长期老化对沥青表面能及其与集料黏附性的影响

雷俊安, 郑南翔, 董善真

(1.长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064; 2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司, 云南 昆明 650051)

沥青材料在路面施工和后期运营使用过程中,必然会发生热氧老化、紫外老化等现象[1-2],进而影响其与集料的黏附性以及混合料的水稳定性.中国常采用水煮法或水浸法评价沥青-集料间的黏附性,这种试验方法受人为因素影响较大,无法对沥青与集料之间的黏附性进行准确量化[3-4].随着界面理论的不断发展,应用表面自由能理论评价沥青与集料之间黏附性的研究越来越多[5-6].Elphingstone[7]研究表明运用表面能理论能很好地分析沥青与集料的黏附性.李海莲等[8]、李波等[9]等运用表面能理论研究了的温拌苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青的黏附性.Cheng等[10-11]运用表面能原理测试了10种沥青的表面能参数,并计算了沥青-集料的黏附功,发现其与冻融劈裂强度比之间有良好的相关性.Hefer等[12]运用表面能理论研究了有水作用下沥青与集料的剥落过程,发现水的pH值越大，其剥落功越大.魏建明等[13]采用躺滴法测试了沥青的表面能,发现其与沥青-集料之间拉拔强度相吻合.季节等[14]基于表面能理论建立了有/无水条件下沥青-集料黏附模型,发现水的存在降低了沥青-集料的界面黏附能力.罗蓉等[15]基于表面能理论得出黏附性从大到小依次为玄武岩、石灰岩、花岗岩、石英砂岩、破碎砾石.李振霞等[16]研究了热老化对沥青混合料的抗水损害性能,发现热老化能够提升混合料的抗水损害性能.杨进宇等[17]研究了短期老化对温拌沥青表面能的影响,发现短期老化增加了温拌沥青的表面能.

国内外学者多从表面能角度出发研究了原样沥青与集料之间的黏附性,但针对长期老化之后沥青的表面能及其与集料的黏附性研究较少,且不同类型沥青长期老化后的黏附性变化不同.因此,本文针对不同类型的沥青,基于表面能理论和接触角试验,研究了长期老化作用对沥青表面能及其与不同类型集料黏附性的影响.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

选取基质沥青(BA)、SBS改性沥青(SBS-MA)、橡胶沥青(RA)、高黏沥青(HVA)4种沥青,沥青的基本性质见表1.选取石灰岩、玄武岩、辉绿岩3种集料(5～10mm),其基本性质见表2.

表1 沥青的基本性质

表2 集料的基本性质

1.2 试验方法

1.2.1长期老化试验

首先对4种沥青试样进行短期老化试验,试验采用旋转薄膜烘箱试验(RTFOT),老化瓶中沥青质量控制为(35.0±0.5)g,老化温度为(163.0±0.5)℃,老化时间为85min.将短期老化后的4种沥青试样收集起来,倒进老化盘内,装入压力老化试验仪中,将压力容器压强调整为(2.1±0.1)MPa,温度保持在90～110℃,试验时间为20h,即完成长期老化试验.

1.2.2接触角试验

选取3种表面能参数已知的液体：蒸馏水、丙三醇和乙二醇,测试其与老化前后沥青和集料的接触角,液体的表面能参数见表3.

表3 液体表面能参数

(1)沥青的接触角测试 首先,将沥青样品加热至165℃,使其完全融化成液体并搅拌均匀;然后,将干燥的载玻片完全浸入热沥青,充分黏附后将载玻片缓慢拿出,使其表面形成1层光滑的沥青,待冷却后,对载玻片周围进行修整;最后,将3种液体滴到沥青膜片上.

(2)集料的接触角测试 首先,对3种集料进行切割处理，形成平坦的表面;然后,用粗、细砂纸对集料表面进行细致的抛光,打磨后的集料用蒸馏水多次清洗并放入105℃的烘箱中烘干至恒重;最后,将3种液体滴到集料光滑的表面上.

用OCA20型光学视频接触角测定仪,在25℃下进行接触角测试,每个样品进行3次平行测试,结果取平均值.

1.2.3表面能及黏附性理论

γSV-γSL=γLVcosθ

(1)

式中：γSV、γSL和γLV分别为固-气、固-液和液-气界面张力;θ为液、固、气三相平衡时的接触角.

由杨氏方程可以推导出判断润湿过程的公式.

沾湿：

Wa=γSV+γLV-γSL=γLV(cosθ+1)

(2)

浸湿：

Wi=γSV-γSL=γLVcosθ

(3)

铺展：

S=γSV-(γSL+γLV)=γLV(cosθ-1)

(4)

式中：Wa、Wi和S分别为黏附功、浸润功和铺展系数.

黏附功又可以用固、液两相中各自的极性分量和色散分量来表示：

(5)

由于沥青的加热温度、滴落高度及液滴的大小难以控制,测得的沥青与集料的接触角离散性较大,因此选择式(5)计算黏附功.将式(5)带入式(2)中：

(6)

将式(6)进行变换：

(7)

2 结果与分析

2.1 接触角

集料与液体的接触角见表4.由表4可见：集料与3种液体的接触角均表现为石灰岩<玄武岩<辉绿岩;石灰岩最容易被液体所润湿.

表4 集料与液体的接触角

沥青与液体的接触角见图1.由图1可见：老化前后4种沥青的接触角大小均表现为BA>SBS-MA>RA>HVA,4种沥青中基质沥青最容易被液体所浸润,而高黏沥青最不易被液体所浸润;4种沥青经过老化后,与不同液体的接触角均明显增大,其中老化后沥青与水的接触角中,基质沥青、SBS改性沥青、橡胶沥青和高黏沥青分别增大了2.72°、1.80°、2.08°和1.68°,老化对基质沥青的影响最为明显,对高黏沥青影响最小;沥青与水的接触角在一定程度上反应了沥青混合料的抗水损害性能,老化后沥青与水的接触角增大，表明老化增加了沥青的疏水性能,老化在一定程度上提升了沥青混合料的抗水损害能力.

图1 沥青与液体的接触角Fig.1 Contact angle between asphalt and liquid

2.2 表面能

物质具有从高能量状态趋向于低能量稳定状态的特性,物体的表面能越大就越不稳定,只有通过减小自己的面积来达到减小表面能的目的,因此表面能越大，物体所具有的吸附能力也就越强.根据测得的液体与沥青及集料的接触角和3种液体的表面能,结合式(7)可以计算得到沥青和集料的表面能,集料的表面能及其分量见表5,老化前后沥青的表面能及其分量见图2.

表5 集料的表面能及其分量

图2 老化前后沥青的表面能及其分量Fig.2 Surface energy and its components of asphalt before and after aging

由表5可见：不同集料的表面能大小不同,石灰岩的表面能最大,因此其对沥青的吸附能力也越强;辉绿岩的表面能最小；玄武岩的表面能居中，与石灰岩相接近.

2.3 黏附功

黏附功表征了沥青与集料黏附性能.图3为根据沥青和集料的表面能参数计算得到的老化前后沥青-集料的黏附功Wa.

图3 老化前后沥青-集料的黏附功Fig.3 Adhesion work of asphalt-aggregate before and after aging

由图3可以看出：对3种岩性集料而言,4种沥青老化前后与集料的黏附功均表现为HVA>RA>SBS-MA>BA,表明高黏沥青与集料的黏附性能最好;对于同种沥青而言,老化前后其与集料的黏附功均为石灰岩>玄武岩>辉绿岩,表明3种集料中石灰岩与沥青黏附性最好;所选取的岩性集料和沥青组合中,高黏沥青与石灰岩的黏附性能最好,基质沥青与辉绿岩的黏附性能较差;经过长期老化后,除基质沥青与3种集料的黏附功变化不大之外,其余3种沥青与集料的黏附功均有所降低,SBS改性沥青、橡胶沥青、高黏沥青与3种集料的黏附功分别平均降低了3.71%、3.13%、2.01%,表明长期老化对SBS改性沥青黏附性影响最为明显,对基质沥青黏附性影响最小.

3 结论

(1)长期老化增大了沥青与水的接触角,基质沥青(BA)、SBS改性沥青(SBS-MA)、橡胶沥青(RA)、高黏沥青(HVA)与水的接触角分别增大了2.72°、1.80°、2.08°、1.68°,沥青的疏水性能增强,说明老化在一定程度上提升了沥青混合料的抗水损害能力;老化前后沥青与水的接触角大小为BA>SBS-MA>RA>HVA.

(2)表面能大小依次为HVA>RA>SBS-MA>BA,长期老化降低了沥青的表面能,老化后BA、SBS-MA、RA、HVA的表面能分别降低了1.98%、7.43%、6.47%、3.22%,表面能的降低增大了沥青混合料中集料的剥落性能.

(3)长期老化降低了沥青与集料的黏附性,长期老化后SBS-MA、RA、HVA沥青的黏附功平均降低了3.71%、3.13%、2.01%,长期老化对SBS改性沥青黏附性影响最明显.