（道路与铁道工程专业论文）基于表面能理论的沥青与集料粘附性研究.pdf

甚于表面能理论的沥青j 集料粘附住研究 摘要 沥青混凝土路面因水损害造成的唧浆、龟裂、网裂、坑洞等早期破坏现象， 在公路路面中普遍出现。沥青与集料之间的粘附性在很大程度上影响着沥青混凝 土路面抵抗水损害的能力。不少学者对沥青一集料的抗水损害能力进行了研究， 但利用表面能理论进行沥青与集料粘附性的评价及其与混合料水稳定性关系的研 究不多。本文从表面能角度研究沥青与集料的粘附性，所做的工作和得到的结论 如下： ( 1 ) 介绍了国内外评价沥青与集料粘附性及混合料水稳定性的试验，分析相 关试验的优缺点。通过对路面相关病害的分析，认为粘附性即沥青被水从集料表 面剥落的抵抗力，在很大程度上影响沥青混合料的水稳定性。联系设计、施工、 养护过程中影响沥青与集料粘附性的因素，提出了相应的措施和建议，以尽量减 轻或延缓水损害的出现。 ( 2 ) 基于表面能理论的产生、发展，及其表面能理论在各领域特别是工程领 域的应用，固液之间的表界面性质，以o w e n s w e n d t 理论为基础，结合y 0 u n g s 方程计算沥青表面张力及沥青与集料的粘附功。通过与现行规范中粘附性评价方 法的对照比较，指出表面能法的优势和可行性。 ( 3 ) 通过沥青与集料的粘附和剥落过程分析，认为剥落是粘附的逆过程，由 此计算出剥落功，与工程实际情况基本相符。沥青与集料的配伍性，由两者的粘 附功与剥落功的比值表征，可以为沥青与集料的组合选择提供科学的依据。沥青 与集料的粘附性是影响沥青混合料水稳定性的必要条件而非充分条件，选择水稳 定性好的沥青混合料必须重视沥青与集料的配伍性。 关键词：沥青；集料；表面能；接触角；粘附性；配伍性 l l a b s t r a c t f r o s tb o 订i n g ，a l l i g a t o rc r a c k ，n e t - s h a p e dc r a c ka n dp i t sa r ec o m m o n l yt o u n d 1 n h ig h w a yp a v e m e n t ，t h e ya r er e s u l t e df r o mt h em o i s t u r ed a m a g e i nt h ea s p h a l tc o n c r e t e d a v e m e n t s t oal a r g ee x t e n t ，t h ea d h e s i o no ft h ea s p h a l t a g g r e g a t el n f l u e n c e o nt h e w a t e rs t a b i l i t yo ft h ea s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t m a n ys c h o l a r sm a d e r e s e a r c ho nt h e m o i s t u r ed a m a g eo ft h ea s p h a l t a g g r e g a t e ，b u tt h er e s e a r c h 伽t h e a d h e s i o no fa s p h a l t a g g r e g a t ew a sn o tm u c hb a s e do nt h es u r f a c ee n e r g yt h e o r y f r o mt h ep e r s p e c t l v e o t t h es u r f a c ee n e r g y ，t h ea u t h o rm a d er e s e a r c ho n t h ea d h e s i o na n dt h ew a t e rs t a b l l i t yo f t h ea s p h a i t a g g r e g a t ea n do b t a i n e dt h e s er e s e f c ht l n d l n g s ： ( 11i nt h et h e s i s ，t h ed o m e s t i ca n da b r o a de v a l u a t i o nm e t h o d sa b o u tt h ea d h e s l o n 0 ft h ea s p h a l tw i t ha g g r e g a t ew e r ei n t r o d u c e d ，t h e nt h ea d v a n t a g ea n dd l s a d v a n t a g e o ft h e s em e t h o d sw e r ea n a l y s e d t h er e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e a d h e s i o na n dt h ew a t e rs t a b i l i t yo fa s p h a l t a n da g g r e g a t ew a sm a d el nt h et h e s l s lh e a d h e s i o ni st h er e s i s t a n c eo ft h ea s p h a l ts t r i p p e db yw a t e rf r o mt h ea g g r e g a t es u r t a c e a n di tm a k et h ei n f l u e n c eo nt h ea s p h a l tm i x t u r ew a t e rs t 2 i b i l i t y c o n t a c t e dw i t ht h e p r o c e s so ft h ed e s i g n ，c o n s t m c t i o n ，m a i n t e n a n c e a n ds oo n ，s o m em e a s u r e sa n d s u g g e s t i o n st om i n i m i z eo rd e l a yt h ee m e 曜e n c eo f t h em o i s t u r ed i s e a s e sf r o mt h e v i e w p o i n t so ft h es u r f a c ee n e r g yt h e o r y w e r ep r o p o s e d ( 2 ) b a s e do nt h ep r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h es u r f a c ee n e r g yt h e o r y a n d t h es u r f a c ee n e r g yt h e o r ya p p l yi n v a r i o u sf i e l d se s p e c i a u ye n g i n e e r l n gt l e i d ， a c o o r d i n gt ot h eo w e n s w e n d tt h e o r ya n dt h e n a t u r e0 ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e s o l i da n dt h el i q u i d ，a n dc o m b i n e dw i t ht h ey 0 u n g se q u a t i o n ，t h ea s p h a l ts u r t a c e t e n s i o na n dt h ea d h e s i o nw o r ko fa s p h a l t a g g r e g a t e w e r ec a l c u l a t e di nt h et h e s l s c o m p a r e dw i t ht h em e t h o di nt h es p e c i f i c a t i o n ，t h ea d v a n t a g ea n df i e a s i b i l i t y o ft h e s u r f a c ee n e r g ym e t h o dt ob ep o i n t e do u ti nt h et h e s i s ( 3 ) t h ep r o c e s so fa d h e s i o na n ds t r i p p i n go f t h ea s p h a l t 。a g g r e g a t ew e r ea n a l y s e a i nt h et h e s i s t h es t r i p p i n gp r o c e s s i st h er e v e r s ep r o c e s so ft h ea d h e s i o n t h ea d h e s l o n w o r ka n dt h es p t r i p p i n gw o r kw e r ec a l c u l a t e di nt h et h e s i s ，t h er e s u l t sc o r r e s p o n d e d w i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n t h ec o m p a t i b i l i t yo ft h ea s p h a l t a g g r e g a t e ， w h l c hl s c h a r a c t e r i z e db yt h er a t i oo ft h ea d h e s i o nw o r ka n ds t r i p p i n gw o r k t h ec o m p a t i b l l l t y p r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rs e l e c t i n gt h ek i n do fa s p h a l ta n da g g r e g a t e 。i h ea d h e s l o n o ft h ea s p h a l t a g g r e g a t ef o rt h ew a t e rs t a b i l i t yo f t h ea s p h a l tm i x t u r el st h en e c e s s a r ) ， l 基于表面能理论的沥青j 集科粘附性研究 c o n d i t i o n ，n o tt h es u f j f i c i e n tc o n d i t i o n k e yw o r d s ：a s p h a l t ；a g g r e g a t e ； s u r f a c e e n e r g y ； c o n t a c t a n g l e ； a d h e s i o n ； c 0 m p a t i b i l i t y 硕l 学位论文 插图索引 图2 1 沥青路面孔隙水压力作用示意图一1 4 图3 1 液体表面分子的受力1 9 图3 2 毛细管法示意图2 0 图3 3 圆环法示意图2 2 图3 4 吊板法示意图2 2 图3 5 液相和固相之间的接触角与界面张力关系2 5 图3 6 接触角示意图一2 6 图3 7 接触角测量仪3 7 图3 87 0 号沥青乃c o s 口与弓的关系3 8 图3 9s b s 改性沥青巧c o s 9 与巧的关系3 8 图3 1 07 0 号沥青的极性和色散分量的确定3 9 图3 1 1s b s 改性沥青的极性和色散分量的确定3 9 图4 1 表观界面示意图4 6 v l l 基于表面能理论的沥青j 集料粘附性研究 附表索引 表2 1 粗集料与沥青粘附性的技术要求一8 表2 2 光电比色法8 表2 3s h r p 净吸附法9 表2 4 溶剂洗脱法9 表2 5 沥青与石料低温粘结性试验法1 0 表2 6 动态水浸法10 表3 1 集料表面能测试方法2 9 表3 27 0 号道路石油沥青检测结果表3 3 表3 3s b s 改性沥青检测结果表一3 3 表3 4 花岗岩检查结果表3 4 表3 5 玄武岩检查结果表一3 4 表3 6 石灰岩检查结果表3 5 表3 7 三种液体的表面自由能及分量3 6 表3 8 沥青与测试液体的接触角3 7 表3 9 沥青的表面能及分量3 8 表3 1 0 沥青、水与集料的接触角3 9 表3 1 l 沥青在集料表面粘附功4 0 表3 1 2 水煮法试验结果4 0 表3 1 37 0 号沥青与集料表面接触角差4 l 表3 1 4s b s 改性沥青与集料表面接触角差4 l 表3 1 5 沥青与集料粘附性接触角之差分级标准4 l 表4 1 接触角测量结果4 5 表4 2 沥青在集料表面粘附功4 9 表4 3 沥青在集料表面剥落功5 0 表4 4 沥青与集料的配伍性比较5 0 硕l 学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 我国高等级路面形式主要是沥青混凝土路面和水泥混凝土路面。沥青路面具 有可以分期修建、平整度好、行车舒适、易于修复等优点，在我国的高速公路上 广泛使用，但沥青混凝土路面温度敏感性较高，在雨季易发生沥青剥落、坑槽等 各种水损害。近些年来，公路交通量日益增长，超载超速现象严重，大多数沥青 路面在使用数年后普遍出现了车辙、疲劳开裂、剥落、坑槽等病害，这些病害大 大降低路面的使用寿命，使得高速公路提前进入大规模的养护维修期，增加路面 养护成本。因此，迫切需要对沥青和集料之间的粘附性能进行研究，提高沥青混 合料的水稳定性。 人们对于沥青路面水损害的认识，是一个不断发展的过程，从最初的不重视 到越来越重视经历了漫长的几十年。特别是近些年，路面水损害越来越引起相关 人员的重视，认为它是继车辙、低温开裂和疲劳开裂后的又一种主要的路面破坏 形式。经过多年的研究，学者们普遍认为水损害主要为两种形式：沥青内部的粘 聚破坏和沥青一集料之间的粘附破坏。造成这两种破坏形式的原因也主要有两点： 一是由于水渗入到路面结构中并滞留且反复作用于其中的空隙；二是由于水不断 乳化沥青并进入沥青与集料的界面之间，并使两者发生分离剥落。于是，人们预 防水损害的研究工作大致集中在这两方面，一方面是对沥青混合料的配合比设计 以及路面结构形式进行研究；另一方面是对沥青和集料的粘附性进行研究。而对 后者的不断研究表明，沥青与集料之间的粘附机理是比较复杂的，于是出现各种 评价两者之间粘附性的理论和方法，这些理论和方法也各有优缺点。普遍得到认 可的理论和方法主要有机械粘附理论、化学反应理论、表面能理论、分子定向理 论等等，但当前应用表面自由能理论对沥青与集料粘附性的研究越来越多，且发 展较快，并取得了一定的成果。 正是鉴于此种原因，作者选择表面能理论对沥青与集料之间的粘附性进行研 究，并探讨其表面能变化对沥青混合料的水稳定性影响。沥青与集料界面上的相 互作用是沥青混合料结构形成的决定性因素，不仅关系到沥青混合料的强度、温 度稳定性、老化速度，而且直接决定了沥青与集料的粘附性的大小。通过对沥青 和集料的表面能研究，分析其对两者的粘附性及沥青混合料水稳定性的影响，并 探讨采取何种措施提高沥青与集料的粘附性来预防或减缓沥青路面的水损害就具 有较大意义。 基于表面能理论的沥青与集料粘附性研究 大量的试验和工程实例表明，沥青和集料之间的粘附性会影响沥青混合料的 水稳定性和耐久性，即混合料的性质在很大程度上与界面性质有关，因此研究界 面性质不仅能揭示混合料各种性质的内在原因，而且对提高混合料的各种性能将 非常有效。如现在沥青混合料中抗剥落剂已经普遍使用，虽然早期效果不错，但 其耐久性并不能令人满意，通过对其界面性质的研究，对提高其水稳定性和耐久 性有比较大的意义。 沥青与集料之间的粘附性是直接影响沥青混合料使用性能的重要因素，而各 种集料，如石灰石与花岗岩，如何能快速有效地评估两者与沥青之间的结合能力， 与合适的沥青材料形成比较好的配伍性，显得十分重要。目前规范中的水煮法和 水浸法评价粘附性时还存在着一定程度上的主观因素，不能完全定量的进行分析 判断，而在国外，采用的光电比色法，虽然人为因素影响较小，但存在实验要求 较高，实验数据偏大的缺点。因此从探讨沥青与集料界面相互作用的性质出发， 找出一种较为快速简便且能定量评估沥青与集料粘附性的方法有一定的现实意 义。随着国内外学者对水损害的研究和认识的不断深入，开发了各种试验方法来 评估沥青混合料抵抗水损害的能力，但目前没有统一的标准，通过试验对集料和 沥青表面张力和粘附功的测定，从表面能变化的角度去评价沥青和集料之间的粘 附性，应该是可行的。 随着我国高速公路的建设，沥青路面对于各种集料的需求不断增大，要求也 越来越高，在工程建设中表面层集料的来源越来越少。一般情况下，石灰石为代 表的碱性石料与沥青的粘附性比较好，但却存在耐磨性能差、硬度低的缺点，不 能很好的适应沥青路面表面层抗滑及磨耗的要求，所预期的集料之间的嵌挤能力 也不能很好地形成；而花岗岩、砂岩等酸性岩石，虽然有着石质坚硬、致密、耐 磨性好等特点，也能比较好的形成集料之间的嵌挤作用，但却与沥青的粘附性不 好；目前我国公路建设中，广泛采用玄武岩的沥青混合料为表面层。针对这些集 料的性质，研究分析各种集料表面能特点，采取有效的改善措施，提高集料与沥 青的粘附性，从而扩大高速公路建设中集料的使用范围，对于工程实践有一定意 义。 随着我国公路里程的不断增加，养护费用将十分巨大。通过研究沥青与集料 的粘附性，将粘附性与水稳定、耐久性的评价紧密联系，从表面能角度对沥青与 集料的粘附性进行评价，研究沥青和集料之间表面能的变化原因以及沥青与集料 的界面相互作用规律，在此基础上提出延缓沥青与集料粘附性和水稳定性减弱的 建议和措施，并对沥青与集料粘附性进行配伍性分析，为沥青路面的材料选择提 供科学依据，无疑对提高沥青路面的水稳定性和耐久性，延长沥青路面的使用寿 命，节省巨大的养护费用等方面，都将起到积极的意义。 硕：l 学位论文 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外的研究概况 上世纪2 0 年代开始，美国学者就对沥青与集料表面由于水的存在，使得粘结 力下降以及沥青胶结料本身凝聚力下降有了认识，并考虑通过沥青混合料剥落的 情况来对混合料的性能好坏进行区分。h v e e m 在上世纪4 0 年代就指出，集料与 沥青界面的粘附性是影响沥青混合料水稳定性的内在因素，也是非常重要的因素， 并且应该有很多方法来提高在恶劣条件下沥青与集料的粘附性。 5 0 、6 0 年代国外学者就开始对沥青路面的水损害进行研究。1 9 5 0 年开发的浸 水马歇尔试验开始对沥青混合料在压实情况下进行水稳定性评估。a n d e r s l a n d 和 g o e t z 在1 9 5 6 年利用超声波来评价压实沥青混合料的抗水剥离能力。1 9 7 8 年，洛 特曼( l o t t m e n ) 开发的一种新的沥青混合料的水稳定评价试验，该试验将压实后 沥青混合料经受真空饱水和冻融循环的作用，这种方法对沥青混合料采用加速测 试后进行评估，取得很大的突破，直到现在仍然被人们所接受采纳。1 9 8 2 年， t u n n i c l i f f 和r o o t 通过对液体抗剥落剂评价的研究，对洛特曼试验方法进行改进， t u n n i c l i f f - r o o t 试验也被作为a s t m ( a m e r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n ga n dm a t e r i a l s ) 标准。我国目前对沥青混合料水稳定性的评价方法，是在“八五国家科技攻关 专题“道路沥青及沥青混合料路用性能”研究成果之下，并修正简化美国a a s h t o t 2 8 3 9 8 沥青混合料水损害评价方法而成，即冻融条件下的间接拉伸( 冻融劈裂) 试验，以劈裂强度比不小于8 0 作为沥青混合料水稳定性的接受标准心1 。美国公 路发展战略研究计划( s t r a t e g i ch i 曲w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) 路面长期使用性能研 究专家组、联邦公路局和加拿大运输协会( t r a n s p o n a t i o na s s o c i a t i o no f c a n a d a ) 都对沥青路面水破坏问题进行过专题研究，对沥青路面的水损害有了一定的认识， 并取得了相应的应用成果阳1 。国外研究者对水损害的研究工作，主要包括对水稳 定性的影响因素、形成原因、评价水稳定性的试验方法以及对水损害如何进行防 治等。但因为影响水损害的因素比较多，研究者开始从比较宏观方面的研究逐步 转向比较微观细致的方面，试图从粘附性机理和水损害机理方面进行研究。 随着表面能理论的不断发展，以及在各个领域的不断应用，到了上世纪八九 十年代，研究人员采用表面能理论研究了沥青和重油的表面自由能，美国学者米 勒尔对于固体和液体之间的界面平衡理论做了比较详细的研究，即认为过剩的自 由能或侧向应力为界面张力，并对各种相之间的界面张力的产生、变化从内在机 理上做了比较详细的研究和探讨h 1 。 随后，部分学者开始用表面自由能理论对沥青混合料的粘附性进行研究，并 获得了一些研究成果。 1 9 9 7 年，e l p h i n g s t o n e 研究结果首先表明表面自由能可以很好的预测混合料 幕于表面能理论的沥青j 集料粘附性研究 的疲劳和抗水损害性能，并指出集料的性质对粘附过程起着主要的作用，而沥青 对粘附过程的作用不明显晴】。1 9 9 7 年，s c h m a l 等人研究了集料在破碎后表面活性 的变化，认为新破碎的集料的表面活性达到最高后，随着露天存放时间的增加， 集料表面的自由价达到饱和，即集料在刚破碎时自由价出现在它的表面，在露天 储存后会逐渐降低，到1 2 0 d 后基本达到最小值，主要原因是空气中的微粒、雨水 中溶解的离子的共同作用使集料表面的自由化合价达到饱和1 。2 0 0 2 年，在丹麦 举行的第九届沥青路面设计国际会议上，发表了对集料表面活性以及集料与沥青 之间的粘附性之间的关系的研究成果。通过甲基兰吸附法试验确定集料的表面活 性，再制备存储不同时间的车辙试件，最后通过汉堡车辙试验得出集料表面能对 沥青混合料性能的影响，同时研究发现储存时间长的试件较储存时间短的试件的 车辙深度浅，表明刚被破碎的新集料使沥青对水和交通的共同作用更加敏感1 。 通过汉堡车辙试验可以证明，即通过延长集料在露天储存的时间可以使其表面活 性降低，从而提高沥青混合料抵抗变形的能力，原因在于表面能更高的集料能吸 附更多的水，而且具有较强偶极特征的水分子比沥青能更好地粘附在集料表面； 新破碎的集料与储存堆放一定时间的集料对热拌沥青混合料的性能有着不同的影 响：新破碎的集料使得沥青对水和交通荷载共同作用更加敏感，文章建议新集料 破碎后保存至少2 3 周，以降低其表面活性，再用于热拌沥青混合料的生产中1 。 2 0 0 2 年，c h e n g 、l i t t l e 等人运用沥青混合料的表面能性质对其潜在的水损害 进行预测，c h e n g 测定了不同沥青和集料的表面自由能，并分别计算出沥青的粘 聚功和在干燥及有水存在时的沥青与集料之间的粘附功，其结果与混合料加速水 损害的实验结果相一致，表明运用表面自由能理论来分析沥青混合料的水稳定性 是可行的。2 0 0 6 年，l i t t l e 和b h a s i n 提出使用w i l h e l m y 吊片法来测量固体和液 体之间的接触角，计算得出表面能。通过获得集料表面能的方法，去选择更加合 适的沥青混合料材料，选择过程实现了软件化哺1 。2 0 0 6 年，h e f e r 、b h a s i n 和l i t t l e 对接触角测量方法做了进一步的研究和完善，对前人的研究成果进行了有价值的 探讨和分析，对使用表面能方法更为成功地预测沥青混合料的水稳定性有很大作 用饽1 。2 0 0 6 年，b h a s i n 等人提出根据表面自由能量化沥青一集料的粘附能量以及 水存在条件下沥青从集料表面剥落时的能量减少，表明不同集料与相同沥青间的 粘附能有着显著的差别n 们。2 0 0 7 年，h o w s o n 等人以此为基础，进一步研究了聚 合物改性沥青对沥青混合料抗水损害能力的影响1 。2 0 0 7 年，s i n k o n d ed e n n i s 等 人提出使用毛细管法估算集料的表面能，进行了有益的工作n 引。2 0 0 9 年，b h a s i n 和l i t t l e 对表征沥青与集料之间的粘附功使用微热量计估算进行了进一步的研究， 认为微热量计法是一个相对更快且简便的估计表面自由能的方法3 | 。 硕二i ：学位论文 1 2 2 国内的研究概况 国内对沥青与集料的粘附性及水稳定性研究也是随着国内公路建设逐步开展 的，相较国外而言，起步较晚，对沥青与集料的粘附性机理，防治沥青路面水损 害方面与国外相比有一定差距。九十年代贾渝对美国常用的九种沥青混合料水损 害的试验方法进行了介绍，并分析了各种试验的适用范围、优缺点引。“八五 国家攻关期间，我国研究者对沥青混合料水稳定性试验指标进行了比较系统的研 究，针对我国沥青路面的实际使用情况，借鉴国外较成熟的试验方法和指标，推 荐使用水煮法、冻融劈裂强度比和残留马歇尔强度来评价沥青混合料的抗水损害 能力，对水煮法中沥青的剥落情况分为5 级进行评定。随着研究的不断深入，以 及沥青路面在使用过程中不断出现的水损害问题，国内研究者开始关注各种试验 评价方法的合理性。 1 9 9 5 年，原健安、张登良提出用毛细管柱法测定水在矿料表面的接触角及沥 青甲苯溶夜矿料表面的接触角的方法，用接触角的相对大小评价沥青与矿料之间 的水稳定性，认为沥青与矿料的接触角以及水与矿料的接触角之差可以表示水稳 定性的好坏，其值越大，水稳定性越差，并结合实例讨论了各种沥青与集料的水 稳性n 朝。1 9 9 7 年，殷埝荣等人针对规范中检测沥青与石料( 粒径 9 0 。，没有润湿 口 9 0 。，润湿 口= 0 。，铺展 且上列三式对改变表面润湿性能也有指导意义。分析可以得到：降低，增 加，均对润湿不利；反之则有利。因此，对固体表面改性往往可达到预期的目 的。其次，增大对润湿有利，然而润湿后往往使接触角增大，但这不一定是减 弱了粘附倾向。 由y o u n g s 方程c o s 秒= 益，二，讨论可知：若接触角目的增大来自的增 j y h 大，无疑对粘附是有利的，若来自乃增大，则对粘附不利；对浸润来说，的增 大或减少，仅改变c o s 口的大小，但c o s p 亦即一以，值不受影响，因此对固体表 面上的改变影响或才能对浸润发生影响b 引。一般固体表面可分为高能表面 和低能表面，z i s m a n 等首先发现，液体同系物在同一固体表面上的接触角随表面 张力降低而变小，在固体表面上能铺展的液体越多，该固体表面的可润湿性就越 好3 纠。 接触角的测量方法主要有斜板法、液滴法、吊板法等。如果液滴很小，重力 作用引起液滴的变形可以忽略，这时的液滴可认为是球形的部分，实际固体表 面几乎都是非理想的，或大或小总是出现接触角滞后现象，因此需同时测定前进 角和后退角。如采用液滴法，可用增减液滴体积的办法来测定前进角和后退角， 增加液滴体积时测出的是前进角，减少液滴体积时测出的为后退角。为了避免增 减液滴体积时可能引起液滴振动或变形，在测定时可将改变液滴体积的细管尖端 基于表面能理论的沥青与集料粘附性研究 插入液滴中，尖端插入液滴不影响接触角的数值。 通过将已知表面张力及其分量的不同液体的液滴滴在沥青表面，再加上测得 的二者之间的接触角，计算得到沥青表面自由能分量；再通过测算沥青和集料之 间的接触角，可以计算出两者之间的粘附功。 3 1 4 3 润湿与粘附 润湿的过程是液体直接接触固体，使原有的气一固界面由液一固界面所代替 的过程。假设固体被液体浸润的面积为a ，则固体单位表面积浸润的自由能变化 为： 粥”= 署= 白一= 一( 以+ c o s d ( 3 2 1 ) 或者 粥一：筹：白一。：一c 。s ( 3 2 2 ) 么 。”“ b a r t e l l 等学者提出了以粘附张力t 来表达润湿过程中的表面自由能变化2 1 ( 搬k ) ，并将粘附功定义为： r = 一 ( 3 2 3 ) 将上式与y 0 u n g s 方程结合，可得： 丁= c o s p ( 3 2 4 ) 于是可以使粘附张力变为定量，如果固体的粘附张力值越大，它就更容易被 所接触的液体浸润。当秒 9 0 0 ，则润湿会使 体系的自由能增大，需要外界对体系做功才能发生润湿过程，因此，臼= 9 0 。是液 体能否自发润湿固体表面的界限，也就是说各种不同固体表面对某种液体的粘附 功张力与固一液之间的接触角有关2 1 。当0 。 。当固体表面吸附量极少， 或无吸附的情况下，以常可忽略不计( 以一0 ) ，此时， 。在此条件下，可 以将y o u n g s 方程写为： c o s 秒= 一 ( 3 2 8 ) 对于某些有机化合物和有机高分子固体等低表面能物质，兀常可忽略不计。 对于金属及其氧化物，无机盐，s i o ，等表面能高的固体，因其表面可以束缚足够 的吸附分子，故必须考虑其冗。值。由于粘附功为： = + 一 ( 3 2 9 ) 代入c o s 秒= 一瓦一尥到上式，可得： = ( c o s 口+ 1 ) + 覆 ( 3 3 0 ) 呢，= 2 + 以= 睨 ( 3 3 1 ) 对于死可忽略的表面，则： = ( c o s 秒+ 1 ) ( 3 3 2 ) 由上可知，将固一液间的接触角与液体的表面自由能测定值代入上式中，即 可算出两者间的粘附功。但其中的接触角有两个极端，当9 = 0 。时， = 2 + 以= 彬，也就是说，固一液界面的粘附功与液体的内聚功等同，在这 硕 ：学位论文 种情况下，固一固、液一液及固液间分子的相互作用是完全等价的；当p = 1 8 0 。 时，形k = o ，球形液滴完全与固体表面相切，二相之间没有相互作用，因此，分 开固一液界面不需做功，此时固体不被液体所湿润。实际上，固一液分子间都有 不同程度的吸引力，其接触角应介于0 。和1 8 0 。之间，而且秒越小，粘附功越大， 则液体对固体的湿润性能越好n 副。 3 2 2 粘附功表征的可行性 我国现行规范中评价沥青与集料粘附性的试验，粗集料采用水煮法试验，细 集料采用水浸法，该试验简单易行，但主观因素影响较大，虽然国内的相关学者 进行过研究改进，提供了可以用来比对的集料的剥落图片，在一定程度上减少了 主观因素的影响，但终究没有量化指标，其结果也远不能作为评价沥青混合料的 水稳定性指标。正是由于水煮法等方法评价沥青与集料粘附性存在主观性，通过 运用表面能理论去解释沥青与集料之间的粘附机理，进而定量的评价两者之间的 粘附性。 国外学者从上世纪6 0 年代就开始进行表面能理论解释沥青与集料粘附性的 研究。1 9 9 7 年，e l p h i n g s t o n e 研究的结果显示表面自由能可以很好的预测混合料 的疲劳和抗水损害性能，并指出集料的性质在沥青与集料的粘附过程起着主要的 作用睛1 ；之后，c h e n g 测定了不同沥青和集料的表面自由能，并分别计算出沥青 的粘聚功，在干燥和有水存在的两种不同条件下沥青一集料之间的粘附功，其获 得的结果与混合料加速水损害的实验结果相一致引。2 0 0 6 年，b h a s i n 等人提出根 据将沥青一集料粘附能的表面自由能量化，以及遇到水作用情况下沥青从集料表 面剥落时的能量减少，其研究结果表明不同集料与相同沥青之间的粘附能有比较 明显的差别b 引。2 0 0 6 年完成的n c h r pp r o i e c t9 3 7 ，对运用表面能方法为沥青路 面选择材料做了详细的报告阴1 。我国学者也先后开展了这方面的研究，在相关方 面都做了很多的工作，如肖庆一等人通过沥青与矿料的粘附性与粘附力的内在联 系，提出以粘附功做为表征指标，从而量化了粘附性评价指标，并取得了不错的 效果3 。 随着科学技术的不断发展，研究手段的丰富性，相关交叉学科的不断影响， 采用更加先进的理念和设备进行道路建设势在必行。随着人们对于沥青与集料粘 附性的认识不断深入，运用表面能理论分析评价沥青与集料粘附性在工程领域方 面也会同渐趋多。 3 3 基于表面能理论的粘附性评价方法 表面能评价方法是基于表面能理论的一种沥青与集料粘附性的评价方法。该 方法是建立在表面物理化学和界面理论基础之上，通过对材料的现场取样和实验 基于表面能理论的沥青与集料粘附性研究 室较为精确的测算，计算获得沥青的表面张力值以及沥青与集料的粘附功，可用 于沥青与集料之间的配伍性选择，沥青与集料之间的粘附性评价。由于尽可能的 减少了主观因素的影响，这种方法能对工程实践起到比较好的指导作用。 基于表面能理论的粘附性评价方法首先采用表面张力分量法测算出沥青的表 面张力，再测量沥青与集料之间的接触角计算出两者之间的粘附功，并用粘附功 及沥青、水与集料的接触角之差来表征粘附性。沥青与集料之间的接触角，能够 反映出沥青与集料之问的润湿程度，而沥青、水与集料之间的接触角差可以表征 沥青与集料的水稳定性，并结合现行规范中的水煮法试验，定量的分析沥青与集 料的粘附能力，对沥青混合料设计中的材料选择和初步预测沥青混合料的水稳定 性都具有一定的意义。 3 3 1 表面能评价方法的试验设计 试验需要测算沥青的表面张力，沥青、水与集料之间的接触角。能否比较准 确和快速的获得试验数据以及能否利用较为真实客观反映沥青表面张力和粘附功 的计算方法和公式对于整个试验的成功性具有决定性意义。接触角测量方法采用 液滴法，并采用接触角测量仪设备测量接触角，只有获得比较准确的接触角数据， 才能为相关的计算保证其有效性。 沥青表面张力的计算采用式( 3 1 1 ) ，通过三种已知表面能分量的液体经过试 验和计算可以测得沥青的表面张力。沥青和集料之间的粘附功计算采用式( 3 3 2 ) 。 集料属于高表面能的材料，其表面具有很强的吸附能力以降低其表面自由能，即 膜压，也称为平衡扩展压。表面能法的测量是在开放的环境中进行的，存在着集 料表面与空气中的水分子和空气中的杂质分子接触，会降低集料的表面自由能， 使得表面能法测量的结果远低于吸附法和微量热计法测得的结果，但对于在相同 条件下的测量，仍然可以使用式( 3 3 2 ) 计算粘附功进行横向对比。 沥青与集料的粘附功的测算只能表明两者之间在干燥状态的粘附情况，对于 两者在有水存在的情况下的水稳定性，则通过水与沥青在集料上的接触角差值来 表征，接触角差值大则表明这种组合的水稳定性好，差值小则表明这种组合的水 稳定性差。选择较好的沥青一集料组合应该是指粘附功较大，接触角差值较大的 组合，且该组合应该满足规范中原材料各项指标要求，其沥青混合料满足规范中 浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验要求。 3 3 2 原材料试验及试件的制备 本试验所用的沥青分别是7 0 号道路石油沥青( a 级) 和s b s 改性沥青。所 用沥青均为施工现场取样，并为保证本试验的质量，同是也为了更好的研究不同 沥青混合料水稳定性的影响，对所采用的两种沥青分别进行了各主要指标的测试， 检查各项指标的是否达到公路沥青路面施工技术规范( j t g f 4 0 2 0 0 4 ) 规定的 硕 = 学位论文 要求。经检查，所用的两种沥青各项数据均符合规范要求，具体情况如下表。 表3 27 0 号道路石油沥青检测结果表 表3 3s b s 改性沥青检测结果表 3 3 基于表面能理论的沥青与集料粘附性研究 试验所用的集料分别为花岗岩、玄武岩及石灰岩，是目前公路工程建设中常 用的岩石种类。对于使用同种沥青，不同的集料性质对沥青混合料的粘附性有比 较大的影响。首先，从三种岩石的酸碱性看，三者的碱性程度依次为石灰岩、玄 武岩、花岗岩，就工程经验而言，三者与沥青的粘附性好坏大体也是这个排序。 为保证本试验的可靠性，对试验所用的三种集料分别进行了主要指标的测试，以 检验是否达到公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 规定的要求。各指 标的测定按照公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 2 0 0 5 ) 洲的要求及步骤进行测 验。试