基于表面能理论的破碎砾石沥青混合料水稳定性定量分析

邓 冲，罗 蓉，张德润

(1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089；2.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引言

砾石是一种典型酸性石料，主要成分二氧化硅的含量超过了65%，其与沥青的黏附性能较差，但是它具有耐磨耗性能强、石质坚硬、致密等优点，能使集料之间的骨架嵌挤作用得到充分发挥，满足沥青路面强度、抗滑、耐磨耗等功能性要求[1-2]。若能通过合理的技术方法改善砾石与沥青之间的黏附性，提高破碎砾石沥青混合料的水稳定性能，结合其显著的价格优势，其极有可能成为理想的筑路材料，在保证沥青路面路用性能的同时，降低公路工程长期以来对碱性集料资源的依赖，节省大量工程建设成本，从而实现工程建设的经济性。

掺加抗剥落剂是目前国内道路工程界改善酸性石料与沥青黏附性能最常用的方法之一，常用的做法是运用水煮法评定抗剥落剂掺加前后沥青与酸性集料的黏附性等级，从而评价抗剥落剂对酸性石料黏附性能的改善效果，并且抗剥落剂的最佳掺量的确定方法，大多数是通过集料与沥青黏附性等级提升幅度、沥青混合料马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强度比等水稳定性指标变化确定或直接经验性的推荐[3-6]。其操作简单，快速便捷，但是水煮法以肉眼评判为主，人为主观性强，且仅限于定性评价，同时现有的水稳定性指标均是从宏观路用性能出发，并未涉及沥青混合料微观介质界面黏附机理[7-10]。鉴于此，针对破碎砾石这种典型酸性石料，本研究采用表面能测试技术，从沥青与集料黏附的微观形成机理出发，定量分析抗剥落剂对破碎砾石与沥青之间的黏附性影响并推荐最佳的抗剥落剂掺量，并且进行宏观路用性能试验辅以验证，以期为破碎砾石等酸性石料沥青混合料的水稳定性评价提供一条新的思路与方法。

1 道路材料的表面能基本理论

1.1 表面能定义及基本参数

在保持恒定温度、压力与组成不变时，每当增加单位表面积时，吉布斯自由能(Gibbs Free Energy)的增加值即为材料的表面自由能(简称“表面能”)，材料的表面能通常采用γ表示，单位为ergs/cm2。材料的表面能由两个基本分量组成[11-12]，即极性的路易斯酸碱分量(Lewis Acid-Base，γAB)与非极性的范德华色散分量(Lifshitz Van der Walls，γLW)。其中，γAB又包含路易斯酸分量(电子受体分量，γ+)和路易斯碱分量(电子供体分量，γ-)。γLW,γ+,γ-共同构成了材料表面能的3个基本参数，其表达式如下所示：

(1)

1.2 道路材料的表面能评价体系

1.2.1 多相材料结合能运算法则

将表面能理论运用至道路工程领域，对于沥青单相材料、沥青-集料两相材料、沥青-集料-水三相材料的结合能及其分量的计算公式分别如下式所示[13-15]：

沥青单相：

(2)

沥青-集料两相：

(3)

沥青-集料-水三相：

(4)

1.2.2 沥青混合料水稳定性的表面能评价指标

(5)

通常沥青润湿集料表面是沥青与集料黏附的前提，因此更高润湿性能的沥青与同种集料之间能够产生更好的黏附性能，这一特性可采用润湿系数S表征[17]：

S=γs-γls-γl。

(6)

另一方面，沥青对集料的润湿本质是沥青自身内聚性能与沥青-集料界面黏附性能两者之间的平衡，故需考虑沥青自身的内聚性能，并且运用式(7)进一步评价沥青与集料组合的水稳定性[18-19]：

(7)

综上所述，将应用表面能体系评价沥青混合料水稳定性的指标汇总于表1。

表1 沥青混合料水稳定性的表面能评价指标Tab.1 Surface energy evaluation indicators of water stability of asphalt mixture

由表1可以看出，3种表面能指标均可用于定量评价沥青混合料的水稳定性能，故可以运用这些指标定量研究抗剥落剂对破碎砾石沥青混合料的水稳定性影响；同时结合表面能的基本运算法则可知，准确测试破碎砾石及掺加不同掺量抗剥落剂沥青的表面能3个基本参数是前提与基础。

2 破碎砾石及不同掺量抗剥落剂沥青的表面能参数测试

2.1 原材料

破碎砾石产自湖南岳阳长江一带河卵石，通过三级破碎加工而成，同时沥青选用道路石油基质70#沥青，对破碎砾石与沥青进行基本性能试验，试验结果如表2所示。

表2 破碎砾石及沥青基本材料指标Tab.2 Indicators of crushed gravel and basic asphalt material

图1 水煮后破碎砾石表面沥青严重剥离Fig.1 Severely stripped asphalt on surface of crushed gravel after boiling

由表2中试验结果可知，本研究采用的破碎砾石的压碎值、磨耗值、针片状等基本性能指标均完全满足规范要求，且性能十分优异，但其与沥青的黏附性能(2级)远低于沥青路面的技术要求，因此本研究采用掺加非胺类AMR(II型)沥青抗剥落剂用来改善沥青与集料的黏附性能。抗剥落剂的基本性能指标如表3所示。

2.2 蒸气吸附法测试破碎砾石表面能参数

蒸气吸附法因其充分考虑了集料的形状特征、表面纹理、棱角性等表观特性，所以被认为是目前测试集料表面能参数最为准确的试验方法[13]。它的基本原理是由向盛有集料试样的密封腔体内分别逐阶通入3种已知表面能参数的测试试剂蒸气(蒸馏水、2-戊酮、甲苯)直到趋近饱和蒸气压p0，通过拟合并绘出集料对3种测试试剂蒸气的吸附等温线n，然后计算集料对3种测试试剂的表面扩散压力πe，最后由式(8)建立方程组解得集料试样的3个表面能基本参数。

表3 非胺类AMR(II型)沥青抗剥落剂性能指标Tab.3 Performance indicators of non-amine AMR (type II) asphalt anti-stripping agent

(8)

采用蒸气吸附法测试破碎砾石样品在20 ℃条件下的表面能参数，每组试验重复测试3次，3种测试试剂的表面能参数如表4所示，由式(8)得到的破碎砾石表面能参数列于表5中，从表5中表面能参数分布情况可知破碎砾石的表面能参数由极性碱分量γ-主导。

表4 测试试剂的表面能参数Tab.4 Surface energy parameters of test reagent

表5 破碎砾石的表面能参数测试结果Tab.5 Test result of surface energy parameters of crushed gravel

2.3 插板法测试不同掺量抗剥落剂沥青的表面能参数

为研究抗剥落剂对破碎砾石与沥青之间黏附性的影响，同时确定抗剥落剂的最佳掺量，将抗剥落剂分别以0%(未掺)，0.2%，0.4%，0.6%，这4种不同掺量掺入基质70#沥青中制备而成抗剥落剂改性沥青。

本研究采用全自动表面张力仪，由插板法测试不同掺量抗剥落剂改性沥青的表面能参数，其采用的基本原理为接触角理论[14]，即制备涂膜玻片，通过物理力学平衡原理测试涂膜玻片浸入测试试剂过程中形成的稳定接触角θ(如图2所示)，然后通过Young-Dupre方程联立方程组解得沥青的表面能基本参数[15]。

(9)

图2 插板法测试原理示意图Fig.2 Schematic diagram of test principle of Wilhelmy plate method

采用这一试验方法测试20 ℃、不同抗剥落剂掺量改性沥青的表面能参数，为减小试验过程中的人为操作等引起的误差，选取4种已知表面能参数的试剂作为测试试剂(蒸馏水、甲酰胺、乙二醇、丙三醇)，每组试验重复测试5次，然后通过超静定方程组求解沥青的3个表面能基本参数。测试得到的稳定接触角如表6所示，方程组求解得到的不同掺量抗剥落剂改性沥青的表面能参数如表7所示。

从表6、表7中可以看出：掺加抗剥落剂后，接触角θ随掺量增加而呈现逐渐增大趋势，沥青的γLW及γ-显著降低，γ+则呈现基本增大的趋势，总的表面能γ随掺量的增加逐渐减小。结果表明：抗剥落剂的掺加会降低沥青的表面能，进而增加沥青对集料的润湿性。

表6 不同掺量抗剥落剂改性沥青的接触角试验结果Tab.6 Test result of contact angle of modified asphalt with different contents of anti-stripping agent

表7 不同掺量抗剥落剂改性沥青的表面能试验结果Tab.7 Test result of surface energy of modified asphalt with different dosages of anti-stripping agent

3 破碎砾石沥青混合料水稳定性定量分析

结合表5、表7测试得到的破碎砾石及沥青的表面能参数，运用公式(2)～(4)分别计算得到沥青自身的内聚能以及沥青-集料组合在无水及有水条件下的结合能，继续运用公式(5)～(7)计算可得破碎砾石沥青混合料的水稳定性表面能评价指标，将计算结果汇总如表8所示，并绘制相应曲线如图3、图4所示。

表8 破碎砾石沥青混合料的结合能及水稳定性的表面能评价指标计算结果Tab.8 Calculation result of binding energy of crushed gravel asphalt mixture and surface energy of water stability

图3 破碎砾石沥青混合料结合能随掺量变化的关系图Fig.3 Relationship between binding energy of crushed gravel asphalt mixture and dosage

图4 破碎砾石沥青混合料水稳定性指标随掺量变化的关系图Fig.4 Relationship between water stability indicators of crushed gravel asphalt mixture and dosage

从图3中可以看出：随着抗剥落剂掺量的不断增加，沥青自身的内聚能逐渐降低，沥青与破碎砾石在无水及有水状态下的结合能不断增大，并且在掺量为0.4%时达到峰值。这表明抗剥落剂掺量为0.4%时，沥青与破碎砾石之间的黏附性能最佳，且水对破碎砾石沥青混合料产生的剥离程度最小。

从图4中同样可以得到：各表面能的水稳定性指标与润湿系数都随抗剥落剂掺量的增加而呈逐渐增大趋势，且在掺量为0.4%时达到峰值，说明综合考虑沥青与破碎砾石界面的黏附性能及抗剥落性能以及沥青自身的内聚性，沥青抗剥落剂的最佳掺量为0.4%，且不同掺量抗剥落剂破碎砾石沥青混合料的水稳定性排序为：0.4%掺量>0.6%掺量>0.2%掺量>0%掺量。

同时结合沥青与破碎砾石自身的表面能分布以及沥青对破碎砾石的润湿系数变化规律，可以推断出，掺加抗剥落剂对破碎砾石与沥青的黏附性改善的微观机理主要体现为：

(2)在降低沥青表面能的非极性分量γLW的同时显著提高其极性酸分量γ+，与以碱分量γ-为主的破碎砾石形成互补，黏附结合能非极性分量小幅降低的同时极性分量得到大幅提高，沥青与破碎砾石的黏附结合性能总体增大。

4 破碎砾石沥青混合料水稳定性试验验证

为进一步验证本研究提出的表面能评价指标的可靠性，采用规范中推荐的试验方法进行对应不同抗剥落剂掺量的破碎砾石沥青混合料水稳定性试验。

4.1 试验方案

试验采用的粗集料及细集料均为破碎砾石，矿粉采用石灰岩矿粉，采用的沥青及抗剥落剂与上文相同，选用的级配类型为AC-20C，本研究选用的矿料级配曲线如图5所示，确定的最佳油石比为4.0%。

图5 试验选用的级配曲线Fig.5 Gradation curves selected for test

试验严格控制破碎砾石材料、级配、油石比等始终保持一致，进行抗剥落剂掺量分别为0%，0.2%，0.4%，0.6%的破碎砾石沥青混合料马歇尔试验，具体试验方案如表9所示。

表9 破碎砾石沥青混合料的试验方案Tab.9 Test scheme of crushed gravel asphalt mixture

其中，为了更有效反映破碎砾石沥青混合料的抗水侵蚀能力，本研究除了进行常规的浸水马歇尔试验方案，还增加了真空饱水马歇尔试验项目。

4.2 试验结果分析

将对应于表9中各试验方案得到的测试结果汇总于表10中。将各指标随抗剥落剂掺量的变化关系绘制如图6所示。

从图6中可以看出：破碎砾石沥青混合料的浸水残留稳定度、真空饱水浸水残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比排序为：0.4%掺量>0.6%掺量>0.2%掺量>0%掺量，这与表面能计算推导得出的排序结果一致，因此验证了本研究提出的水稳定性的表面能评价指标的可靠性。

表10 破碎砾石沥青混合料的水稳定性指标试验结果Tab.10 Test result of water stability indicators of crushed gravel asphalt mixture

图6 破碎砾石沥青混合料水稳定性指标试验结果Fig.6 Test result of water stability indicators of crushed gravel asphalt mixture

5 结论

(1)采用蒸气吸附法测试了破碎砾石的表面能参数，从表面能的分布情况来看破碎砾石的表面能参数以极性碱分量γ-主导；

(2)采用插板法测试了4种不同抗剥落剂掺量的沥青表面能参数，掺入抗剥落剂后，沥青的γLW及γ-显著降低，γ+呈现基本增大的趋势，总的表面能γ随掺量的增加逐渐减小，由此可知，抗剥落剂的掺加会降低沥青的表面能，进而增加沥青对集料的润湿性。

(3)通过沥青与破碎砾石自身的表面能分布以及沥青对破碎砾石的润湿系数变化，可以推断出，掺加抗剥落剂对破碎砾石与沥青之间的黏附性改善主要体现在降低沥青自身的内聚能，进而增加其对集料的润湿性，以及提高沥青的表面能酸分量γ+进而增加其与集料的黏附结合能两个方面。

(4)通过计算破碎砾石沥青混合料的结合能以及表面能的水稳定性评价指标，然后进行沥青混合料水稳定性试验验证，可得出破碎砾石沥青混合料水稳定性的微观表面能评价指标与宏观性能试验指标的排序相同，由此论证了表面能体系用于破碎砾石沥青混合料水稳定性定量分析的准确性。