基于表面能法的沥青/集料粘附机理研究

裴建新

(山西交通职业技术学院，山西太原 030031)



基于表面能法的沥青/集料粘附机理研究

裴建新

(山西交通职业技术学院，山西太原 030031)

水损害是制约沥青路面使用寿命的长期的棘手问题，而沥青与集料的粘附性是其中的关键所在。该文通过表面能法，结合接触角测试试验，获得沥青、集料的表面能参数，通过计算沥青与集料的粘附功、剥落功以及配伍率来评价粘附效果。与此同时，深入分析了沥青温度变化对粘附性的影响。该文所得可为进一步研究沥青/集料的粘附机理、提高沥青与集料的粘附性提供理论借鉴。

道路工程，表面能，沥青/集料，粘附机理

随着我国交通运输业的迅速发展，对沥青路面的使用寿命也提出更加严格的要求。由于路面结构中水的存在，致使如路面坑槽、裂缝、松散等病害频频发生，路面使用寿命大打折扣[1]。因此沥青混合料中沥青与集料粘附效果的好坏，对沥青路面抗水损的能力具有较大的影响。

针对沥青/集料的粘附机理评价主要涉及有五种理论：力学理论，化学反应理论，分子定向理论，静电理论，表面能理论。其中，表面能理论近几年研究较多，表面能理论认为任何固体表面都存在不饱和力场，因此固体表面有自发吸引其他物质以降低自身自由能的能力。当沥青扩散并润湿集料表面时，矿料自发地吸引沥青分子以降低系统的自由能，由于这种能量交换而产生了粘附。

王勇[2]以Owens-Wendt理论为基础，结合Young’s方程计算得到沥青与集料的粘附功，通过与现行规范评价方法对比，指出表面能法的优势和可行性。肖庆一等[3]利用粘附功试验，讨论了沥青与集料界面粘附性与粘附力的内在关系，认为粘附功可以作为沥青与集料的粘附性表征指标。韩森[4]借助表面能理论，通过测定表面能参数，计算得到粘附功与表面能变化，借此分析了沥青-集料系统粘附性的变化。试验表明，SBS改性沥青/石灰岩系统的界面粘附性最好，克拉玛依基质沥青-角闪片麻岩最差。Arno W.Hefer等[5]基于表面能理论，使用Wilhelmy吊板法测得沥青的表面能参数，分析了表面能中的接触角与水损害之间的关系，认为沥青的表面能特性是与其化学性质有关，通过分析沥青与集料的表面能特性为提高沥青和集料的兼容性提供依据。Amit Bhasin等[6]使用USD(Universal Sorption Device)吸附法测得集料比表面积和表面能参数，通过集料和沥青的表面能参数计算获得粘结强度，并将该粘结强度作为选择沥青和集料搭配的依据，利用微量热剂法测得沥青胶浆与集料结合时的热量变化，进而表征其粘附效果。根据上述研究可知，采用表面能理论研究沥青/集料的粘附性具有很好的可行性。

本研究通过表面能法，结合接触角测试试验，获得沥青、集料的表面能参数，反算出沥青/集料的接触角；根据粘附功、剥落功的变化评价粘附效果。本研究可为进一步研究沥青/集料的粘附机理，提高沥青与集料的粘附性提供理论借鉴。

1　沥青/集料粘附机理

1.1表面能理论

表面能理论认为液体与固体之间的粘附存在能量的变化，表现为液体润湿固体表面过程中体系表面能的减小。表面能即单位表面积上的能量，其公式σ=ΔG/ΔA(J·m-2)，与表面能相近的一个量即表面张力，是指单位长度受的力，σ=F/2L(N·m-1)，实际上表面能和表面张力在数值上是相等的。因此，表面张力的发展可以代表表面能的变化过程。

1964年，Fowkes[7]提出材料的表面能可分为两部分，一部分是γd，色散分量，另一部分是偶极作用力、氢键以及诱导力等组成的非色散力，他认为只有色散分量对固-液界面产生作用。1969年，Owens和Wendt[8]发展了Fowkes法，认为固液界面除了色散力作用外，同时还存在包括氢键在内的极性作用力，称之为几何平均法。Van Oss[9]等在20世纪80年代后期提出了LW-AB法，将上述几何平均法中的极性部分进一步细化，认为极性部分可描述为电子受体和电子给体之间的相互作用，也可称为质子酸碱作用，从而使表面能可以用三个参数表示。2007年，朱定一[10]在总结再次分析前人研究的基础上，推导得到计算固体表面张力的新方法。通过建立有限液固界面体系的张力平衡，推导出在无限液固界面系统中液固界面张力和固相表面张力的关系式。使用不同计算方法获得的表面张力数据比较可知，朱定一法和上述Van Oss的LW-AB法结果极为接近。

1.2粘附性的评价指标

(1)粘附功Wab

粘附功表示沥青与集料粘附过程中，体系能量的变化，其值能较好地反映三种材料之间粘附的效果。通常有如下计算方法：

①已知两种材料各自的表面张力，以及它们的界面张力时，按式(1)计算：

Wab=γa+γb-γab

(1)

②已知两种材料的表面能三参数，通过式(2)可得到它们之间的粘附功：

(2)

③已知沥青与集料的接触角，以及沥青的表面张力，粘附功按式(3)计算：

Wab=γA(1+cosθ)

(3)

其中，a为集料参数，b为沥青参数，θ为沥青与集料接触角，推导验证三者计算结果相同。

(2)剥落功Wabw

剥落功Wabw是集料/沥青+水→集料/水+沥青/水的过程中集料、沥青和水三相体系总能量的变化。也即为水置换集料表面沥青的过程。在此期间，体系表面自由能的变化量为Gabw，该值通常为负值，而剥落功为正值，并且有如下关系：

Wabw=-Gabw

(4)

体系的自由能降低，水在混合料中会自发的将沥青从集料表面剥落下来。因此可知，剥落功越大，促使水损害的热力学势能就越大，对于沥青与集料的粘附破坏就越大，通常希望该值越小越好。

2　试验及结果分析

2.1接触角测定

借助德国制造OCA20型视频光学接触角测定仪可精确测量液滴在基体表面的接触角，精确度可达0.1°。所用集料为石灰岩、玄武岩、花岗岩；沥青为SK70#基质沥青、SBS改性沥青。本试验分为两部分：集料表面能参数的测试，沥青表面能参数的测试。

(1)集料表面能参数的测定

①切割大块的集料，获得尺寸3cm×2cm×1cm的长方体试件。

②使用磨光机打磨已切割试件的上下平面，并用粗砂纸、细砂纸多道打磨，再用抛光机抛光，得到光滑的表面。

③用蒸馏水清洗上述测试表面，再置于130℃烘箱中烘干2h，取出后备用；为获取较多的平行试验数据，每种集料试件制备3个。

④每个集料试件上分别滴定三种标准液体(水、甲酰胺、丙三醇)，使用接触角测定仪分别获得其与各个集料的接触角。

(2)沥青表面能参数的测定

①准备好尺寸为10cm×1cm的薄板玻璃，表面干燥洁净。

②将待测沥青加热至100℃，握住玻璃板的一端将其浸入沥青杯中，浸润深度大约9cm，之后迅速将上述玻璃板竖直吊起，没有浸润沥青的一端在上，沥青在重力的作用下自由伸展，确保试件四周不被灰尘污染、沥青薄膜水平光滑。

③冷却至室温，置于干燥器中12h后以备后续测试。

④上述每种沥青薄膜试件各备3个，用于后续对比试验，其成品如图1所示。

图1　沥青薄膜试件

⑤每个沥青薄膜试件上分别滴定三种标准液体(水、甲酰胺、丙三醇)，使用接触角测定仪分别获得其与各个试件的接触角。图2为接触角测试图，得到表1标准液体在材料表面的接触角测试结果。

图2　接触角测试图

经过计算可得表2，即沥青、集料的表面能参数。

表2　集料、沥青的表面能参数(单位：mJ/m2)

2.2粘附性的评价

(1)粘附功、剥落功

根据表2和式(2)，可得沥青与集料的粘附功，如表3所示。由表3可知，三种集料与基质沥青的粘附功从大到小排序为：石灰岩、玄武岩、花岗岩；与改性沥青的粘附功排序相同。这表明，石灰岩、玄武岩、花岗岩与沥青的粘附性依次递减。对比两种沥青与集料的粘附功，可知改性沥青与3种集料的粘附性都较好。

表3　沥青与集料的粘附功(单位：mJ/m2)

同样，根据表2，结合式(4)，可得沥青与集料的剥落功，如表4所示。

表4　沥青与集料的剥落功(mJ/m2)

剥落功是指促使水损害的热力学势能，根据前述，剥落功越大，促使沥青/集料界面分离的能量越大。由表4可知，石灰岩、玄武岩、花岗岩与两种沥青的剥落功都呈现递增趋势；石灰岩和改性沥青的剥落功最小，因此，该组合抵抗水损害的能力最强。

(2)配伍率Wab/Wabw

为更好地评判沥青与集料的粘附效果，使用粘附功和剥落功的比值，定义为配伍率来表征粘附性。分析结果如图3所示。

相比单独分析粘附功、剥落功，比值法可以更加全面地分析粘附系统的抗水损性能，包含集料、沥青和水，3个组件的共同作用。根据配伍率的概念可知，配伍率越高，表明该组合沥青与集料的粘附效果更佳，反之较差。通过图3可知，在6组组合中，改性沥青和石灰岩组合的配伍率最高，因而，其粘附效果最好，抵抗剥落的能力越强；花岗岩与基质沥青组合的配伍率最差，意味着该组合抵抗剥落的性能较差。石灰岩、玄武岩、花岗岩与2种沥青的配伍性都呈现递减趋势。

图3　沥青与集料的配伍性

3　结论

(1)石灰岩、玄武岩、花岗岩分别与基质沥青、改性沥青的粘附功大小呈递减趋势。

(2)配伍率可以全面地分析粘附系统的抗水损性能，在6组组合中，改性沥青和石灰岩组合的配伍率最高，其粘附效果最好；花岗岩与基质沥青组合的配伍率最差。

[1] 沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京：人民交通出版社，2001：140-171.

[2] 王勇.基于表面能理论的沥青与集料粘附性研究[D].长沙：湖南大学土木工程学院，2010.

[3] 肖庆一，郝培文，徐欧明，等.沥青与矿料粘附性的测定方法[J].长安大学学报：自然科学版，2007，27(1)：19-22.

[4] 韩森，刘亚敏，徐欧明，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)：7-9.

[5] Arno W Hefer，Amit Bhasin，Dallas N. Bitumen Surface Energy Characterization Using a Contact Angle Approach[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2006，18(6)：759-767.

[6] Amit Bhasin，Dallas N，Little P E. Characterization of Aggregate Surface Energy Using the Universal Sorption Device[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2007，19(8)：634-641.

[7] Fowkes F M，HuangY C，Shah B A，et al. Colloids Surf，1988，29(1)：243-261.

[8] Owens D K，Wendt R C. Appl Pol Sci，1969，13：1741-1747.

[9] Van Oss C J，Chaudhury M K，Good R J. Adv Colloid Interface Sci，1987，28(1)：35-64.

[10] 罗晓斌，朱定一，石丽敏.基于接触角法计算固体表面张力的研究进展[J].科学技术与工程，2007，7(19)：4997-5004.

Adhesion Mechanism of Asphalt and Aggregate by Surface Energy Method

PEI Jian-xin

(Shanxi Traffic Vocational and Technical College，Taiyuan 030031，Shanxi，China)

Water damage is a difficult problem that restricts the service life of asphalt pavement，and the adhesion between asphalt and aggregate is the key point of reducing water damage. In the paper，the surface energy parameters of asphalt and aggregate can be obtained by surface energy method and contact angle test and the adhesion effect was evaluated by calculating the adhesion work，stripping work and compatibility rate of asphalt and aggregate. Meanwhile，the influence of the temperature change on the adhesion of asphalt was analyzed. The results of this paper can provide a further study of adhesion mechanism of asphalt and aggregate theoretical reference for the adhesion between asphalt and aggregate.

road engineering，surface energy，asphalt and aggregate，adhesion mechanism

U 414