利用表面自由能法对添加消石灰的WMA水稳定性的研究

韦琴

（四川交通职业技术学院，四川 成都 611130）

0 引言

温拌沥青混合料（WMA）技术由于具有节能环保等优点已经被广泛应用。但是WMA的拌合温度较低水汽没有充分释放，所以水稳定性较差[1]。在WMA中添加熟石灰可以改善混合料的粘结性和抗水损害性能[2]。然而，尽管已经有一些关于熟石灰对WMA的影响的研究报道，但是仍没完全揭示消石灰对WMA影响的机理。

由于缺乏统一的测试方法来评估水损害，而且传统的实验室测试与现场状况缺乏关联性，所以研究大都集中在测量不同沥青结合料和集料的表面能[3]。根据热力学理论，表面自由能（SFE）的热力学变化与两个因素有关:沥青与集料之间的界面断裂和结合键的断裂。因此，通过估算沥青与集料的表面自由能来计算附着力和粘聚力的作用比较合理。

在研究中，通过表面自由能法对消石灰对温拌沥青混合料抗水损坏的机理进行了研究。实验采用了两种类型的集料和两种类型的温拌剂确定了集料的表面自由能。研究了集料、沥青结合料和抗剥落剂系统对WMA的抗水损害性能影响，研究了熟石灰对温拌沥青混合料抗水损害作用机制。

1 试验

1.1 实验材料

实验采用石灰岩和花岗岩两种类型的集料。集料级配采用公称最大粒径为13.2mm的密级配集料。沥青采用70号沥青，温拌剂采用Asphamin[4-5]。

消石灰比其他抗剥落剂的性能更好，因而得到了广泛应用。该实验在混合料中添加石灰浆来提高混合料的抗水损害性能。经过初步测试确定了消石灰的最佳含量。根据JTG E20-2011规范[6]对样品的水稳定性进行了试验分析。

1.2 样品制备与分析

1.2.1 混合设计

沥青混合料（密级配）的设计按照马歇尔法进行，根据《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004[7]，在圆柱形样品的每一侧击实75次。温拌沥青混合料的混合和压实温度为120～125℃。

1.2.2 LW-AB法表面自由能分析

沥青混合料的水稳定性和疲劳开裂性能可以通过附着力和粘聚力进行分析[8]，利用LW—AB法可以分析集料和沥青的界面在有水和无水情况下的表面自由能。

如公式①所示，对于任何一个相的总表面自由能可以由非极性的Lifshitz—van der waals作用分量γLW和极性分量γAB组成，而极性的酸碱作用分量γAB可以通过电子受体分量γ+和电子给体分量γ-的几何平均值来表示（公式②）。

①与②同Young方程结合可以得到公式③[9]，由式③可以看出它包含3个未知数，分别为所以固体表面张力分量可以通过测量3种已知表面张力分量的液体在其表面的接触角计算得到。

2 结果讨论

2.1 混合设计和熟石灰含量

通过混合设计试验确定石灰岩和花岗岩集料制成的样品中最佳沥青含量分别是5.3%和5.0%，混合设计没有添加任何抗剥落剂。经过对消石灰添加量的实验分析确定两种混合料中消石灰的最佳添加量分别为花岗岩和石灰岩重量的2%和1.5%。

2.2 表面自由能（SFE）

沥青的各表面自由能参量与用Wilhelmγ吊片法测定。表1列出了沥青总SFE和各分量的值。70号沥青的电子给体分量和电子受体分量分别为1.47和0.63 ergs/cm2。从表1的结果可以看出，两种温拌剂使γ+增加，使γ-降低。如果是酸性集料和酸性沥青，路易斯酸和碱的表面化学性质不利于它们粘结，所以酸性集料和酸性沥青之间很难获得良好的粘合效果。因此，改变酸性沥青和温拌剂的量都会影响WMA的水稳定性。此外，试验结果表明，虽然沥青总SFE较低，但添加温拌剂并没显著改变的沥青的总SFE。

表1 沥青的表面自由能参量

用吸附法对消石灰对集料SFE参量的影响进行了测定。结果列于表2中，从结果可以看出，添加熟石灰后，两种集料的γ+值都减小了，而γ-值却增大了。由于沥青是酸性的，集料SFE参量的变化可以提高沥青和集料之间的附着力。此外，消石灰使路易斯酸参量降低。石材表面的极性大小是二氧化硅含量多少的标志[10]，因此，降低集料极性将使集料表面水稳定性提高。对比这两种集料的测试结果，可以看出，消石灰对花岗岩的作用更有效。表2表明，石灰岩（149.65 ergs/cm2）的酸-碱（极性）SFE参量比花岗岩（354.91 ergs/cm2）要低得多。

表2 集料的表面自由能参量

添加熟石灰使两种类型集料的非极性SFE参量都增加了（表2），而熟石灰会降低两种集料的总SFE，总SFE降低可提高集料表面沥青的保水性。但是可以看出，花岗岩集料的总SFE从399.23 ergs/cm2显著下降至395.05 ergs/cm2，变化比石灰石集料更显著。

2.3 表面自由能参数分析

从表3中可以看出，沥青-集料结合键比水-集料结合键要弱得多，这是因为水的SFE比沥青的SFE高。沥青-集料-水的SFE为负值，说明该系统在热力学上是不稳定的。水和花岗岩集料之间的SFE比水和石灰岩集料的大。这说明花岗岩与水的亲和性比石灰石的要高。

表3 混合料的表面自由能

沥青-集料和水-集料之间表面自由能的不同会造成集料剥落。此外，在有水存在的情况下，这种差异会增大，集料剥落倾向也会增大[11-12]。未添加消石灰样品的α值比添加消石灰样品的α值高，说明消石灰的加入使α值降低了。这意味着如果发生剥落，则需要更多的能量，说明抗水损害的性能提高了。此外，干燥和饱水的条件下集料-沥青的界面自由能之间的差值等于发生剥落所释放的量。因而，较高的差值对应于体系的剥落趋势增大。表3中的结果表明，石灰岩混合料的α值比花岗岩的小，说明石灰岩混合料更能抗水损害。从表3的β值可以看出，在含有石灰岩和asphamin的混合料中使用消石灰可以减小沥青-集料分别在干燥和饱水状态下的界面自由能差值（β值）。这说明消石灰改性的混合料释放的能量较小，所以，这种混合料抗剥落性很好。

3 结论

（1）添加消石灰降低了两种集料的路易斯酸参量，增加了路易斯碱参量。这些集料表面自由能参量的变化使集料和沥青之间的附着力显著增大，使混合料抗水损害性增强。

（2）消石灰使集料的总SFE降低，这使集料表面沥青的保水性增强。此外，花岗岩集料总SFE的变化比石灰岩的总SFE比集料更显著。

（3）对于没有消石灰处理的样品，沥青-集料的SFE和水-集料的SFE之间的差值较大，而添加消石灰后这个差值变小了。这说明如果发生剥落现象，就需要更多的能量，即水损害率降低。

（4）使用消石灰使集料-沥青分别在干燥和饱水状态下界面SFE差值降低，因此消石灰改性的混合料释放的能量比其他混合料低，这会使剥落性降低。几种混合料中，含有石灰岩、asphamin和消石灰的混合料抗水损害性最好。

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