基于黏附理论的TLA中灰分填料改性作用定量分析

孔令云，代 笠，莫石秀，罗雅丹

(1.重庆交通大学，交通土建工程材料国家地方联合工程实验室 重庆 400074；2.广东省路桥建设发展有限公司，广东 广州 510635)



基于黏附理论的TLA中灰分填料改性作用定量分析

孔令云1，代 笠1，莫石秀2，罗雅丹1

(1.重庆交通大学，交通土建工程材料国家地方联合工程实验室 重庆 400074；2.广东省路桥建设发展有限公司，广东 广州 510635)

为了研究湖沥青中灰分的改性机理与改性效果，分析了沥青及集料的表界面参数、沥青胶浆体系的黏附功以及高温车辙因子等几个影响因素。得出以下结果：粉体的比表面积与其粒径成负相关的趋势；粉体的表面能参数和粉体沥青胶浆的黏附功都随粉体粒径的减小而减小；在粉胶比相同的条件下，沥青胶浆体系中粉体的黏附功与比表面积是相关的。在此基础上，得出结论：用比黏附功来评价沥青胶浆体系的比黏附功更加科学；湖沥青中灰分对基质沥青的改性作用相对比较复杂，已探知的改性机理主要是通过其较大的比表面积、较高的比黏附功来实现的，同时该部分的改性作用约占灰分对基质沥青改性作用的15%，另外85%的改性作用的机理尚待深入研究。

道路工程；湖沥青；灰分；填料作用；改性作用；比黏附功

0 引 言

因天然沥青作为沥青的改性剂可避免出现改性剂与基质沥青相容性的问题，因而近年来天然沥青在道路工程中得到了较为广泛的认可。特立尼达湖沥青(Trinidad Lake asphalt，简写为TLA)作为天然沥青中的一种，因其稳定的性能，在道路工程中的应用越来越广泛，如广东佛山市一环城际快速干线东线、开阳高速公路、北京二环路及三环、广东汕揭高速等工程中均采用了TLA改性沥青。目前对TLA改性沥青的研究，主要是针对其路用性能方面展开，如文献[1-10]。研究表明，TLA改性沥青相对SBS等改性沥青具有更为出色的路用性能：耐老化、耐高温、抗水损害、黏附性强等。关于TLA改性机理的研究，主要是通过微观观测的手段实现的，如张恒龙等[1]通过原子力显微镜(AFM)探讨了TLA对基质沥青的改性机理。研究指出：TLA的加入改变了基质沥青中的沥青质与其他组分的相互作用，沥青中以沥青质为核心的分散相表现出明显的缔合作用，从而提高了体系的刚性，使得改性沥青的软化点、黏度等性能得到了显著的提高。查旭东等[2- 4]对湖沥青中灰分本身、灰分的沉降等方面进行了深入研究。笔者从表面能、黏附功的角度，结合高温车辙因子指标，研究灰分作为填料本身对TLA改性沥青高温性能影响机理及影响效果。

1 研究方法

主要借助表界面理论中的黏附功理论，通过试验确定各材料的表面能参数，计算沥青胶浆体系内的黏附功参数；结合沥青胶浆的高温车辙因子，分析沥青胶浆体系的黏附功与高温车辙因子之间的关系，对灰分作为填料本身影响TLA改性沥青高温性能机理进行研究。

图1 毛细管上升法(灯芯法)示意Fig. 1 Diagram of capillary rise method (wick method)

灰分的比表面积是采用马尔文激光粒度测试仪测定的。灰分及矿粉的表面能参数，是通过测得其与不同液体的接触角，然后根据接触角计算得到表面能参数。粉体接触角的测量方法为毛细管上升法(灯芯法)(图1)，其基本原理是：固态粉体间的空隙相当于一束毛细管，由于毛细作用，液体能自发渗透进入粉体柱中( 毛细上升效应)。毛细作用取决于液体的表面张力和固体的接触角，故通过测定已知表面张力液体在粉末柱中的透过状况，就可以得到有关该液体对粉末的接触角的信息，通过接触角可计算得到各材料的表面能参数[11]。

2 沥青胶浆体系的黏附功理论

沥青与集料黏附功是指沥青在集料黏附而引起整个系统的亥姆霍兹自由能的减少。Fowkes认为，跨越某一界面的黏附功，可以由其分子间各特定类型相互作用所产生的黏附功简单总和组成，表达式为

(1)

式中：W为沥青与集料的黏附功；a为沥青；s为集料；as为沥青与集料界面；WLW为黏附功范德华分量；WAB为黏附功Lewis酸碱性分量。

范德华力作用所产生的黏附功可表达为

(2)

式中：γLW为表面自由能范德华分量；γAB为表面自由能Lewis酸碱性分量。

Lewis酸碱性力作用所产生的黏附功可表达为

(3)

根据推导可得

(4)

比表面自由能变化与黏附功大小相等方向相反，将比表面自由能与集料比表面积相乘，可以得表面自由能变化：

(5)

上述6个分量的求得，一般是通过接触角试验结果而计算得到的。沥青与矿粉的接触角求得，因沥青材料的黏滞性，一般是通过测得两者与同一种其他液体的接触角，然后通过相减而求得沥青与矿粉之间的接触角的。基于以上分析，下面将对矿粉(灰分)与液体、沥青与液体的接触角测量，然后，计算沥青与矿粉(灰分)的接触角，最终计算沥青与矿粉(灰分)的黏附功，从而实现分析TLA中灰分作用机理的目的。

3 试验结果及分析

根据上述研究方法与黏附功理论，对沥青与各粉体的表面能参数、沥青胶浆体系的高温车辙因子等指标进行了试验分析。整体研究思路:① 选择不同粒径的常用石灰岩矿粉; ② 测量矿粉、灰分的比表面积、表面能参数[12];③ 计算得到矿粉、灰分沥青胶浆体系的黏附功;④ 计算得到与灰分粒径相同的石灰岩矿粉作为填料时的沥青胶浆的高温指标(车辙因子);⑤ 对比分析灰分与同样粒径的矿粉沥青胶浆的高温性能(车辙因子)；⑥ 研究湖沥青中灰分作为填料功能的大小。结果及分析如下。

3.1 沥青胶浆体系中黏附功试验

TLA改性沥青实际是一种沥青与灰分的沥青胶浆体系，因此该部分对灰分、矿粉与沥青的胶浆体系的黏附功展开了研究[13]。灰分与矿粉的比表面积结果见表1，沥青及各粉体的表面能参数结果见表2。

由表1，表2中的数据，根据公式(5)可计算得到ZH70，TLA两种沥青与各粉体的黏附功，结果见表3。

表1 矿粉、灰分粒径与比表面积试验结果汇总Table 1 Summary of test results of ash powder，particle size and specific surface area

表2 沥青及各粉体的表面能参数汇总表Table 2 Summary of asphalt and various powder surface energy parameters (mJ·m-2)

表3 沥青胶浆内黏附功汇总Table 3 Summary of asphalt mortar adhesion work

根据表1中的比表面积数据可发现，粉体的比表面积随着粉体粒径的减小而增大，灰分的比表面积相当于570目的矿粉的比表面积。由表2中的表面能数据可以发现，粉体的表面能参数随着粒径的减小而减小，同时可计算得到灰分的表面能相当于542目的矿粉的表面能。由表3中的黏附功数据可发现，粉体沥青胶浆体系的黏附功随着粉体粒径的减小而减小，比黏附功则随着粉体粒径的减小而增加；TLA中沥青与灰分的沥青胶浆的比黏附功相当于TLA中沥青与573目矿粉的沥青胶浆体系的比黏附功。根据以上分析可知，灰分具有较小的粒径、较大的比表面积、较小的表面能、较小的黏附功、较大的比黏附功。

3.2 灰分胶浆体系高温车辙因子分析

采用的TLA中灰分主要是由石英和黏土组成的火山灰活性矿物质细粉，TLA含有37%的灰分，灰分粒径组成见表1。根据3.1小节的分析可知，灰分相对于200目(0.075 mm)的矿粉而言，具有较低的表面能参数，较大的比表面积，较大的比黏附功。该部分将通过在基质沥青中掺加灰分、不同粒径的矿粉的方式来分析灰分对基质沥青的改性机理。各沥青胶浆体系的高温车辙因子试验结果见表4。

根据表4可回归得到各温度条件下，沥青胶浆车辙因子与粉胶比的关系曲线，详见表5。

由表5可得ZH70+灰分的粉胶比时其他两种沥青胶浆的车辙因子计算汇总，详见表6。

根据表6可回归得到各温度条件下，ZH70相同粉胶比时沥青胶浆车辙因子与粉胶比关系曲线，详见表7。

由表7可得灰分沥青胶浆车辙因子与粉胶比的斜率与矿粉的比值，详见表8。

由表6中的数据可以发现，在粉胶比相同的条件下，矿粉沥青胶浆的车辙因子的大小顺序与沥青与粉体的比黏附功的顺序是一致的，说明比黏附功是影响沥青胶浆高温性能的一个重要因素。根据3.1小节中的分析，沥青胶浆体系的黏附功随着粉体粒径的减小呈减小的趋势，而比黏附功则随着粒径的减小而增加，后者与车辙因子的变化规律相一致。其主要原因是：粉胶比相同的条件下，粉体粒径不同时，沥青胶浆体系内的粉体的比表面积是不相同的，粉体胶浆的黏附功是与比表面积直接相关的，因此，对粉体的胶浆体系，采用比黏附功的概念来评价则更为科学。

表4 矿粉(灰分)沥青胶浆车辙因子试验结果汇总Table 4 Summary of test results of mineral (ash) asphalt mortar rutting factors kPa

表5 沥青胶浆车辙因子与粉胶比关系曲线汇总Table 5 Summary of relationship curves between rutting factors of asphalt mortar and ratio of filler to bitumen

注：表中“y”表示车辙因子；“x”表示粉胶比。

表6 采用ZH70+灰分的粉胶比时其他两种沥青胶浆的车辙因子计算汇总Table 6 Summary of rutting factors of other two kinds of asphalt mortar when ZH70+ ash ratio of filler to bitumen is applied kPa

表7 ZH70相同粉胶比时沥青胶浆车辙因子与粉胶比关系曲线汇总Table 7 Summary of relationship curves between rutting factors and ratio of filler to bitumen of ZH70 asphalt mortar with the same ratio of filler to bitumen

表8 各斜率比值汇总Table 8 Summary of each slope ratio

由表3中的数据可计算得到，灰分沥青胶浆体系的比黏附功与600目矿粉沥青胶浆体系的比黏附功的比值为0.84；600目矿粉沥青胶浆体系的比黏附功与400目矿粉沥青胶浆体系的比黏附功的比值为5.06。结合表8中的数据可计算得到：

1) 从比黏附功的角度分析，矿粉本身粒径的增加对最终车辙因子随粉胶比增加而增加速度的影响关系为1.95/5.06=0.39，也就是说矿粉粒径的减小、比表面积的增大对沥青胶浆高温车辙因子的影响因子为0.39。

2) 灰分沥青胶浆高温车辙因子的改善，主要是灰分本身对沥青胶浆的改性作用所致，相对于600目矿粉，其影响因子为1.80/0.84=2.14。

3) 根据以上两点可知，相对于600目的矿粉，灰分粒径、灰分本身的影响因子分别为0.39、2.14。由此可计算得到灰分的粒径、比表面积对灰分沥青胶浆性能的影响占灰分总体影响的15%，灰分本身的影响占85%，即是说，灰分作为一种填料的同时，更为重要的是作为一种改性剂在起作用。

综上可知，添加灰分对沥青胶浆性能的改善，15%的作用是由于灰分作为填料、较大的比表面积所致，85%的作用是作为一种改性剂所致。

4 结 论

通过黏附功理论、沥青与粉体的表面能参数试验、沥青胶浆体系的高温车辙因子等理论与试验研究，对湖沥青中灰分的改性机理进行了分析，通过分析可得出以下主要结论：

1) 粉体的比表面积随着粉体粒径的减小而增加，其表面能随着粉体粒径的减小而减小。

2) 粉体沥青胶浆体系的黏附功随着粉体粒径的减小而减小。在粉胶比相同的条件下，其比黏附功则随着粒径的减小而增加。评价粉体沥青胶浆的高温性能，采用比黏附功参数较采用黏附功参数更为科学。

3) 湖沥青中灰分对基质沥青的改性作用相对比较复杂。已探知的改性机理主要是其较大的比表面积、较高的比黏附功实现的，即灰分作为填料的作用约占灰分对基质沥青改性作用的15%。

[1] 张恒龙，余剑英，李启刚，等.TLA改性沥青的性能与改性机理研究[J].公路，2010(3)：121-125.

ZHANG Henglong，YU Jianying，LI Qigang，et al.The performance and mechanism of modified asphalt modified asphalt[J].Highway，2010(3)：121-125.

[2] 查旭东，季文广，李平.特立尼达湖沥青灰分的试验分析[J].交通科学与工程，2008，24(4)：18-21.

ZHA Xudong，JI Wenguang，LI Ping.Experimental analysis of Trinidad Lake Asphalt ash[J].JournalofTransportScienceandEngineering，2008，24(4)：18-21.

[3] 查旭东，王彬，季文广.TLA灰分对沥青胶浆高温性能的影响[J].交通科学与工程，2009，25(4)：1-5.

ZHA Xudong，WANG Bin，JI Wenguang.Effects of TLA ash on high temperature performance of asphalt mortar[J].JournalofTransportScienceandEngineering，2009，25(4)：1-5.

[4] 查旭东，徐进，黄雷.TLA改性沥青灰分沉降规律试验研究[J].公路，2009(3)：146-149.

ZHA Xudong，XU Jin，HUANG Lei.Experimental study on the law of the ash deposition of TLA modified asphalt[J].Highway，2009(3)：146-149.

[5] 李战争，陈兆坤.灰分对TLA改性沥青性高低能影响研究[J].科学之友，2010(5)：7-8.

LI Zhanzheng，CHEN Zhaokun.Ash content of TLA modified asphalt can affect the research[J].ScienceofFriends，2010(5)：7-8.

[6] 沈金安.特立尼达湖沥青及其应用前景[J].中外公路，2000，20(2)：28-31.

SHEN Jin’an.Trinidad Lake Asphalt and its application prospect[J].JournalofChina&ForeignHighway，2000，20(2)：28-31.

[7] 魏松涛，孙义冰.TLA的特性与国内外应用概况[J].山西建筑，2006，32(19)：150-151.

WEI Songtao，SUN Yibing.TLA’s characteristics and domestic and international application overview[J].ShanxiArchitecture，2006，32(19)：150-151.

[8] 沈金安.特立尼达湖改性沥青的性能[J].中外公路，2000，20(3)：30-32.

SHEN Jin’an.Properties of Trinidad lake asphalt modified asphalt.[J].JournalofChina&ForeignHighway，2000，20(3)：30-32.

[9] 王福.特立尼达湖改性沥青路用性能及其应用[J].山西建筑，2003，29(6)：117-118.

WANG Fu.The performance and application of modified asphalt pavement in Trinidad lake asphalt[J] .ShanxiArchitecture，2003，29(6)：117-118.

[10] 柳浩，王建国，石效民.千里达湖天然沥青改性国产重交通沥青的路用性能研究[J].石油沥青，2001，15(2)：41- 42.

LIU Hao，WANG Jianguo，SHI Xiaomin.Trinidad natural asphalt lake change of homemade heavy traffic asphalt road performance study[J].PetroleumAsphalt， 2001，15(2)：41- 42.

[11] 德鲁.迈尔斯.表面、界面和胶体原理及应用[M].北京：化学工业出版社，2005.

DREW MEYERS.ThePrincipleandApplicationofSurface，InterfaceandColloid[M].Beijing：Chemical Industry Press，2005.

[12] 莫石秀，孔令云，王娜.矿粉粒径对沥青胶浆性能影响试验研究.[J].广西大学学报(自然科学版)，2011，36(4)：616-621.

MO Shixiu，KONG Lingyun，WANG Na.Experimental study on the effect of particle size on the performance of asphalt mortar[J].JournalofGuangxiUniversity(NaturalScienceEdition)，2011，36(4)：616-621.

[13] 吴光勇，王安福，莫石秀，等.湖沥青中地沥青的改性机理研究[J].公路交通技术，2013(3)：38- 41.

WU Guangyong，WANG Anfu，MO Shixiu，et al.Study on modification mechanism of lake asphalt[J].TechnologyofHighwayandTransport，2013(3)：38- 41.

(责任编辑：朱汉容)

Quantitative Analysis of Ash’s Filling and Modification in TLA Based on Adhesion Theory

KONG Lingyun1，DAI Li1，MO Shixiu2，LUO Yadan1

(1.National & Local Joint Engineering Laboratory of Traffic Civil Engineering Materials，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China; 2.Guangdong Road & Bridge Construction and Development Co.，Ltd.，Guangzhou 510635，Guangdong，P.R.China)

In order to study the modification mechanism and effect of the ash in the TLA，the influencing factors such as surface and interface parameters of asphalt and aggregate，adhesion work of asphalt mortar system and high temperature rutting factor were analyzed.And the following results were obtained：the surface area of powder ratio and the particle size was inclined to negative correlation; the powder surface energy parameters and the adhesion work of powder asphalt mortar were decreased with the decrease of powder particle size; under the same conditions of ratio of filler to bitumen，the adhesion work of powder in asphalt mortar system was correlative with the surface area.On the basis of the above results，a conclusion is drawn：the specific adhesion work to evaluate the asphalt mortar system is more scientific than the adhesion work; the effect of ash in TLA on the asphalt modification is relatively complex.The ascertained modification mechanism is mainly achieved by the larger specific surface area and the higher adhesion work; meanwhile，the modification of this part is accounted to 15% of ash modification on asphalt，other 85% modification mechanism still needs in-depth study.

highway engineering; Trinidad Lake asphalt(TLA); ash; filling effect; modification; specific adhesion work

2015-11-28；

2016-03-29

国家自然科学基金项目(51508062)

孔令云(1976—)，女，江苏如皋人，副研究员，博士，主要从事沥青与沥青混合料方面的研究。E-mail：43112443@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.08

U416.217

A

1674-0696(2017)06-053-05