温拌再生沥青混合料体系粘结特性研究

摘 要：为研究温拌再生过程中不同粘结体系的强度，依据表面自由能理论，计算不同体系的破坏比表面自由能，分析再生混合料中不同条件下的粘结强度变化情况。研究结果显示：再生沥青混合料中存在三类粘结破坏形式;沥青的表面能主要由色散分量组成，沥青老化或加入温拌剂后，均使酸碱作用力发生变化;无水条件下的粘结破坏需要能量作用，而浸水条件则会使再生沥青混合料的破坏变为自发进行;温拌再生条件下，混合料水稳定性的降低主要是由于沥青老化后，与集料粘附能力的降低。

关键词：道路工程;温拌再生沥青混合料;粘附作用;水稳定性

沥青路面本质上是粘结材料组成的柔性层状体系，其强度主要来源于材料所具有的抗剪强度，该强度可以用库伦方程来表达，其中：为集料颗粒间挤嵌形成的内摩擦角，为正应力，c为沥青提供的粘聚力，沥青所具有的粘聚力不仅对混合料强度的形成有着重要影响，还在沥青路面抗水损坏中起着重要的作用。参考沥青再生理论，沥青混合料的再生过程中，混合料内部粘附界面增多，除新拌沥青混合料中存在的新沥青-集料粘附界面外，还增加了多种类型的老化沥青粘附界面，且界面的强度形成主要依靠沥青之间的粘附效应，这些界面在研究中往往被认为结合能力较弱，易发生剥离，直接影响到了再生路面材料的抗水损害能力，尤其在温拌条件下，RAP表面的老化沥青在拌合过程中几乎没有脱离集料，同时，较低的温度条件减弱了新-旧沥青间的融合，形成了明显的应力集中界面[1]-[2][3]。国内外学者通过研究沥青与矿物集料粘附的发生原因和过程，认为沥青-集料的粘附力主要由机械结合力、物理吸附力、化学键结合力构成[4]，物理吸附力主要包括范德华力和氢键，其形成原因可以用表面自由能原理解释，沥青和集料表面均存在不饱和立场，对其他物质具有自发的吸附特征，将沥青与集料混合以后，沥青可以紧密的吸附于集料表面。当沥青中的酸性成分与集料中的碱性成分发生化学反应时，会产生化学键结合力，化学键结合力相对于范德华力和氢键具有能高的强度和耐久性。

再生沥青混合料内的沥青可依据粘附形式分为结构沥青及自由沥青，结构沥青通过润湿及吸附作用粘附在集料表面，自由沥青则与集料不发生任何物理化学反应，仅裹附在结构沥青外层。再生沥青混合料体系中的粘结破坏可以视为粘附作用的逆过程，当破坏发生于结构沥青与集料之间或新-旧沥青界面，则认为是粘附性破坏;发生于自由沥青内部，则认为是粘聚性破坏。

沥青的表面自由能由色散分量与极性分量组成，其中色散分量占主要部分。对比温拌沥青与基质沥青的表面能可知，加入温拌剂后，沥青的表面自由能、色散分量、极性分量降低，Lewis酸（）分量降低，Lewis碱（）分量增大。对比老化沥青、基质沥青的表面自由能分量可知，沥青老化后整体的表面自由能降低，色散分量所占比例增大，极性分量比例降低。这是因为老化改变了沥青的化学组成，轻质组分（芳香分、饱和分）的比例降低沥青质和胶质增多。相关研究表明，沥青的表面自由能与饱和分、芳香分、沥青质和蜡含量呈负相关，与胶质含量呈正相关，与沥青中C、H、O、N、S等非金属元素的含量具有较好的二次方程关系，与Ni、V、Fe等金属元素含量的相关性不显著，沥青老化后表面自由能降低[5]。

沥青与石灰岩在无水条件下发生粘附性破坏时的比表面自由能均大于零，破坏后体系的表面能增大。表明该破坏过程从外界吸收了能量，根据表面能原理，该破坏过程不能自发进行，沥青石灰岩集料均能够形成良好的粘附效果。通过分析有水条件下沥青-集料体系的粘附性破坏可知：破坏过程的比表面自由能均小于零，表明有水条件下沥青会自发的从集料表面剥落。并且，比表面自由能极性分量大于色散分量，说明水侵入粘附体系后，主要通过降低沥青-集料粘附体系的化学吸附能实现沥青与集料的剥离。

结论

通过分析再生沥青混合料中沥青与集料的粘结特征，认为再生沥青混合料中存在如下粘附形式：新沥青-集料、旧沥青-集料、新沥青-旧沥青。同时，沥青混合料的粘结破坏可以分为沥青-沥青之间的粘聚破坏，沥青-集料、新、旧沥青之间的粘附破坏;

沥青的表面能主要由色散分量组成，沥青老化或加入温拌剂后，均使Lewis碱分量增大，Lewis酸分量降低;

在无水条件下，粘附与粘聚破坏需要在能量的作用下才能发生;当有水侵入时，再生混合料体系中的粘附与粘聚破坏则会自发进行;

温拌再生条件下，新沥青与旧沥青之间的结合面通常不产生破坏，水稳定性的降低应主要由于RAP中沥青-集料粘附性能的劣化，易出现剥蚀破坏，导致了温拌再生混合料相比新拌混合料的水稳定性降低。

参考文献

[1]陈辉强，郭鹏，郑智能，王威娜.界面作用下温拌再生混合料设计方法及其水稳性研究[J].公路，2016，61（12）：7-11.

[2]张德鹏，徐金枝，郝培文，Benjamin F.Bowers， Baoshan Huang， Xiang Shu， Brad C.Miller.基于GPC和FTIR的再生混合料新旧沥青融合程度研究[J].中外公路，2016，36（06）：214-219.

[3]李琳，尹玉霞.高比例RAP掺量热再生SMA混合料新旧料融合性及工厂化生产参数研究[J].公路工程，2016，41（04）：232-236+260.

[4]郝培文，张肖宁.沥青与沥青混合料[M].北京：人民交通出版社，2009.

[5]魏建明.沥青，集料的表面自由能及水分在沥青中的扩散研究[D].山东：中国石油大学，2008.

作者簡介

李韦剑（1994-），男，壮族，云南昆明人，工学硕士在读，主要从事环保型筑路材料的研发与应用方面研究。