基于表面自由能研究水温耦合作用对沥青黏结性能的影响

2022-08-28 02:34马翔胡绪泉王丽丽仲光昇
森林工程 2022年4期
关键词:冻融循环水温集料

马翔,胡绪泉,王丽丽,仲光昇

(1.南京林业大学 土木工程学院,南京 210037;2.苏州三创路面工程有限公司,江苏 苏州 215128)

0 引言

沥青路面使用过程中水的侵蚀会破坏沥青与集料的界面,降低沥青结合料的黏结性[1-2],从而出现剥落和松散病害,降低沥青路面寿命[3]。对于沥青黏结性能的评价,在试验方法上,最常用的是水煮法,但它只能用于定性评价,且受主观因素影响较大,也无法评估沥青黏聚力。近年来,许多学者利用表面能理论对沥青混合料的水稳定性进行了一系列研究。Bhasin等[4]基于表面自由能理论计算了沥青-集料体系的结合能,以及沥青膜从集料表面剥落时的整个体系减少的能量,结果表明沥青与不同集料的结合能有着显著的差别。陈燕娟等[5]研究发现加入抗剥落剂改性后,可以增加沥青的表面能和沥青与集料的黏附功,同时减小了沥青-集料体系的剥落功。豆莹莹等[6]基于表面能研究了再生沥青的黏附性,发现老化沥青添加再生剂后,沥青表面自由能和黏附功增大,抗水剥落能力增强。罗蓉等[7]采用表面能理论研究了不同沥青与集料的黏附性,与改进水煮法所得结果一致,验证了表面能评价体系的可靠性。Zhu等[8]基于表面能研究了氧化石墨烯改性沥青的黏附性,结果表明氧化石墨烯可提高沥青-集料体系的黏附力和抗水损害能力。

目前,也有一些学者基于表面能理论研究了外界环境因素对沥青黏附性的影响[9-10],但对于水温耦合作用影响的研究较少。在各种外界环境因素中,水和温度是影响沥青黏附性的主要外因[11-12],因此分析水温耦合作用对沥青黏附性的影响尤为重要。本研究旨在通过表面自由能理论研究水温耦合作用(高温水浴、冻融循环)对沥青黏结性能的影响;通过接触角试验测定3种测试液体(蒸馏水、甘油和甲酰胺)与玄武岩、SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)改性沥青和高黏沥青(HVA)水温耦合作用前后的接触角,分析水温耦合前后沥青表面能参数、黏聚功以及沥青-集料系统的黏附功,并通过大空隙沥青混合料的飞散试验验证不同沥青与集料黏结性能的优劣关系。

1 表面自由能理论

1.1 表面自由能定义

表面能理论以经典润湿理论为基础,通过液体对固体进行润湿形成了固-液之间的黏附力,润湿过程使得体系表面积减小,固-液体系会对外部做功,产生黏附功。相反地,体系形成新的表面积,外界需要对其做功,即物体表面单位分子比内部分子多出的势能[13]。表面自由能(SFE)的基本定义为:在恒温、恒压条件下使物体增加单位表面积时外界对物体所做的功。根据Van Oss等[14]的观点,表面能γ可分为极性酸碱分量γp和非极性色散分量γd,各参数之间的关系为

γ=γd+γp。

(1)

当固-液浸润达到平衡时,根据杨氏方程可得[15]

γlcosθ=γs-γsl。

(2)

式中:γsl为固-液界面的表面能;θ为液体与固体的接触角;γl为液体的表面能;γs为固体的表面能。

(3)

将公式(3)代入公式(2)可得

(4)

1.2 黏附功和黏聚功

沥青黏聚功与沥青表面自由能直接相关[17],表达式为

wc=2γa。

(5)

式中:wc为沥青黏聚功;γa为沥青表面自由能。

黏附功是指在真空中分离两相界面所需的外界功。在无水(干燥条件)时,沥青和骨料之间的黏附功用公式(6)表示[7],该公式表征沥青-集料界面黏结强度。

(6)

式中:wd为沥青-集料黏附功;γg为集料的表面能;γa和γg为沥青-集料界面的表面能。

康川司法所共有三名工作人员,除一位所长外,一名工作人员被长期借调到镇政府内的人民调解委员会,另外一名工作人员辅助所长负责司法所日常事务,所以该司法所的实际工作人员只有两名。虽然我国《社区矫正实施办法》第三条第二款规定:“社会工作者和志愿者在社区矫正机构的组织指导下参与社区矫正工作”,但是由于康川司法所地处西宁市多巴镇,地理位置相对偏远,经济相对落后,至今没有社区工作者和志愿者参与司法所的社区矫正工作,只有街道办事处的工作人员偶尔就近辅助司法所的工作人员完成零星的社区矫正工作。

2 材料与方法

2.1 原材料

大空隙沥青混凝土由于其空隙率大[18-19],更容易受到水、温度等自然环境的影响,水温耦合作用对这类沥青混凝土中集料-沥青界面黏附特性影响的研究更重要,为此,本研究结合排水性大空隙沥青混凝土实际应用情况,选用SBS改性沥青和HVA进行对比研究,集料选用玄武岩,2种沥青的基本性质见表1。

表1 沥青关键技术指标

2.2 试验方法

2.2.1 接触角试样制备

首先将SBS改性沥青、HVA按规范温度加热至流动状态,然后将载玻片垂直插入沥青中,静置3~4 s取出,使载玻片表面形成一层厚度均匀的沥青膜,置于干燥器中养生24 h备用。试样成型及储存期间要避免灰尘污染以免影响试验结果。集料试样的制作是先从玄武岩石块取芯,切割成片,再用砂纸打磨平整表面,然后放入超声波清洗机中清洗30 min,避免粉尘颗粒对接触角测试的影响,最后放入160 ℃烘箱中,烘干备用。

水温耦合试验包括60 ℃高温水浴和冻融循环,以-18 ℃下保温30 min后再在60 ℃下保温30 min作为1次冻融循环。在进行高温水浴试验时,首先将制备好的沥青试样放在平底盘中,倒入水,淹过沥青,放在60 ℃水浴箱中保温1、3 h。冻融循环试验采用冰箱和水浴箱,冻融1次、3次。进行水温耦合试验的水应洁净,避免水中的杂质污染沥青试样表面,确保试验准确性。以沥青原样为对照。

2.2.2 接触角试验

本试验采用DSA100接触角测试仪测定3种测试液体(蒸馏水、甘油、甲酰胺)在沥青与集料表面的接触角,测试温度为室温( 25 ℃),如图1所示。为保证准确性,每个样品进行5次平行测试,结果取平均值。3种测试液体的表面能参数见表2。

图1 接触角试验Fig.1 Contact angle test

表2 测试液体表面能参数

2.2.3 肯塔堡飞散试验

改为60 ℃高温水浴1、3 d以及冻融循环1次、3次,其中在-18 ℃下保温12 h后再在60 ℃水中保温12 h作为1次循环。用于飞散试验的马歇尔试样较接触角试样水温耦合养生时间变长,这是因为短时间水温耦合作用对沥青混合料影响较小。此外,以标准飞散试验,作为对照组。

3 结果与分析

3.1 接触角有效性验证

为确保沥青表面能参数计算结果准确,有关研究提出了接触角有效性的验证方法,即对于某一固体,不同测试液体的表面能γl与γlcosθ存在线性关系[20]。以玄武岩集料为例,γl与γlcosθ的关系如图2所示。

图2 γl与γlcosθ线性关系Fig.2 Linear relationship between γl and γlcosθ

由图2可知,拟合直线的相关系数为0.919,γl与γlcosθ相关性良好,同样的方法分析SBS改性沥青和HVA水温耦合前后的拟合直线,所得R2,见表3,由表3可知,γl与γlcosθ相关系数都为0.938~1,因此所测接触角有效。

表3 不同γl与γlcosθ的决定系数(R2)

3.2 表面能及其分量

表面自由能是指在真空中分离固体或液体以产生新界面的能量[21],表面能越大物体的吸附能力越大,因此表面能可用于评价沥青混合料的水敏感性。根据测得的液体与沥青的接触角和测试液体的表面能参数,结合公式(3),可计算得到沥青水温耦合前后的表面能及其分量,计算结果如图3所示。

图3 水温耦合前后沥青的表面能及其分量Fig.3 Surface energy parameters of asphalt before and after water temperature coupling

由图3可知沥青的极性分量小于色散分量,HVA的表面能和色散分量大于SBS改性沥青,HVA的极性分量小于SBS改性沥青。表面能越大,在形成新界面时所需能量越多,且色散分量越大,物理黏附力越大,极性分量越大,越容易吸收水分子,沥青越容易从集料上剥落[22],因此HVA较SBS改性沥青有着更好的水敏感性。此外,高温水浴和冻融作用都会降低沥青的表面能及其分量,相较于冻融作用,高温水浴对沥青的表面能影响更大。60 ℃水浴1 h后,SBS改性沥青和HVA的表面能的下降幅度分别为17.0%、6.9%,水浴3 h后分别为25.8%、10.0%,高温水浴对SBS改性沥青影响更大,这主要是因为在水热的作用下SBS改性剂发生降解,表明HVA具有更好的水热稳定性。冻融循环1次后,SBS改性沥青和HVA的表面能的下降幅度分别为5.1%、2.1%,冻融循环3次后下降幅度分别为8.1%、3.6%,这也体现了HVA较好的抗冻融能力。

3.3 黏聚功

沥青的黏聚功是指将单位面积的沥青分为两个表面的能量,内聚能越大,沥青抗水损害能力越强。结合公式(5)计算得到水温耦合前后的沥青黏聚功,如图4所示。

图4 水温耦合前后沥青的黏聚功Fig.4 Cohesion work of asphalt before and after water temperature coupling

由于沥青黏聚功是表面能的2倍,因此就变化趋势而言,水温耦合作用对沥青内聚能的影响与其表面能相似。由图4可知,HVA的黏聚功大于SBS改性沥青的黏聚功,具有更好的抗水损害能力,究其原因,主要是SBS颗粒通过溶胀和吸附与基质沥青交联形成均匀的网络结构,而高黏沥青的这种网络结构更加致密、稳定[23],沥青结构内部的黏结力更大。

3.4 黏附功

黏附功是在界面处将沥青与集料分离所需的能量。黏附功越大,表明沥青与集料界面分离所需能量越大,沥青-集料体系越稳定,沥青混合料水稳定性越好。玄武岩的表面能及其分量见表4。根据表4数据并结合公式(6),计算了水温耦合前后SBS改性沥青、HVA与玄武岩的黏附功,如图5所示。

表4 集料的表面能及其分量Tab.4 Surface energy and its components of aggregate mJ·m-2

图5 水温耦合前后沥青-玄武岩黏附功Fig.5 Adhesion work of asphalt-aggregate before and after water temperature coupling

由图5可知, HVA与玄武岩的黏附功大于SBS改性沥青。高温水浴1 h后,SBS改性沥青和HVA与玄武岩的黏附功下降幅度分别为7.9%、3.5%,高温水浴3 h后分别为11.6%、5.1%。说明相较于SBS改性沥青,HVA与玄武岩的黏附功受高温水浴作用的影响程度更小。冻融1次后,SBS改性沥青和HVA与玄武岩的黏附功下降幅度分别为2.5%、1.0%,冻融3次后下降幅度分别为6.0%、1.8%。说明HVA具有更好的抗冻融能力。

总体而言,沥青-集料黏附功随高温水浴时间及冻融循环次数的增加而逐渐降低,这主要是因为在水和温度的共同作用下,沥青中极性组分富集且其他组分向沥青质转化,从而导致沥青在集料表面的附着力降低[24]。相较于冻融作用,高温水浴对黏附功的降低幅度更大;各种水温耦合工况对HVA-集料界面的不利影响均较SBS改性沥青-集料界面小,HVA-集料体系表现出更好的水温稳定性,由此可见,HVA-集料界面的水稳定性更好,在水稳定性要求苛刻的地区推荐采用HVA作为沥青混合料的胶结料以提高其耐久性。

3.5 混合料抗松散性能验证

沥青与集料间的黏附特性与沥青混合料的抗松散性能密切相关,为了验证本研究关于沥青类型及环境条件对沥青与集料间的黏附特性的影响,选择能充分接触水温和冻融等环境条件的大空隙沥青混合料PAC-13进行飞散试验,评价其抗松散性能。玄武集料与SBS和HVA2种沥青成型的PAC-13沥青混合料在水温耦合作用后的飞散损失如图6所示。由图6可知,HVA混合料飞散损失小于SBS改性沥青混合料,体现了HVA混合料具有更好的黏结强度。随水温耦合时间的增加,飞散损失增大,沥青混合料抗松散能力逐渐降低。60 ℃水浴3 d,SBS改性沥青混合料和HVA沥青混合料的飞散损失增加幅度分别为57.4%、40.4%,冻融循环3次后增加幅度分别为48.4%,32.6%。这表明HVA沥青混合料具有更好地抗水温耦合作用的能力,且相较于冻融作用,高温水浴对沥青混合料抗松散性能的影响更大。试验结果与表面自由能计算结果一致,从而验证采用高黏沥青能够明显提高大空隙沥青混合料的抗松散能力,改善其水稳定性。

图6 水温耦合作用前后PAC-13飞散损失Fig.6 PAC-13 flying loss before and after water temperature coupling

4 结论

(1)水温耦合作用会降低沥青表面能、黏聚功和沥青-集料黏附功,从而降低沥青-集料界面的稳定性,相较于冻融循环,高温水浴作用的影响程度更大。

(2)高黏沥青的表面能和黏聚功大于SBS改性沥青,高黏沥青-集料界面的黏附功也大于SBS改性沥青-集料界面的黏附功,且受水温耦合作用的不利影响更小,高黏沥青-集料界面表现出优异的水稳定性,高黏沥青作为大空隙沥青混凝土的胶结料可提升其耐久性。

(3)通过大空隙沥青混合料的抗松散验证,水温耦合作用降低了沥青混合料抗松散能力,与表面自由能计算结果一致,高黏沥青能够明显提高大空隙沥青混合料的抗松散能力,改善其水稳定性。

猜你喜欢
冻融循环水温集料
自密实固化土的冻融循环力学特性试验研究
某轻型卡车水温偏高的分析及验证
高性能轻集料混凝土运用分析
冻融循环对路基土时效性影响试验分析
研磨功对再生集料性能改善的量化评价
再生集料水泥稳定碎石的力学性能研究
生活垃圾焚烧炉渣集料性能研究
基于PLC的水温控制系统设计
基于DS18B20水温控制系统设计
持载和冻融循环对钢筋混凝土粘结性能的影响