基于表面能的Sasobit温拌沥青混合料水稳定性能

闫建军

(新疆筑路机械厂公路工程处，新疆　乌鲁木齐　830021)



基于表面能的Sasobit温拌沥青混合料水稳定性能

闫建军

(新疆筑路机械厂公路工程处，新疆乌鲁木齐830021)

为了研究Sasobit温拌剂对沥青混合料水稳定性能的影响，文章基于表面能理论，通过接触角法测算了不同掺量下两种不同沥青的表面能，并利用柱状灯芯技术计算了一种集料表面能，通过建立剥落功、粘附功模型计算了有水、无水条件下沥青与集料粘附功、剥落功以及剥落功/粘附功之比，同时与冻融劈裂试验结果进行对比。结果表明：Sasobit温拌剂增大了沥青的表面能，且在3%掺量范围内能够较好地改善沥青混合料的抗水损害性能，同时也证明了表面能理论在沥青混合料水稳定性评价方面的适用性。

沥青混合料；水稳定性能；表面能；Sasobit温拌剂；粘附功；剥落功；冻融劈裂试验

0　引言

起源于20世纪90年代的温拌沥青混合料技术(WMA)，由于较传统热拌沥青混合料技术(HMA)可使混合料拌合和压实温度降低20 ℃～30 ℃而使其具有如下诸多优势[1]：(1)能源消耗大幅减少(达30%)；(2)有害气体及沥青烟排放减少；(3)高温拌合压实引起的沥青老化作用减弱；(4)有效施工季节延长。然而同HMA一样，WMA同样面临水损害这一难题。沥青混合料水损害是指在水或冻融循环作用下沥青从集料表面剥落的过程。有水条件下，由于水具有较低的黏度和表面张力，集料吸水速率将高于沥青渗透速率。这样水分由孔隙渗入混合料后沥青与集料粘附力将显著减小，同时沥青内部粘聚力也将由于水的渗入有所降低。最终即使集料被沥青裹覆，水的渗透也将削弱二者之间的粘附作用进而产生水损害降低混合料性能。

沥青混合料的水损害主要是由沥青与集料之间的粘附性能受到水的损害而引起，目前用于研究沥青-集料界面粘附性的理论主要有：表面(自由)能理论、力学理论、化学反应理论及分子定向理论等[1]。近年来表面能理论收到了越来越多研究者的关注。如肖庆一等[3]以润湿吸附理论为基础，研究了沥青与矿料的粘附性与粘附力的内在关系，分析了沥青矿料表面润湿性能对界面粘结强度的影响，提出了以粘附功作为沥青与矿料粘附性的表征指标。刘亚敏等[4]测试了2种沥青和2种集料的表面能参数，计算并归纳出粘附功与表面自由能的变化规律，分析了无水和有水情况下沥青自身粘聚力变化及沥青-集料粘附和剥落的趋势。窦晖[5]建立了沥青-水-集料三相体系的粘附模型，并对其粘附功进行了计算。综上可以发现，表面能理论作为有别于浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验等常规试验的一种能定量评价沥青混合料抗水损害性能的新方法正在被广泛应用。但同时可以发现，以上研究对象均为热拌沥青混合料，对于应用表面能理论评价温拌沥青以及温拌混合料抗水损害性能的研究还较为缺乏。

本文基于表面能理论，对不同Sasobit温拌剂掺量下两种不同沥青以及一种石灰岩集料进行表面能测试，同时还对两种沥青组成的沥青混合料进行冻融劈裂试验，探讨Sasobit温拌剂对沥青混合料抗水损害性能的影响。

1　材料表面能测试

研究采用Sasobit温拌剂以及SK70基质沥青、SK70 SBS改性沥青两种沥青，为方便标记，将两种沥青分别简写为J(基质)、G(改性)，集料采用石灰岩集料，沥青与集料各项性能指标均满足规范要求在此不再赘列。

1.1沥青表面能测试

对液体而言，其表面能(表面张力)容易测量，但固体表面能是非常困难的，至今为止还未找到一种能够从实验上直接测量的可靠方法，但一般可采用温度外推法、溶解热法、拉力法、劈裂力法、接触角法等来进行估算[6]。其中接触角法自Young方程提出以来由于其操作简单、应用广泛已受到广泛研究，本文采用接触角法进行沥青表面能测试(如图1所示)。

图1　液滴在固体表面接触角图

通过测试3种表面能已知试液与沥青表面形成的接触角计算沥青表面能。遵循试液应不与沥青反应、不与沥青互溶且试液须纯净无污染等原则，选择蒸馏水、甘油、甲酰胺3种试液进行测试，3种试液表面能及分量如表1所示。

表1　3种试液表面能及分量表

上表中：γLW——表面能极性分量；

γAB——表面能非极性分量；

γ+——Lewis酸性分量；

γ-——Lewis碱性分量。

其中，下标L表示试液(liquid)。

沥青与试液接触角测试完成后，利用Youn-Dupre的简化矩阵公式[式(1)]可以计算出沥青的表面能及各分量值[7]。

(1)

式中：L1、L2、L3——分别表示蒸馏水、甘油、甲酰胺；

θ1、θ2、θ3——分别对应3种试液与沥青表面接触角；

γa——沥青表面能。

其余标示含义与前文相同。

Sasobit温拌剂产品说明建议其最佳掺量范围为2%～4%，且最高掺量≤4%，为此试验采用2%、3%、4%三个掺量进行沥青表面能测试，相关测算结果如表2所示。

表2　不同掺量Sasobit温拌沥青表面能测试结果表

分析表2，可得到如下结论：

(1)两种沥青表面能分量中γ1LW均最大，总体而言γ1LW分量的大小决定着各沥青试样总的表面能大小，这可能是由于沥青主要是由极性物质组合而成。同时各试样γ-——Lewis碱性分量显著>Lewis酸性分量。

(2)随着Sasobit掺量的增加两种沥青的γ1LW分量与表面总量能随之增大，如图2所示。由于Sasobit温拌剂是一种通过Fischer-Tropsch(F-T、费托)合成技术生产的长链脂肪族烃，也称为FT固体石蜡、硬蜡，其熔点为99 ℃，在116 ℃时能与沥青完全混融[8]，同时由于物质表面能为物质所特有的属性，各掺量下沥青表面能的变化说明此时沥青性质已经发生改变。

图2　不同下掺量Sasobit温拌沥青表面能曲线图

(3)改性沥青表面能值大于基质沥青，且在3%掺量后改性沥青表面能增幅显著小于基质沥青。从表面能定义考虑，表面能可以简单理解为使物质增加单位面积的新表面所需做的功，这是物质内部粘聚力的一种表体现，SBS颗粒加入后改善了沥青内部粘聚性能，增强了其粘聚力因此SBS改性沥青表面能普遍>基质沥青。同时由于Sasobit温拌剂与沥青良好的互融性能，具有空间网状结构的Sasobit加入后在一定程度上也能增加沥青的表面能。但3%掺量后改性沥青表面能增幅减小可能是由于相较基质沥青改性沥青表面能增加已达到临界值，掺量过大将不会对改性沥青产生较大影响。

1.2集料表面能测试

集料表面能测试采用柱状灯芯技术完成[9]：

(1)将集料进行破碎，过筛选取0.3～0.6 mm粒径范围集料[10]；

(2)将选取集料装入内径3 mm标准移液管中(截取长度约10 cm)，轻轻捣实并将移液管置于内径约3 cm玻璃容器底部(如图3所示)；

(3)量取1 ml试液(正己烷、三氯甲烷、甲苯、二碘甲烷)放于玻璃容器中，同时记录浸渍高度X与时间t。

图3　柱状灯芯技术测试原理示意图

相关步骤参照文献[9]进行计算，石灰岩集料计算结果如表3所示。

表3　集料表面能计算结果表

2　模型计算

参照文献[3]，沥青与集料粘附功W以及有水条件下沥青与集料剥落功Wwet计算模型如下所示：

(2)

(3)

式中：a——沥青；

s——矿料，表面能分量表示同前文表述相同。

利用以上公式计算不同掺量下两种沥青与集料的粘附功、剥落功以及剥落功与粘附功的比值，计算结果如表4所示。

表4　粘附功与剥落功计算汇总表

3　冻融劈裂试验

对两种沥青与试验用集料进行混合料组成设计，并通过掺加不同掺量Sasobit温拌剂进行AC-13沥青混合料马歇尔试件制备。制备完成后进行浸水马歇尔试验测试不同掺量下试件冻融劈裂强度比，测试结果如表5所示。

表5　不同Sasobit掺量下AC-13混合料TSR值表　(单位：%)

由表5可知：随着Sasobit掺量的增加两种沥青混合料水稳定性呈现出不同的变化规律。基质沥青混合料在低Sasobit掺量下(3%以下)水稳定性随Sasobit掺量的增加而增大，但当Sasobit掺量达到4%时水稳定性反而下降，而改性沥青则一直增加。这是由于Sasobit掺量过大时使沥青性质发生突变，建议该沥青混合S最佳掺量≤3%。

将混合料TSR值与剥落功/粘附功进行对比分析(如图4所示)。

图4　TSR与剥落功/粘附功比相关性分析图

由上图可知：TSR值与剥落功/粘附功之比存在一定的相关性，特别是改性沥青，相关系数达到了0.868，说明应用表面能方法利用剥落功/粘附功这一模型在一定程度上能够较好地评价沥青混合料的水稳定性。

4　结语

(1)Sasobit温拌剂能够增加沥青的表面能，其中主要是增大了沥青的γ1LW分量；且当Sasobit温拌剂掺量>3%时其对改性沥青表面能影响减小。

(2)Sasobit温拌剂在低掺量下(本研究基质沥青对应3%)能够增强基质沥青混合料的水稳定性，掺量过大反而会对混合料水稳定性产生较大影响；改性沥青混合料水稳定则随Sasobit掺量增加而增强。

(3)应用表面能方法并利用剥落功/粘附功这一模型在一定程度上能够较好评价沥青混合料的水稳定性。

(4)由于沥青混合料抗水损害性能受级配、最佳沥青用量以及混合料各体积参数的影响较大，限于条件本文暂未进行混合料抗水损害性能相关试验分析，建议有条件研究者综合考虑以上各因素进行系统分析，以完善表面能理论在沥青以及混合料抗水损害性能方面的研究。

(5)文中对AC-13混合料进行了冻融劈裂试验，试件经过一次冻融处理，而沥青路面实际使用过程中则是多次冻融循环的过程，建议今后研究者可以进行多次冻融循环条件下的研究，以更好地模拟Sasobit温拌沥青路面实际使用状况，更加全面地评价Sasobit温拌剂对沥青混合料抗水损害性能的影响。

[1]程一鸣.温拌沥青混合料应用研究及节能减排效益分析[J].中外公路，2014，34(1)：314-318.

[2]季节，索智，文博，等.水、温拌剂对沥青-集料界面粘附能力的影响[J].中国公路学报，2015，28(7)：25-30.

[3]肖庆一，薛航，徐金枝，等.基于表界面理论的沥青路面水损坏模型研究[J].武汉理工大学学报，2007，29(5)：71-73.

[4]刘亚敏，韩森，李波.基于表面能理论的沥青与矿料黏附性研究[J].建筑材料学报，2010，13(6)：769-772.

[5]窦晖.基于表面能理论的温拌沥青混合料水稳定性研究[D]：兰州：兰州交通大学，2012.

[6]陈晓磊.固体聚合物表面接触角的测量及表面能研究[D].长沙：中南大学，2012.

[7]左锋，叶奋.国外温拌沥青混合料技术与性能评价[J].中外公路，2007，27(6)：164-168.

[8]顾庆锋，沈青，胡剑锋.聚木糖表面能及表面能成分的估算[J].中国造纸学报，2003，18(2)：15-17.

[9]刘亚敏.SMA混合料水稳定性研究[D]：西安：长安大学，2008.

Water Stability of Sasobit Warm-mix Asphalt Mixtures Based on Surface Energy

YAN Jian-jun

(Highway Engineering Department of Xinjiang Road Construction Machinery Plant，Urumqi，Xinjiang，830021)

In order to study the impact of Sasobit warm-mix agent on the water stability performance of asphalt mixtures，based on the surface energy theory，and through the contact angle method，this article measured the surface energy of two different asphalts at different mixing contents，and calculated the surface energy of an aggregate by using the cylindrical wick technology，then through the establishment of peeling work and adhesion work model，it calculated the adhesion work，peeling work，as well as peeling work/adhesion work ratio of asphalt and aggregate under water and no water conditions，while comparing with freeze-thaw splitting test results.The results showed that：Sasobit warm-mix asphalt agent increased the surface energy of asphalt，and within the range of 3%，it can better improve the water damage resistance performance of asphalt mixture，and it also proved the applicability of surface energy theory in the water stability evaluation of asphalt mixtures.

Asphalt mixtures；Water stability；Surface energy；Sasobit warm-mix agents；Adhesion work；Peeling work；Freeze-thaw splitting test

U416.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.007

1673-4874(2016)08-0026-05

2016-06-15

闫建军(1969—)，工程师，研究方向：公路施工技术及管理。