（1.河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司，石家莊 050000；2.河北省道路結(jié)構(gòu)與材料技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050000）

1 引言

當(dāng)前瀝青水損害大多從液態(tài)水的角度展開研究，分析瀝青混合料力學(xué)性質(zhì)的變化與混合料損傷。液態(tài)水通過瀝青路面空隙進入瀝青與集料界面中，在車輛壓力影響下，導(dǎo)致瀝青剝落。但是在實踐應(yīng)用中，在部分干旱少雨地區(qū)，瀝青路面也會發(fā)生水損害。本文在分析氣態(tài)水分子的擴散系數(shù)后，認為氣態(tài)水分子比液態(tài)水更容易滲入混合料內(nèi)部，造成瀝青路面病害，有必要對該問題展開深入研究。

2 表面能基本理論

將試驗條件控制在恒定溫度與恒定壓強時，每當(dāng)系統(tǒng)增加1個單位的表面積時，外界向系統(tǒng)做的功就是表面能γ，可以將γ細分為非極性分量γLW、極性分量γAB兩部分，單位為eV/?2（1?=10-10m）。用式（1）表達兩相材料的相互作用力：

式中，γSL為固體材料和液體材料之間的界面吉布斯自由能；為固體材料表面能總量；γL為液體材料表面能總量與分別為固體材料、液體材料的表面能非極性分量；分別為固體材料表面能極性酸分量、堿分量分別為液體材料表面能參數(shù)酸分量、堿分量[1]。

3 相對濕度對瀝青表面能參數(shù)的影響

3.1 瀝青表面能測試方法

加熱瀝青，并將其移動到玻片上，使其均勻附著，然后冷卻，獲得瀝青玻片。將其平放在試驗腔內(nèi)，抽取5μL試劑，放置于瀝青表面，在試劑保持穩(wěn)定后，通過光學(xué)設(shè)備分析試劑接觸玻片時產(chǎn)生的角度，根據(jù)接觸角數(shù)據(jù)即可獲得瀝青的表面能參數(shù)[2]。此時的接觸角θ為瀝青固體、試劑液體、空氣氣體3種物質(zhì)在穩(wěn)定狀態(tài)下構(gòu)成的夾角。通過式（2）計算瀝青表面能參數(shù)：

3.2 不同相對濕度條件下，瀝青表面能測試試驗

3.2.1 試驗程序

試驗材料選擇70#基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青制成瀝青玻片，并將瀝青玻片移動到0%、20%、40%、60%、80%、100%幾種相對濕度條件，對瀝青玻片進行養(yǎng)護，利用濕度計對瀝青材料濕度進行數(shù)據(jù)檢測，濕度數(shù)據(jù)信息參見表1。

表1 不同相對濕度對應(yīng)的氣態(tài)水分子濃度（20℃）

細集料瀝青混合料養(yǎng)生時間為90 d，為研究瀝青表面能參數(shù)的變化規(guī)律，現(xiàn)設(shè)置1 d、2 d、7 d、15 d、30 d、60 d、90 d若干測試節(jié)點。

3.2.2 試驗結(jié)果

在本試驗中，選擇甲酰胺、乙二醇、丙三醇作為試驗試劑。為分析瀝青表面和相對濕度環(huán)境情況，要以不同養(yǎng)護時間作為影響因素，分析瀝青材料的表面能變異系數(shù)CV1；并設(shè)置另外一組試驗對比，以不同相對濕度作為影響因素，分析不同瀝青表面能參數(shù)的變異系數(shù)CV2。發(fā)現(xiàn)如果相對濕度相同，70#基質(zhì)瀝青的CV1最大值為5.52%，而SBS改性瀝青的CV1最大值為4.64%[3]。可以認為瀝青表面能參數(shù)總量與養(yǎng)生時間有小數(shù)據(jù)離散度；如果養(yǎng)生時間相同，70#基質(zhì)瀝青CV2的最大值為5.16%，而SBS改性瀝青的CV2最大值為5.21%。即相對濕度變化時，瀝青表面能參數(shù)不會產(chǎn)生變化。

4 相對濕度對集料表面能參數(shù)產(chǎn)生的影響

4.1 集料表面能測試方法

集料會對試劑蒸氣產(chǎn)生飽和擴散壓力πe，如果固體表面能γS大于液體表面能γL，液體會完全潤濕固體外表面，固體與固液界面接觸角也會變?yōu)?°，集料表面能參數(shù)為：

利用蒸氣吸附法計算集料表面能數(shù)據(jù)，并研究集料對試劑的表面擴散壓力的實際影響，結(jié)合式（3）可獲得集料表面能參數(shù)數(shù)據(jù)。因為式（3）中涉及3個未知數(shù)，所以，需要用到3種試劑分別進行試驗[4]。試驗基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磁懸浮重量平衡系統(tǒng)示意圖

集料規(guī)格選擇2.36~4.75 mm，質(zhì)量控制在200 g，在充分洗凈、烘干后，向蒸氣容器添加15 mL測試試劑，將集料樣品放置在樣品桶內(nèi)，以150℃、12 h加熱條件處理集料。準(zhǔn)備十階蒸氣吸附試驗，使樣品腔體內(nèi)蒸氣壓穩(wěn)定。試劑蒸氣會被吸附在集料上，達到飽和狀態(tài)，再做下一階試驗。樣品質(zhì)量數(shù)據(jù)由磁懸浮天平稱量獲得，利用樣品質(zhì)量變化分析在不同階蒸氣壓條件下集料吸附蒸氣的能力[5]。

將試劑蒸氣壓設(shè)為p，結(jié)合單位質(zhì)量的集料吸附試劑蒸氣質(zhì)量n，可獲得吸附等溫線圖像，并用式（4）計算集料表面擴散壓力：

式中，R為理想氣體常數(shù)；T為試驗溫度，℃，M為水的摩爾質(zhì)量，g/mol；A′πe為集料比表面積，m2/g；p1為不同階的蒸氣壓，mPa；p0為飽和蒸氣壓，mPa；n為單位質(zhì)量集料吸附蒸汽質(zhì)量。

在獲得集料的πe后代入式(3)，可獲得集料在干燥條件下的表面能參數(shù)。

4.2 集料表面能參數(shù)計算

4.2.1 計算過程

在不同相對濕度條件下，可以將水蒸氣的蒸氣壓與飽和蒸氣壓建立關(guān)系是相對濕度）。

在不同相對濕度條件下，水蒸氣對于集料的πe為：

集料的γS為：

4.2.2 計算結(jié)果與分析

現(xiàn)選擇玄武巖、花崗巖、石灰?guī)r、石英砂巖幾種擁有不同酸堿度的集料，可以將SiO2數(shù)據(jù)整理為表2內(nèi)容。

表2 集料的Si O2含量

在干燥條件下，試劑選擇蒸餾水、2-戊酮、甲苯，使用蒸氣吸附法做集料試驗，獲得集料的表面能參數(shù)，玄武巖為134.94 eV/?2、花崗巖136.38 eV/?2、石灰?guī)r108.02 eV/?2、石英砂巖172.07eV/?2。

如果相對濕度不同，可以通過式（5）獲得水蒸氣在集料表面產(chǎn)生的擴散壓力，可以發(fā)現(xiàn)在相對濕度提升時，幾種集料的γ都呈現(xiàn)下降趨勢，因此，相對濕度對集料πe有明顯影響。而在不同相對濕度下，集料πe的變化趨勢均保持平滑狀態(tài)，通過線性擬合分析的變化趨勢，擬合精度超過0.9，證明集料πe會隨著相對濕度呈現(xiàn)線性降低趨勢[6]。發(fā)現(xiàn)石英砂巖線性擬合斜率最大，其次為花崗巖、石灰?guī)r，玄武巖斜率最小，即不同集料在濕度敏感性方面具有一定差異，容易受到氣態(tài)水分子影響的集料為酸性集料。

5 相對濕度對瀝青與集料黏附性的影響

相對濕度不同時，瀝青和集料之間存在黏附作用的本質(zhì)是兩相材料的相互作用力，在不同相對濕度下分析瀝青和集料的黏附功，可以通過式（7）獲得：

式中，γSA為干燥條件下瀝青和集料界面的吉布斯自由能；γAV為瀝青和氣態(tài)水分子的界面吉布斯自由能。因為氣態(tài)水分子對瀝青γ并無影響，所以γAV=γA（γA為瀝青界面張力）；γSV為集料和氣態(tài)水分子的界面吉布斯自由能。集料受到氣態(tài)水分子影響，集料的表面吉布斯自由能可以用γSV=γS-πe（RH）（γS為集料界面吉布斯自由能）計算。所以，如果相對濕度不同，可以將瀝青和集料的黏附功ΔGaSVA轉(zhuǎn)化為：

即瀝青、集料、液態(tài)水的黏附功可以轉(zhuǎn)化為：

式中，γSW是集料和液態(tài)水之間的界面吉布斯自由能；γAW是瀝青和液態(tài)水之間的界面吉布斯自由能。

通過式（7）~式（9）分析兩種瀝青（70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青）和4種集料（玄武巖、花崗巖、石灰?guī)r、石英砂巖）。選擇兩種試驗環(huán)境：氣態(tài)水分子、液態(tài)水環(huán)境，以不同濃度條件計算黏附功數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相對濕度從0%至100%變化時，瀝青和集料黏附性會逐漸降低，應(yīng)用在實際中，會使瀝青路面逐漸喪失原本的抗水害能力。如果在液態(tài)水環(huán)境，黏附功數(shù)據(jù)大于100%，即在當(dāng)前試驗環(huán)境下，瀝青和集料的黏附性比氣態(tài)水條件下黏附性更低[7]。

將相對濕度0%提升至相對濕度100%，會出現(xiàn)70#基質(zhì)瀝青與集料黏附性超過99%的降幅現(xiàn)象；如果在液態(tài)水條件下，70#基質(zhì)瀝青和4種集料黏附性的下降幅度超過148%；在相對濕度超過80%時，因氣態(tài)水導(dǎo)致黏附性降低的下降幅度僅有液態(tài)水的50%。盡管瀝青在液態(tài)水環(huán)境下會產(chǎn)生比氣態(tài)水環(huán)境下更強的黏附效果，但是氣態(tài)水分子會比液態(tài)水分子更容易進入瀝青集料界面，從內(nèi)至外地對瀝青路面造成水損害，即氣態(tài)水分子對于瀝青集料黏附性影響更為嚴重。

6 結(jié)語

盡管本文系統(tǒng)地研究了相對濕度對瀝青與集料黏附性的影響，部分內(nèi)容具有實踐價值，但是在具體應(yīng)用時仍建議結(jié)合其他文獻對氣態(tài)水分子性質(zhì)做深入研究，從多方面詳細分析瀝青與集料的黏附性，優(yōu)化本文理論內(nèi)容。希望相關(guān)技術(shù)人員可以在吸收本文核心內(nèi)容基礎(chǔ)上，對材料性質(zhì)做更深入研究，為我國公路運輸行業(yè)蓬勃發(fā)展貢獻力量。