灰分对沥青胶浆改性机理的研究

孙志永 李志勇 张丽娟

(1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088; 2.重庆交通大学土木学院，重庆 400074)

1 概述

天然沥青是石油在自然界长期受地壳挤压并与空气、水接触逐渐变化而形成的，以天然形态存在的石油沥青，其中含有一定比例的矿物质。按形成的环境可分为岩沥青、湖沥青、海底沥青等。特立尼达湖沥青，简称TLA，是一种产自于南美洲特立尼达的天然沥青，其材料组成中灰分的含量较为固定，约为33%～39%[1]。由于灰分的存在，TLA在使用性能上与其他沥青差别很大。本文主要目的在于分析灰分对湖沥青改性沥青胶浆的改性机理。试验所用基质沥青为中海油70号沥青。

2 沥青胶浆的粘附功

沥青胶浆粘附功是指沥青与集料粘附时而引起整个系统的亥姆霍兹自由能的减少量，它的大小等于把沥青与集料之间单位界面分开之后形成两个“裸露”单位面积所需要耗费的功[2]。Fowkes认为，跨越某一界面的粘附功(这里主要指沥青与集料之间的粘附功)，可以由其分子间各特定类型相互作用所产生的粘附功的总和组成。根据范德华力理论和Lewis酸碱理论，不计微小的力，粘附功的表达式如式(1)所示：

(1)

式中：Was——沥青与集料之间的粘附功；

as——沥青与集料界面；

根据范德华力理论，混合料进行搅拌时，流动的沥青会对集料颗粒形成一层包围膜，使原来的固、液独立的结构形成一种整体结构。通过此理论，范德华力作用产生粘附功可用式(2)表示：

(2)

(3)

根据上面所述，Lewis酸碱性力作用产生的粘附功可转化表示成:

(4)

(5)

(6)

其中，ΔS为填料的比表面积，比粘附功可用粘附功乘以比表面积的方式进行计算；如用ΔWas表示比粘附功，其表达式如(7)所示：

ΔWas=Was×SS

(7)

通过粘附功Was含义可以得知，比粘附功ΔWas定义为将沥青胶浆内部的沥青与矿粉分离开所做的功的大小，这个数值的大小能够直接反映沥青混合料所具有的强度。所以，对于不同填料制成的沥青胶浆，其所采用相同的粉胶比时，如果沥青胶浆此时所具有的比粘附功越大，则它就和填料之间的粘附越好，沥青胶浆在路用性能方面的表现也就越好。

试验测得的沥青和集料6个表面能量参数，逐一代入式(6)，即可得出沥青在集料表面所形成的粘附功的大小。

3 集料的表面自由能

为了计算粘附功，需要通过试验的方法获得集料的表面自由能，具体方法是通过试验测定接触角获得自由能参数(接触角指在气、液、固三相交点处所作的气—液界面的切线穿过液体与固—液交界线之间的夹角，是润湿程度的量度[3])，按照直接测量物理量的不同，可分为量角法、测力法、长度法和透过法，本次试验测定集料的接触角的方法拟采用透过测量法。

透过测量法主要依据柱管内液体爬升的高度来测定所用填料与液体之间的接触角。根据柱管内所用液体爬升的高度h和时间t，然后通过毛细上升理论和式(8)，首先测出出填料与液体的接触角，进而计算出集料的表面自由能。试验所用材料为作为填料的石灰岩矿粉和湖沥青中的灰分。测定集料接触角见图1。

为测定石灰岩矿粉及湖沥青灰分的接触角，本次试验选取去离子水、乙烷、甲酰胺三种液体，其表面自由能参数均为已知，其表面自由能参数见表1。

表1 液体的表面自由能参数 MJ/m2

Washburn浸渍方程，如式(8)所示：

h2/t=(γlRcosθ)2η

(8)

式中：h——浸渍距离；

t——浸渍时间；

γl——液体的表面自由能；

R——毛细管的有效半径；

θ——液体和固体之间的接触角；

η——液体的粘度。

将因粘附作用而相互结合在一起的两个物体，需要消耗一定的能量进行做功才能分离它们，此过程中所做的功，称为粘附功，一般用Wls表示，其表达式为:

Wls=γl(1+cosθ)

(9)

结合式(6)能够得出：

(10)

式中：γl——液体的表面自由能；

θ——液体和固体之间的接触角；

L——液体；

S——固体；

式(8)中，当使用的液体表面自由能比较低时，此时的填料被液体完全浸润，可以把cosθ=1看待，式(8)可以转化成：

h2/t=γlR/2η

(11)

表2 不同填料的有效半径和液体的接触角

表3 不同填料的总表面能

4 填料的比表面积

比表面积是用来表示所有测试的颗粒在单位质量下所具有表面积之和的指标，一般用单位m2/kg或cm2/g表示。根据相关资料显示，沥青胶浆中所用填料粒度的大小与填料对沥青的改性影响效果之间存在着一定的联系，通常填料粒度的大小用比表面积来进行表征。为了研究填料(矿粉、灰分)的粒度对基质沥青在改性效果上的作用，本文对不同填料(矿粉、灰分)的比表面积分别进行了量测。试验过程中，采用马尔文激光粒度仪对不同填料进行了比表面积测试，试验结果见表4。

表4 不同填料比表面积测试结果

通过表4可以看出，矿粉的比表面积与目数之间呈现正相关关系，矿粉颗粒目数越多，其比表面积就越大；灰分的比表面积数值为1.225 m2/g，大于500目及其之前的矿粉，数值大小处于500目和600目的矿粉之间。

5 沥青胶浆表面的自由能

表5 中海70号表面自由能各参数 MJ/m2

6 沥青胶浆的比粘附功

表6 不同填料沥青胶浆的比粘附功

由表6可以得出：1)随着矿粉目数的增加，矿粉沥青胶浆的粘附功呈下降趋势，即两者呈现出负相关关系。2)随着矿粉目数的增加，沥青胶浆的比粘附功呈增长趋势，即矿粉目数越大，比粘附功越大。3)根据计算结果，湖沥青灰分沥青胶浆的粘附功和比粘附功的大小介于矿粉沥青胶浆当矿粉目数为500目与600目之间的数值，且偏向于矿粉600目的数值。

7 结语

根据表面自由能理论，比粘附功在数值上能够反映出沥青胶浆与集料的粘结强度，根据试验结果，湖沥青灰分沥青胶浆的比粘附功为85.26(仅仅略小于600目矿粉沥青胶浆外)，湖沥青具有灰分极小的粒径，从而使其具有较大的比表面积是沥青胶浆具有较大的比粘附功根本原因。同时也说明湖沥青改性沥青混合料具有较好的抗水损害的能力。