基于表面能理论的沥青-集料体系的粘附特性研究
2014-09-17陈燕娟高建明陈华鑫
陈燕娟 高建明 陈华鑫
(1东南大学材料科学与工程学院,南京 211189)(2东南大学江苏省土木工程材料重点实验室,南京 211189)(3长安大学材料科学与工程学院,西安 710061)
基于表面能理论的沥青-集料体系的粘附特性研究
陈燕娟1,2高建明1,2陈华鑫3
(1东南大学材料科学与工程学院,南京 211189)
(2东南大学江苏省土木工程材料重点实验室,南京 211189)
(3长安大学材料科学与工程学院,西安 710061)
摘 要:基于表面自由能理论,采用接触角法测定2种沥青与4种集料的表面自由能参数,分别计算出各种沥青-集料体系的粘附功和剥落功,以表征沥青-集料体系的粘附性优劣;并采用冻融劈裂试验进行验证.结果表明:石灰岩集料与SK70改性沥青的粘附功最大,剥落功最小;花岗岩集料与SK基质沥青的粘附功最小,剥落功最大.此外,剥落功表征的沥青-集料体系的粘附性能与冻融劈裂试验表征的粘附性能基本一致;且沥青-集料体系的剥落功更能直观地定量评价沥青-集料体系的粘附性能.
关键词:道路工程;表面自由能;接触角法;黏附功;剥落功
水损害已成为高速公路沥青面层一种最常见的破坏形式,严重影响了行车安全以及舒适性.水损害的本质是沥青与集料之间的黏结性降低甚至丧失,最终造成沥青膜逐渐从矿料表面剥离.目前,评价水损害的方法主要分为定性方法和定量方法两大类.定性方法主要有水煮法等,操作简单易行,但受主观影响较大;定量方法主要包括冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验和浸水车辙试验等,但这些方法都是间接方法,现场再现性差、理论依据不充分.因此,有必要探求一种理论依据较充分、更接近实际使用状况的水损害评价方法.
近年来,国内外越来越多的学者用沥青、集料的表面自由能来表征沥青与集料间的黏附性[1-3].本文以表面自由能为依据,从更为接近水损害本质的黏附性角度出发,采用接触角法,测定沥青与集料的表面参数,计算沥青-集料体系的黏附功和剥落功,以衡量沥青-集料体系的黏附性能和抗水损害性能.
1 理论分析
1.1 沥青与集料的黏附功
当沥青与集料进行热拌合时,等效为液体对固体的润湿作用,固液之间形成界面层,液体与固体之间存在接触角,并处于固、液、气三相平衡状态.通过测量接触角以及沥青的表面能即可计算沥青与集料之间的黏附功.
当沥青裹覆集料并处于固、液、气三相平衡时,由于沥青膜的吸附作用使固体的表面张力降低,降低量为 πe[4],即
式中,γsv为处于三相平衡状态时的固-气界面张力;γs为固体在真空状态下假想的界面张力,且固体与自身蒸气平衡的界面张力γso接近于γs,即
Young方程[5]描述了固、液、气三相各界面表面能之间的关系,即
式中,γsl,γlv分别表示处于三相平衡状态时固-液界面张力和液-气界面张力;θ为在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角.
将式(3)代入式(2)可得
由于沥青、集料属于低表面能物质[6],πe可以忽略不计.此时Young方程可以简化为
由于黏附功可表示为[4]
将式(4)代入式(6),可得
因πe可忽略,则
将沥青与集料的接触角和沥青的表面自由能(表面张力)代入式(8),即可计算沥青与集料之间的黏附功.将沥青在空气中的界面张力γlv简化为沥青的界面张力γl,将沥青-集料系统在空气中的黏附功Wslv简化为沥青-集料系统的黏附功Wsl,即
同理,可分别推导出沥青与水、集料与水、沥青与集料的黏附功Waw,Wsw和Was.
1.2 沥青与集料的剥落功
水的表面自由能大于沥青的表面自由能,一旦水与集料接触,便吸附在集料上,使沥青不断地从集料表面剥落.因此,沥青路面在雨水的浸泡和行车荷载的反复作用下,水分逐渐渗透沥青膜和空隙,使沥青从集料表面脱落,从而造成水损害.这一过程可以看作是黏附的逆过程——剥落过程[7].即由原先的沥青-集料体系变成沥青-水和集料-水2个体系,用公式表示为
将式(9)代入式(10)可得剥落功计算式为
式中,γw,γa分别为水、沥青的界面张力;θ1,θ2,θ3分别为水与沥青、水与集料、沥青与集料的接触角.
1.3 沥青的表面自由能
表面张力可以分解成各种分子间作用力的分量,包括非极性力分量γd(伦敦色散力)和极性力分量γp(偶极作用力、诱导力、氢键),其表达式为[8-10]
式中,上标d和p分别表示表面能的色散分量和极性分量;γ0s为固体在真空中的比表面能.结合Young方程
2 原材料与试验
2.1 原材料及其性能
本文选用4种集料(分别为花岗岩、辉长岩、粗闪长岩、石灰岩)的化学成分和2种沥青(SK70#基质沥青和添加抗剥落剂的SK70#改性沥青)的性能指标分别如表1、表2所示.测试材料选取3种不溶于沥青的测试液体(蒸馏水、丙三醇和甲酰胺[12]),其表面自由能及其分量从《物理学常用数表》[13]中查得,如表 3所示,测试温度为室温(25℃).
按常规酸碱性集料分类方法,二氧化硅质量分数小于52%的为碱性集料,52% ~65%的为中性集料,大于65%的为酸性集料.可见石灰岩与辉长岩为碱性集料,粗闪长岩为中性集料,花岗岩为酸性集料.
表1 不同集料的化学成分 %
表2 沥青技术性能指标
表3 3种试剂的表面自由能及分量 mJ/m2
2.2 原材料表面参数试验
本试验采用KRUSS的DSA1接触角测试仪测定3种测试液体在沥青表面的接触角,测试结果如表4所示,测试温度为室温(25℃).
利用接触角测试仪测出160℃时沥青(沥青混合料的拌合温度为160℃左右)在打磨平整的集料(集料彻底清洗,并在130℃的烘箱中充分烘干)表面的接触角,以及蒸馏水在集料表面上的接触角(室温下测得),测试结果如表5所示.
3 试验结果与分析
3.1 沥青表面自由能的计算
表4 沥青与测试试剂的接触角 (°)
表5 沥青在集料上的接触角 (°)
表6 y与x关系表
作x关于y的散点图,并进行线性拟合,若得到的曲线不呈线性关系,说明测试的接触角不够准确,需要重新进行测试[13].
图1中拟合直线斜率的平方为沥青表面能的极性分量γps,截距的平方为沥青表面能的色散分量γds.由此可以得出2种沥青的表面能及其分量,如表7所示.
图1 沥青的表面自由能分量
表7 沥青的表面能及其分量 mJ/m2
由表7可知,无论基质沥青还是改性沥青,沥青表面自由能中的色散分量都显著大于极性分量;添加抗剥落剂改性后,沥青的表面能有所增加,主要表现为沥青表面张力中极性分量的增加.
3.2 沥青-集料黏附功的计算
将已经计算出的沥青表面自由能和已经测出的沥青在集料表面的接触角(见表5)代入式(9),计算出沥青与集料的黏附功,结果如表8所示.
表8 沥青在集料表面的黏附功 mJ/m2
由表8结合表1可以看出,二氧化硅含量最低的石灰岩,其与沥青的黏附功最大高达96.728 mJ/m2;其次是粗闪长岩和辉长岩;二氧化硅含量最高的花岗岩与沥青的黏附功最小,仅为79.680 mJ/m2.因此,随集料酸性成分的增加,集料与沥青的黏附功逐渐减少.而添加抗剥落剂改性后,沥青与集料的黏附功都呈现出不同程度的增加,说明抗剥落剂能较显著地改善沥青与集料的黏附性.
3.3 沥青-集料剥落功的计算
将已测出的沥青表面自由能,水与沥青的接触角(见表4),沥青、蒸馏水与集料的接触角(见表5),以及蒸馏水的表面自由能(由《物理学常用数表》查得25℃时,水的表面自由能为72.1 mJ/m2)代入式(11),计算出沥青与集料的剥落功,结果如表9所示.
表9 沥青在集料表面的剥落功 mJ/m2
由表9结合表1可以看出,二氧化硅含量最高的花岗岩,其与沥青的剥落功最大高达130.731 mJ/m2;其次是辉长岩、粗闪长岩;二氧化硅含量最低的石灰岩与沥青的剥落功最小,仅为92.827 mJ/m2.说明随集料酸性成分的增加,沥青与集料的剥落功呈现增加的趋势,而添加抗剥落剂改性后,沥青-集料体系的剥落功均有不同程度的减小.
4 沥青-集料体系的剥落功与水稳性之间的关系
剥落功表征的是有水存在的情况下水-集料-沥青3个体系的作用过程,而黏附功只表征沥青与集料在干燥无水的状态下黏附力的大小.因此,剥落功更为接近水损害的本质,更能有效地表征水稳性的优劣.将上述各种沥青-集料体系之间的冻融劈裂试验结果(见表10)与表9进行对比分析,结果如图2所示.
表10 沥青与集料的冻融劈裂试验结果
图2 剥落功与冻融劈裂强度比(TSR)关系图
由图2可知,在同一沥青不同集料所组成的沥青-集料体系中,沥青混合料的冻融劈裂强度比(TSR)随体系剥落功的增加而减小,宏观上表现为沥青混合料的抗水损害能力减弱.其中,添加抗剥落剂的沥青-集料体系的TSR随剥落功的变化较未添加抗剥落剂的沥青-集料体系的敏感性小,表现为曲线斜率更大.对同一沥青而言,剥落功的大小体现了沥青混合料抗冻融损害性能的优劣.
5 结论
1)添加抗剥落剂改性后沥青的表面自由能较改性前有所增加,原因在于表面自由能中的极性分量增加较多.
2)对同一种集料而言,改性沥青与集料的黏附功要大于基质沥青的黏附功;对于同一种沥青而言,各种集料的黏附功为:石灰岩>粗闪长岩>辉长岩>花岗岩.
3)同种沥青之间,集料的剥落功为:石灰岩<粗闪长岩<辉长岩<花岗岩,即酸性集料的剥落功要大于碱性集料的剥落功.对同一种酸性集料而言,添加抗剥落剂改性后沥青的剥落功小于未添加抗剥落剂改性沥青的剥落功.
4)剥落功表征的沥青混合料的水稳性优劣,与冻融劈裂试验的试验结果(TSR)表征的同一种沥青混合料的水稳定性基本一致.
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Research on adhesion in asphalt-aggregate systems based on surface energy theory
Chen Yanjuan1,2Gao Jianming1,2Chen Huaxin3
(1School of Materials Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China)
(2Key Laboratory of Civil Engineering Materials of Jiangsu Province,Southeast University,Nanjing 211189,China)
(3School of Materials Science and Engineering,Chang'an University,Xi'an 710061,China)
Abstract:Based on the surface energy theory,surface energy parameters of two kinds of asphalt and four kinds of aggregate were obtained by a static contact angle method,and the adhesive work and the exfoliated work of different asphalt-aggregate systems were calculated to determine whether the adhesion between different asphalt-aggregate systems was good or not.Meanwhile,a freeze-thaw splitting test was used for verification.The results suggest that in a modified asphalt-limestone system,it has the highest value of adhesive work and the lowest exfoliated work.As for the asphaltgranite system,the results are the opposite compared to the asphalt-limestone system.In addition,the adhesion between different asphalt-aggregate systems characterized by the exfoliated work is consistent with the results of the freeze-thaw splitting test;therefore,exfoliated work can characterize the adhesion between different asphalt-aggregate systems more intuitively and quantitatively.
Key words:road engineering;surface energy;contact angle method;adhesion;exfoliated work
中图分类号:U214.103
A
1001-0505(2014)01-0183-05
doi:10.3969/j.issn.1001 -0505.2014.01.033
收稿日期:2013-05-30.
陈燕娟(1986—),女,博士生;高建明(联系人),男,博士,教授,博士生导师,101000879@seu.edu.cn.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51278096).
陈燕娟,高建明,陈华鑫.基于表面能理论的沥青集料体系的黏附特性[J].东南大学学报:自然科学版,2014,44(1):183-187.[doi:10.3969/j.issn.1001 -0505.2014.01.033]