应用粘附功理论评价冷补沥青与集料粘附性

杨朋龙武剑韩宁旭韩玉梅　　尹应梅（广州航海学院）（广东省滨海土木工程耐久性重点实验室）（广东工业大学土木与交通工程学院）

应用粘附功理论评价冷补沥青与集料粘附性

杨朋1龙武剑2韩宁旭2韩玉梅1尹应梅3
（1广州航海学院）
（2广东省滨海土木工程耐久性重点实验室）
（3广东工业大学土木与交通工程学院）

本文首先分析了粘附功理论，应用数学公式推理得到简化的粘附功计算公式，采用接触角分析仪、高精度表面张力分析仪等设备，测定不同种冷补沥青的接触角和表面张力等参数，计算得出不同种冷补沥青的粘附功，进而量化得出冷补沥青与集料粘附性，为冷补沥青的广泛应用奠定理论基础。

粘附功；冷补沥青；集料；粘附性

1　概论

业界认为评价沥青与集料的粘附性使用水煮法试验简单易行且比较直观，在工程及科研中应用都很广泛［1，2］。但水煮试验样品少，试验条件不甚严格，且分级较粗，人为因素影响较大。水浸法试验样品较多，可以避免以偏概全错误的发生，而且水浸法有标准的剥落率图对照评定，可以减少人为因素的影响。试验过程较水煮法复杂一些，但结果更可靠一些。最近，日本道路公团提出了一种动态震荡剥离试验，考虑水浸的同时，还考虑了车辆荷载的影响。但这种试验对设备的要求较高，不太方便快速评价沥青与集料的粘附性［3，4，5］。另外我国规范要求［6］，对于沥青混合料最大粒径大于13.2mm的集料采用水煮法，对于小于或等于13.2mm的集料采用水浸法等进行试验，但是对于冷补沥青混合料而言，其最大粒径是跟使用条件有关系的（调查发现日本某冷补沥青混合料的最大粒径为4.75mm）。本文通过原理分析及一系列试验，探讨了柴油型冷补沥青与集料粘附性的机理，为冷补沥青的广泛应用奠定理论基础。

2　粘附功理论分析

资料表明，沥青与集料的粘结力与粘附性具有良好的相关性，粘结力越强，沥青混合料抵抗水破坏和交通荷载作用的能力也越强，因此可以说沥青与矿料的粘结力与它们间的粘附性有着重要的关系［7］。沥青与矿料间的微观结合力主要有范德华力、氢键和化学键。这3种结合力同时存在于沥青与集料的界面粘结体系之中，它们所起的作用相差悬殊，其中以物理吸附的范德华力为主，因而可以使用范德华力粘附的界面作用理论表征沥青与矿料间的粘附力。沥青与集料两相的粘附力最大值通过简化可表示为：

式中：na为沥青单位体积内的基本粒子的个数；ns为集料单位体积内的基本粒子的个数；Aas为分子间色散作用能常数；las为沥青与集料间的距离；Sas为沥青与集料的界面面积。

由于式（1）中的几个参数几乎是不可测的，所以直接计算沥青在集料表面的粘附力是相当困难的。式（1）从侧面反映了粘附力大小与界面面积以及两相间距的关系。由以上结论推知，提高沥青在集料表面的润湿性能，有助于沥青浸入和润湿集料颗粒表面的孔隙和裂纹，这样不但可以减小两相间的距离，而且可以显著提高接触面积，待沥青降温固化后，可形成较高的强度。由此可以推出，沥青在集料表面的润湿性能，其直接影响到粘附力大小，因此采用润湿性表征粘附强度是合理的。

由表面理论可知，润湿性好坏是采用粘附功作为指标表示的。粘附功可定义为沥青与集料相接触而引起整个系统的亥姆霍兹自由能的减少，也可以理解为将已接触的沥青与集料分离成两个表面所需要做的功。表达式为式2：

式中：Was为粘附功；ra为沥青表面张力；rs为集料表面张力；ras为沥青与集料界面张力。

界面张力是液体表面层由于分子引力不均匀而产生的沿着表面作用于任一界线的张力。表面张力是分子力的一种表现。它发生在液体和气体接触时的边界部分。是由于表面的液体分子处于特殊情况决定的。液体内部的分子和分子间几乎是紧挨着的，分子间经常保持平衡距离，稍远一些就相吸，稍近一些就相斥，这就决定了液体分子不像气体分子那样可以无限扩散，而只能在平衡位置附近振动和旋转。在液体表面附近的分子由于只显著受到液体内侧分子的作用，受力不均，使速度较大的分子很容易冲出液面，成为蒸汽，结果在液体表面层（跟气体接触的液体薄层）的分子分布比内部分子分布来得稀疏。相对于液体内部分子的分布来说，它们处在特殊的情况中。表面层分子间的斥力随它们彼此间的距离增大而减小，在这个特殊层中分子间的引力作用占优势。这种表面层中任何两部分间的相互牵引力，促使了液体表面层具有收缩的趋势，由于表面张力的作用，液体表面总是趋向于尽可能缩小。

沥青液滴在集料表面覆盖面积改变了△A=2πRdR，则表面自由能的变化为：

当平衡时

当dR→0时，由于Δθ→0，所以θ′=0，于是式（4）可以变成：

代入式（4）可得：

式中：R为沥青液滴在矿料表面的接触半径；θ为沥青在矿料表面的接触角；θ′为湿润稳定后沥青在矿料表面的接触角。由式（6）可知，只需要测定沥青的表面张力以及沥青在矿料表面的接触角，就可以求得沥青在矿料表面的粘附功。根据冷补沥青粘度的变化规律，80℃的粘度为其拌合温度，此温度下冷补沥青与集料粘附情况最能反映出两者间的粘附性，因此，本研究选择在80℃下测定冷补沥青的接触角、表面张力以及粘附功。

3　试验及数据分析

3.1 冷补沥青对集料接触角试验分析

表1　冷补沥青接触角

图1　表面接触角分析仪

图2　50号冷补沥青接触角试验

沥青与集料间的粘结牢靠程度的好坏取决于沥青是否能理想地浸润集料表面。材料学中通常将浸润的过程利用接触角的大小来衡量，接触角越小，浸润程度越好。本研究使用高精度表面接触角分析仪（见图1）测定3种冷补沥青对集料的浸润程度（见图2～图4），接触角结果见表1。可以看出，在80℃条件下，50号冷补沥青具有较小的接触角，表明其对集料具有较好的浸润。

图3　70号冷补沥青接触角试验

图4　90号冷补沥青接触角试验

3.2 冷补沥青表面张力分析

为了研究冷补沥青对集料的粘附性具体情况，本研究采用数码高精度表面张力分析仪（见图5），对3种冷补沥青进行试验，结果见表2。可以看出，70号冷补沥青具有较大的表面张力，可达10.5510-3（N·m-1）。

图5　数码高精度表面张力仪

表2　冷补沥青表面张力

3.3 冷补沥青与集料的粘附功

通过以上接触角和表面张力数据，根据公式6，经过计算冷补沥青的粘附功见表3。可以看出，本研究所制备的70号冷补沥青与集料具有较大的粘附功，也即70号冷补沥青与集料具有较良好的粘附性。

表3　冷补沥青粘附功

4　结论

⑴现有评价沥青与集料粘附性试验方法具有一定的缺陷和不足，本文提出了采用粘附功理论评价冷补沥青与集料粘附性等级。

⑵采用接触角分析仪、高精度表面张力分析仪测定了不同种冷补沥青的接触角和表面张力等参数，计算得出不同种冷补沥青的粘附功，进而量化得出冷补沥青与集料粘附性，为冷补沥青的广泛应用奠定理论基础。

⑶随着不断应用和发展，冷补沥青的种类还包括溶剂类、反应类和乳化类等等，本研究使用的冷补沥青是通过柴油作为溶剂来制备的，其它种冷补沥青的性能特性还需要进一步研究。

［1］周虎.冷补沥青混合料在公路养护中的应用［J］.交通世界，2011（11）：80-81.

［2］盖卫鹏.冷补沥青混合料养护技术研究［D］.西安：长安大学，2010.

［3］禤炜安.不同类型冷补沥青混合料的初始强度研究［J］.交通科学与工程，2013，29（2）：17-21.

［4］马永柱，李钦勇，杜志刚，陈宗武.冷补沥青混合料配合比设计与性能试验［J］.建材世界，2013，34（1）：49-52.

［5］雷宗建，黄国威，张争奇.粉胶比对冷补沥青混合料性能的影响［J］.公路，2013（7）：212-217.

［6］中华人民共和国行业标准.JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［7］周卫峰，张秀丽，原健安，等.基于沥青与集料界面粘附性的抗剥落剂的开发［J］.长安大学学报（自然科学版），2005，25（2）：16-20.

［8］韩森，刘亚敏，徐鸥明，等.材料特性对沥青-集料界面粘附性的影响［J］.长安大学学报（自然科学版），2010，30（3）：6-9.

广东省滨海土木工程耐久性重点实验室开放课题基金项目（GDDCE15-06），广州航海学院科研项目（B422303、D420821）。