表观特性对集料表面能参数的影响及预测模型研究

李振纲 李仁君 苗 强 冯浩浩 黄婷婷 罗 蓉

(武汉理工大学交通与物流工程学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063) (中远交科设计咨询有限公司海南分公司3) 海口 570125)

0 引 言

沥青路面在水分子的作用下,沥青与集料之间的黏附性持续降低,在车辆荷载的联合作用下,极易发生松散、剥落等早期病害,严重影响道路的服役寿命和使用性能[1].

针对沥青路面水损害的研究表明:沥青与集料黏附性降低是引发路面水损害的根本原因.对沥青与集料的黏附性进行评价主要采用水煮法和水浸法,这类方法受主观判定等级的影响,属于定性分析.尽管有学者对这两种方法进行改进,例如,计算浸水后集料表面沥青的剥落率,以求能够定量评价沥青与集料之间的黏附性,但是由于单颗集料裹覆沥青后的沥青膜厚度要远大于沥青混合料中集料表面实际的沥青膜厚度,且观察沥青由集料表面剥落时多从二维角度出发,与实际也存在较大差异[2].

近年来,基于表面能理论定量评价沥青与集料黏附性的方法得到快速发展,并证明了沥青和集料的性质是影响集料与沥青黏附性的重要因素[3].对沥青混合料而言,集料占其总体积的90%以上,集料的表面性质在很大程度上直接影响了沥青与集料的界面黏附性能[4].集料的表面性质包括化学、物理特性,对于化学组分一定的某类集料,通过改善其表观特性,可以提升集料与沥青的黏附性[5-7].现有路面设计规范也建议在工程采用立方体、棱角性好、表面粗糙的集料.但是现有的研究多从定性角度分析表观特性的作用,仅考虑单个因素的影响,分析不够全面.表面能和表观特性均表征了集料的表面特性,因此综合考虑二者之间的联系,将为全面、定量评价沥青与集料黏附性、提高沥青路面水稳定性提供科学依据.

文中测试粉末状集料和颗粒状集料的表面能参数,采用集料图像处理系统(aggregate image measurement system,AIMS)测定颗粒集料的表观特性,以粉末状集料的表面能为基准,基于灰色关联法分析三项表观特性指标(表面纹理、球度、棱角性)对集料表面能的影响程度,基于粉末状和颗粒状集料的表面能及颗粒状集料表观特性提出集料的表面能预测模型.

1 集料表面能参数测试

1.1 试验材料

研究采用9种类型集料作为试验材料,包括辉绿岩、石灰岩、玄武岩、石英砂岩及角闪岩等常见岩性集料.性能指标检测参数见表1.

表1 集料性能指标

粉末状集料表面能可认为不受表观特性的影响,从而减少变量的影响.采用振动磨粉碎集料制备粉末状集料,筛分得到粒径小于0.075 mm的粉末状集料,见图1.

图1 粉末状集料

1.2 粉末状集料表面能

1.2.1修正毛细上升法原理

当测试试剂与样品不能形成稳定接触角时,采用张德润[8]提出的修正毛细上升法测定粉末状集料样品的表面能.该方法认为,当样品表面正好完全被一层饱和液膜包裹时,样品表面的扩散压力可以视为0.试验结束后,对试验数据进行处理:拟合试验数据得到稳定状态下试验样品在不同测试试剂下的m2/t值,可通过公式得到毛细管合成有效半径Rc,见式(1).计算得到不同测试试剂下样品的扩散压力,见式(2).毛细上升法试验示意图见图2.

图2 毛细上升法示意图

(1)

(2)

式中:Rc为合成有效半径;η为试剂黏度;ρL为试剂密度;γL为试剂表面能;m为测试样品质量;t为浸润时间;πc(ML)为扩散压力.

将不同测试试剂的扩散压力及测试试剂的表面能代入式(3),即可求解出集料的表面能.

(3)

式中:γL为试剂表面能;γP为粉末状集料表面能;γLW为集料表面能参数的非极性分量;γ+为集料表面能参数的极性酸分量;γ-为集料表面能参数的极性碱分量.

1.2.2粉末状集料表面能参数测试

采用全自动表面张力仪,分别称取50 g不同岩性的粉末状集料作为试验样品,选用2-戊酮、甲酰胺、正己烷作为试验试剂,进行3组平行试验以减小误差.润湿性检验后,测量不同岩性的粉末状集料的表面能.试验结果见表2.

表2 粉末状集料表面能参数 单位:erg/cm2

由表2可知:不同岩性的集料表面能相差很大,而相同岩性的集料表面能也存在差异.其中,岩性相同的玄武岩1的表面能总量甚至达到了玄武岩2的1.65倍.

1.3 颗粒状集料表面能

1.3.1蒸气吸附法试验原理

蒸气吸附法是基于蒸气吸附理论,采用磁悬浮重量平衡系统,测试颗粒状集料样品在试剂各阶蒸气压下的饱和蒸气吸附量,计算测试试剂在集料表面的扩散压力,并联立Young-Dupre方程计算集料表面能参数γg[9].选用以上九种集料中粒径为2.36～4.75 mm的颗粒作为试验对象,选用蒸馏水、2-戊酮、甲苯作为测试试剂.试验结果见表3.

表3 颗粒状集料表面能参数 单位:erg/cm2

1.3.2颗粒状集料和粉末状集料表面能差异性分析

两种固体状态下集料的表面能参数对比,见图3.

图3 不同状态集料表面能参数对比

由图3可知:粉末状集料表面能均小于颗粒状集料的表面能,平均相差46%.这是因为粉末状集料样品的粒径小于0.075 mm,其表观特性值也远小于颗粒状集料.而集料性质是由岩性和几何特性共同决定的,当两者岩性相同时,表面能的差异可认为是其表观特性不同造成的.由此可以推断,表观特性是影响集料表面能的重要因素.

2 表观特性对集料表面能的影响

2.1 集料表观特性测试方法

采用AIMS对集料表观特性进行定量分析,获得集料棱角性、球度及表面纹理这三个表观特性指标的具体大小.AIMS由集料图像采集系统和集料图像分析程序两部分组成,试验开始时,先通过高分辨率相机和多倍放大显微镜来收集集料的数字图像,再通过分析程序将集料表观特性以图表的形式表现出来[10-12].测试结果图见图4.

图4 AIMS表观特性测试结果图

2.2 基于AIMS的表观特性指标测试

选用粒径为2.36～4.75 mm的集料作为测试样品,并且集料样品的最小颗粒数目不少于50个,以提高测量数据精确度.测得的表观特性指标与表面能数据见表4.

表4 集料表观特性指标

由表4可知:同一岩性集料的表面能与其表观特性指标大小成正相关.分析各表观特性指标对集料表面能影响的原因:棱角性指标表征集料颗粒表面的棱角数量,棱角性指标的增大意味着沥青与集料颗粒接触面积变大,集料表面能增大;表面纹理指标表征集料颗粒的粗糙程度,表面纹理指标的增大反映集料表面越粗糙,表面积增大,集料表面能增大;球度指标则表征集料轮廓形状上的变化大小,球度指标越大,代表集料颗粒越趋近于球形,沥青与集料颗粒的接触越充分,集料表面能也对应增大.同时,对于同种岩性的集料,不同表观特性指标对其表面能影响程度不同,而不同岩性的集料,各表观特性指标对其表面能的影响程度也存在着差异.

3 表观特性对集料表面能影响程度分析

由于集料表观特性的三个指标对集料表面能的影响趋势相同,难以通过多因素分析法等方法分析表观特性指标对表面能的影响程度.采用灰色关联分析法,分析集料表观特性对集料表面能的影响,采用分析数列确定、变量的量纲一的量化、两极最大值和最小值等方法求得灰色关联系数的大小,反映不同表观特性指标的影响程度.不同关联系数的影响程度见表5.

表5 灰色关联系数与影响程度关系

采用灰色关联法分析集料各表观特性指标对集料表面能的影响程度,对应的关联系数见表6.

表6 表观特性值灰色关联系数

由表6可知:不同表观特性指标对表面能的影响程度不同,而同一表观特性指标对不同类型集料的影响也不相同.从总体上来说,三个表观特性指标对集料表面能的影响依次为:棱角性>表面纹理>球度.分析数据可以发现,不同岩性的集料,表观特性指标的影响程度不同;而对于同一岩性的集料,因其产地和加工方式的不同,表观特性指标的影响程度也不同.对各表观特性指标在岩性相同和岩性不同两种情况下对不同集料表面能的影响程度进行分析,结果见表7.

表7 表观特性对集料表面能影响程度表

4 基于表观特性的集料表面能预测模型

通过蒸气吸附法可以直接测得精确的集料表面能参数值,以此来研究沥青与集料间的黏附性.但是蒸气吸附法存在着试验设备昂贵、试验操作复杂、试验时间较长等不足,无法在实际工程中进行大规模应用;而毛细上升法所用的试验设备比较容易获得,并且试验时长较短,适合大范围推广,但是受试验量程的限制,无法直接测得颗粒状集料的表面能.根据前文,当粉末状集料和颗粒状集料的岩性相同时,两者表面能的差异主要是由其表观特性造成的,这意味着两者在一定程度上可以相互转换.针对以上不足,笔者提出了一种基于粉末状集料表面能和表观特性指标的颗粒状集料预测模型.

集料的表观特性中,球度指标(SP)和棱角性指标(GA)同属于宏观尺度,但是两者相差4个数量级,同时棱角性指标对集料表面能的影响程度大于球度指标.因此,预测模型中表观特性宏观尺度的指标只考虑棱角性.表面纹理(TX)作为表观特性的微观指标,和棱角性指标共同表征集料表观特性的综合指标CAAT,即

CAAT=10×TX+0.5×GA

(4)

式中:CAAT为集料表观特性综合指标;TX为集料表面纹理指标;GA为集料棱角性指标.

粉末状集料的表观特性可以认为是0,以此作为限制条件,集料表面能的预测模型为

γg=ek×CAAT(γp)

(5)

式中:γg为颗粒状集料表面能;γp为粉末状集料表面能;k为表观特性集料表面能影响系数.

将8种不同类型的辉绿岩、石灰岩、玄武岩以及角闪岩的CAAT值和对应的粉末状集料表面能代入预测模型中进行拟合,通过规划求解得到表观特性集料表面能影响系数k值为1.31×10-4,拟合的结果和相对误差见表8.

表8 集料表面能实测值与模型预测值相对误差表

由表8可知:预测模型拟合得到的表面能与实测的表面能之间均在的相对误差在5%附近,经过计算得到拟合优度R2为0.92,拟合优度较好,说明预测模型可靠.

将石英砂岩的相关参数代入预测模型中,验证模型的有效性,见表9.

表9 模型验证表

由表9可知:石英砂岩表面能的预测值与实测值之间的相对误差为0.3%,误差远小于5%,证明该模型可以用来进行颗粒状集料表面能的预测.

5 结 论

1) 相同岩性的集料粉末状态和颗粒状态下的表面能相差很大,粉末状态的集料表观特性指标可以视为0,而颗粒状的集料表观特性指标均为确定值,集料的表观特性是影响集料表面能的重要因素之一.

2) 同一表观特性指标对不同种类的集料表面能影响程度不同,三个表观特性指标与表面能的关联系数从大到小依次为棱角性、表面纹理、球度.其中,表观特性指标对不同种类的集料的表面能的影响程度各不相同,对于工程中常用的辉绿岩和石灰岩集料,棱角性、表面纹理对表面能的影响程度较大,工程中应该重点关注集料表观特性中的棱角性和表面纹理指标.

3) 提出了基于表观特性指标和粉末状集料表面能参数的颗粒状表面能参数预测模型,该模型拟合优度良好,可用来进行颗粒状集料表面能参数的预测,以及对沥青-集料黏附性进行评价.