煅烧铝矾土集料与沥青粘附性评价

田海涛，关博文，吴佳育，刘竞怡，熊锐，杨发，刘成成

(1.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064；2.云南省交通投资建设集团有限公司，云南 昆明 650200；3.咸阳市规划设计研究院，陕西 咸阳 712000)

沥青路面在使用过程中必须提供足够的抗滑性能以确保行驶安全。为了节约成本，通常在长大纵坡路段以及路面弯曲段，铺设抗滑磨耗层用于恢复或增强路面表面的抗滑性[1]。但水损害会大大降低路面抗滑磨耗层的抗滑耐久性[2]。

煅烧铝矾土具有硬度大、磨光值高等优点。将其用于特殊路段，能够有效提升该路段长期抗滑性能[3]。国外主要将其与环氧树脂结合用作高摩擦表面处治[4]，所以很少有研究涉及沥青和煅烧铝土集料之间的粘附性能。大量研究证明，表面能方法是直观可靠的评价沥青与集料粘附性的方法[5-7]。

因此，本文主要评价了不同沥青与煅烧铝矾土集料之间的粘附性以及探讨了它们之间的粘附机理。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

基质沥青为SK-90沥青(产地为韩国)，并用SBS改性剂(掺量为4%)和橡胶粉(工业品，掺量为20%)对其进行改性，其物理性质见表1；90#煅烧铝矾土集料，产地为阳泉，化学成份见表2；氧化铝粉末(纯度为99%(质量))，分析纯。

表1 沥青物理性能Table 1 Physical properties of asphalt

表2 集料的主要化学成分Table 2 Main chemical constituents of aggregates

动态剪切流变仪；BrukerTensorⅡ傅里叶变换红外光谱仪；SL200C型全自动光学动静态接触角仪。

1.2 接触角实验

1.2.1 试件制备 将热沥青涂于载玻片上，再放入烘箱中自然流淌以获得平整均匀的沥青膜片，具体方法参考文献[8]。

石料样本的制备依照AASHTO TP 91—15标准。

1.2.2 接触角测试 测试温度为22 ℃，液滴量为5 μL。采用全自动光学动静态接触角仪测定沥青表面张力，图1为躺滴法示意图。

图1 躺滴法示意图Fig.1 Image of sessile drop method

1.2.3 表面能计算 沥青与集料的表面能参数通过公式(1)[9]计算得到。

(1)

式中θ——沥青或石料与液体之间的接触角，°；

γl——液体表面自由能，mJ/m2；

表3为蒸馏水与乙二醇表面能参数。

表3 水、乙二醇表面能参数Table 3 Surface energy parameters of water and ethylene glycol

1.2.4 粘附功计算 根据Fowkes[10]和Owen-Wendt的理论[11]，粘附功可用式(2)计算。

(2)

通过式(2)，可以计算得到粘附功。粘附为正，则说明两种物质有粘附在一起的可能性。粘附功越大，粘附性越好。

1.3 沥青与集料交互作用实验

沥青胶浆的流变性能与沥青和矿料间的交互作用能力直接相关[12]。参数K.Ziegel-B 能直接表征沥青和集料的交互作用[13-14]。

1.3.1 DSR 用动态剪切流变仪(DSR)评价集料矿物粉末对沥青胶浆样品的流变性能的影响。90#煅烧铝矾土粉末掺量为40%。测试过程依据AASHTO T315—12(2016)进行，采用温度扫描模式，温度为40～80 ℃，扫描间隔为5 ℃，应变为0.4%，频率为10 rad/s。

1.3.2 B参数计算 参数B是Ziegel等提出的。关于由基体和填充剂组成的两相填充体K.Ziege A.Romanov 等提出可用下式估算其阻尼。

tanδc=tanδm/(1+ΦfB)

(3)

(4)

式中δc——沥青胶浆相位角，°；

δm——基质沥青相位角，°；

Φf——石粉体积分数，%；

B——石粉与沥青的交互作用参数。

B值越大，表明沥青和石粉交互作用能力越强，沥青和石粉之间的粘结越好，而沥青胶浆的流动变形能力越差。

1.4 FTIR

因为90#煅烧铝矾土成分接近90%是氧化铝，所以为避免集料中杂质对分析结果产生影响，用氧化铝代替矿粉，与橡胶粉改性沥青制成胶浆。采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测定上述沥青胶浆与橡胶粉改性中各个主要官能团吸收峰的变化，扫描范围为4 000～400 cm-1波数之间。

2 结果与讨论

2.1 接触角实验

表4给出了沥青和集料的接触角平均值以及变异系数(COV)。如果COV值较小，则说明数据离散程度小，数据可靠。集料与水的接触角越小说明集料亲水性越好，由表4可知，90#煅烧铝矾土集料与水的接触角<90°说明集料是亲水的。沥青亲水性大小顺序为：橡胶粉改性沥青>SBS改性沥青>SK-90沥青。

表4 接触角测试结果Table 4 Contact angles test results

根据公式计算得到沥青与集料的表面自由能以及色散分量和极性分量，结果见表5。

表5 表面能计算结果Table 5 Calculation results of surface energy

由表5可知，沥青的色散分量远大于沥青极性分量，占主导地位。改性后的沥青表面能要大于基质沥青，经过改性后的沥青极性分量和色散分量均有所增加。集料的表面能值明显高于沥青的表面能值。这是由于岩石具有较强的吸附能力，所以表面能较高。

根据公式(2)代入沥青与集料的表面能参数，可以计算出沥青与集料之间的粘附功，结果见表6。

表6 粘附功计算结果Table 6 Calculation results of adhesion work

由表6可知，90#煅烧铝矾土集料与不同沥青粘附功大小顺序为：橡胶粉改性沥青>SBS改性沥青>SK-90沥青。

2.2 DSR实验

图2显示了在不同温度下沥青的相位角关系图。

图2 不同温度下沥青相位角Fig.2 Asphalt phase angle at different temperatures

由图2可知，随着温度的升高，相位角变大。这是因为当温度增加时，沥青中分散介质的溶解能力增强，沥青质胶团逐渐解缔，沥青从粘弹态过渡到粘流态，相位角增加。而在相同温度下相位角大小顺序为：SK-90沥青>SBS改性沥青>橡胶粉改性沥青。这是由于改性剂的加入提高了黏度与高温性能。

图3为不同温度下沥青胶浆相位角关系图。填料与基体之间产生物理化学反应(交互作用)，沥青与矿料交互作用后，在矿料表面形成“结构沥青”，其余未和矿料发生交互作用的沥青则为“自由沥青”。“结构沥青”粘度大，而自由沥青粘度较小。通常沥青与矿料的交互作用能力越强，生成的“结构沥青”比例越大，沥青胶浆的流变能力越差，相位角越小[15]。

图3 不同温度下沥青胶浆相位角Fig.3 Asphalt mortar phase angle at different temperatures

由图3可知，根据DSR测试结果通过等式(2)计算交互作用系数K.Ziegel-B，计算结果见图4。

图4 不同温度下K.Zlegel-B参数Fig.4 K.Zlegel-B at different temperatures

由图4可知，当温度<60 ℃时，橡胶粉改性沥青>SBS改性沥青>SK-90沥青。由于改性剂的加入吸附了沥青中的油蜡，而蜡的存在减低沥青与填料的交互作用能力，因此改性剂的加入提高了沥青极性分量，沥青与集料的极性吸附增强，与填料的交互作用能力增强。当温度>60 ℃时，SK-90沥青与填料交互作用急剧增加，橡胶粉改性沥青与填料交互作用增加速度减缓，可能与改性沥青胶团解缔温度上升有关。同时，在高温条件加速了沥青与填料之间的物理化学反应，交互作用系数K.Ziegel-B随着温度的升高而增加。温度越高，B值越大。

2.3 FTIR分析

图5为橡胶粉改性沥青与氧化铝沥青胶浆红外光谱图。

添加氧化铝之后，沥青胶浆的吸收峰基本未发生变化，说明氧化铝与沥青并没有发生明显的化学反应产生新的官能团，与Al-Mansob等[17]结果一致。因此，90#煅烧铝矾土与沥青的吸附方式主要是物理吸附。

图5 橡胶粉改性沥青与氧化铝沥青胶浆FTIR谱图Fig.5 FTIR spectrum of rubber powder modifiedasphalt and alumina asphalt cement

2.4 沥青与煅烧铝矾土集料的粘附机理分析

根据物理化学的观点，矿料和沥青的粘结作用主要分为物理吸附和化学吸附。但红外光谱分析结果证明90#煅烧铝矾土集料主要发生的是物理吸附。当沥青与集料发生吸附时，由于饱和分、芳香分的分子体积小，迁移速度较快，所以比较容易到达矿料表面及表面微孔中。但是这些小分子主要是非极性物质，主要以范德华力和矿料表面发生吸附，故吸附作用力较弱，容易被吸附但也容易脱附。而沥青中有带极性或有表面活性的胶质，虽然迁移速率较慢和吸附速度较慢，但是其与矿料表面发生的极性吸附或化学吸附，交互作用越强形成的结构沥青层越厚，粘附性越好，见图6。根据表面实验得知，橡胶粉改性沥青在3种沥青中极性最强，常温下与填料的交互作用最强，所以橡胶粉改性沥青与90#煅烧铝矾土集料的粘附性最好。

图6 沥青与填料交互作用模型[18]Fig.6 Interaction model between asphalt and filler

3 结论

(1)改性剂的加入能够提高沥青的表面能，使得粘附性提高，3种沥青与90#煅烧铝矾土集料粘附性大小顺序为：橡胶粉改性沥青>SBS改性沥青>SK-90沥青。与沥青表面能结果一致，说明表面能越高的沥青与集料的粘附性越好。

(2)矿粉的加入能与沥青产生交互作用明显降低沥青胶浆的相位角，随着温度升高矿粉与沥青的交互作用能力提高。在常温下橡胶粉沥青与90#煅烧铝矾土矿料交互作用最强，当温度较高时，SK-90沥青与90#煅烧铝矾土集料交互作用最强。

(3)煅烧铝矾土集料的粘附作用主要是物理吸附包括机械嵌锁作用以及极性吸附，基本不产生化学吸附。