破碎砾石与沥青的黏附性能分析

王瑞林，周维锋，刘 伟

(山西省交通科学研究院 公路与交通工程研究所 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室,山西 太原 030006)



破碎砾石与沥青的黏附性能分析

王瑞林，周维锋，刘 伟

(山西省交通科学研究院 公路与交通工程研究所 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室,山西 太原 030006)

为有效利用新疆破碎砾石，通过对新疆破碎砾石黏附性试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验，研究了破碎砾石水稳定性评价方法；依据表面自由能理论，分析了破碎砾石、沥青、水之间黏结时自由能变化情况。结果表明:破碎砾石中黏附性能最差类型的集料可用于代表破碎砾石的总体黏附性能。根据表面自由能理论，运用自由能比值绝对值可有效定量分析破碎砾石、沥青、水之间黏结时自由能降低程度，提出了破碎砾石的自由能比值绝对值计算方法。

道路工程；沥青路面；破碎砾石；黏附性；水损坏；自由能比值绝对值

随着我国西部开发及新疆高速公路的大范围规划，公路用各种材料需求骤然增加。新疆的岩石类型主要有玄武岩、石英岩、辉绿岩和石灰岩等，以玄武岩为主。但玄武岩碎石的分布较为分散，运输成本远高于材料的价格，且运输时对沿线不同等级公路破坏非常严重。然而新疆分布着大量不同岩石类型的砾石，从破碎砾石岩石类型看，破碎砾石存在光滑面和部分砾石属于酸性石料，无法分离，导致实际应用中相对较少[1]。对于光滑面及抗水损坏性能来说,水是影响沥青路面水损坏的外在因素，沥青与矿料间黏附性不足是沥青从集料上剥落的内在因素。不同研究人员有从各种角度提高沥青与集料的黏附性,如对集料黏附性定量研究的基础上,制得优良的抗剥落剂[2-3]；运用表面能理论初步分析黏附性[4]，用浸水马歇和冻融劈裂试验后劈开试验[5-7]等。笔者旨在通过新疆某高速公路附近的破碎砾石进行试验，分破碎砾石与沥青的黏附性能及评价方法。

1 原材料

根据此破碎砾石的地矿报告，其中含51%玄武岩，40%石英岩，9%石灰岩，母材大部分为经过多年水流冲刷而成的玄武岩砾石和石英岩砾石。对于黏附性试验，随机选取10颗大于13.2 mm集料进行水煮法试验，最后取平均为试验结果。破碎砾石试验结果见表1。沥青选用克拉玛依90号A级道路石油沥青。新疆某公路所在地区为1-2-4区，从表1可以看出，此破碎砾石样品与沥青的黏附性可以达到新疆上面层、中面层和下面层黏附性等级要求，并具有很高的抗压强度和很好的耐磨性能。但对于酸性混合石料来说，两个光滑破碎面酸性岩石与沥青的黏附性更差。当有水存在时，由于沥青与矿料之间的界面张力总是大于矿料与水之间的界面张力[8]，沥青更容易脱落。所以，笔者为进一步评价含有1个或2个破碎面的石英岩的黏附性，通过挑选出石英岩进行黏附性试验，试验结果见表2。

表1 破碎砾石试验结果

表2 黏附性试验结果

从表2看出，运用石英岩破碎砾石进行黏附性试验时，黏附性不满足干旱地区要求。这也说明了破碎砾石没有得到大量应用的原因。

2 沥青混合料水稳定性

为定量评价破碎砾石抗水损坏性能，笔者通过冻融劈裂试验和马歇尔残留稳定度试验评价其水损坏性能。同时，选用添加消石灰的破碎砾石沥青混合料进行对比，分析抗水损坏性能的提高程度。

2.1 破碎砾石沥青混合料

粗集料选用10～20，5～10，3～5，0～3 mm的破碎砾石，矿粉采用石灰岩磨细矿粉，沥青采用克拉玛依90号A级普通沥青，混合料类型选AC-20混合料，级配设计见表3。通过混合料的马歇尔试验，沥青混合料的设计结果见表4。

表3 沥青混合料矿料级配设计值

表4 沥青混合料马歇尔试验结果

2.2 沥青混合料水稳定性试验

我国表征沥青混合料的水稳定性试验方法主要有冻融劈裂试验和马歇尔残留稳定度试验，其主要表征沥青混合料在有水作用下，对水剥落的抵抗能力。其试验结果见表5。

表5 不同混合料水稳定性试验结果

从表5可以看出，破碎砾石沥青混合料水稳定性不能满足技术要求，添加消石灰的混合料水稳定性相对不添加消石灰水稳定性提升明显。另外，破碎砾石的水稳定性评价指标中，黏附性满足要求，而浸水马歇尔残留稳定度不满足要求，主要原因为破碎砾石与沥青的黏附性只是一个定性评价标准，最终定量的评价标准还是依靠沥青混合料的冻融劈裂残留强度比及浸水马歇尔残留稳定度评价。沥青混合料的水损坏总是从最薄弱的环节开始，所以，运用黏附性来评价破碎砾石集料的抗剥落性能时，建议选用破碎砾石中黏附性最差集料代表破碎砾石的黏附性能。

3 表面自由能

3.1 沥青、矿料和水黏附时的自由能

从微观上来说，沥青与集料之间的润湿过程是固体液体体系Gibbs自由能减少的过程，水剥落沥青的过程表现为集料-沥青表面存在Gibbs自由能的进一步减少。液体与固体界面之间的润湿程度决定了液体与固体之间的黏附性能，即润湿越好，液体与固体表面的自由能越少，界面之间越稳定，黏附越好。液体完全润湿固体表面是形成液体与固体间高黏结强度的必要条件[9]。当沥青完全润湿集料时，系统处于一种相对稳定的状态，当有水存在时，水与集料之间的自由能更低，所以水很容易取代沥青与集料表面的黏结，整个过程是自发的向平衡方向移动，直到自由能达到最低状态。

根据表面能理论，沥青与集料的黏附功是沥青与矿料相接触而引起整个系统亥姆霍兹自由能减少的量[9]。无水状态时，沥青与集料黏附过程是由沥青与集料两相转化为沥青-集料相的过程，Gibbs自由能向减小的方向发展，自由能变化计算见式(1)[10]；有水状态时，水与集料结合时自由能下降更多，计算见式(2)[10]：

(1)

(2)

3.2 原材料表面能参数的测试

3.2.1 沥青表面能测试

溶剂在沥青表面的自重忽略不计，根据Young-Dupre公式，溶剂与沥青的表面能参数满足式(3)[11]：

(3)

笔者选用常见的几种溶剂测定沥青表面能参数，常见溶剂可通过查表法得出表面能参数值，由于乙醇测试沥青表面能参数时，乙醇与沥青接触角存在很大的随机性。所以选择的常见溶剂为蒸馏水、甘油、己烷。具体表面能参数见表6。

表6 常见溶剂的表面能参数

3.2.2 矿料表面能测试

柱状灯芯法选用washburn法，依式(4)测定及计算粉末状集料与已知液体的接触角，结合Young-Dupre公式，可以得出集料的表面能参数数值：

(4)

式中：h为浸渍高度；t为浸渍时间；γL液体的表面能；η液体的黏度；θ为矿料与液体的接触角；R为毛细管有效半径。

由于己烷为低表面能的溶剂，毛细管中上升速度过快，不易读准，笔者选用表6其他3种已知溶剂，测定集料(集料的表面能参数如表7)与溶剂的接触角，结果见表8，测试结果变异系数都在0.3%之内。

表7 集料的表面能参数

表8 集料的与已知溶剂的接触角

3.3 沥青、矿料和水黏附时的自由能变化计算

根据式(1)、式(2)对沥青与集料黏附过程，混合料水剥落过程的Gibbs自由能变化进行计算，计算结果见表9。

表9 无水与有水过程中沥青黏附与剥落过程Gibbs自由能变化

从表9可以看出，玄武岩、石英岩、石灰岩集料与水、沥青的作用过程Gibbs自由能都在降低，表明无水状态下，沥青与集料在黏附过程中释放能量，从而形成更加稳定的粘附体系；当水存在时，水-集料-沥青体系的自由能进一步下降，自发地形成更为稳定的3项体系。无水状态下，稳定状态排序为：石英岩<玄武岩<石灰岩；有水状态下，稳定状态排序为：石灰岩<玄武岩<石英岩。集料对亲油性来讲，石灰岩最强，石英岩最弱，集料对亲水性来讲石英岩最强，石灰岩最弱，从以上数据分析为：石英岩与沥青粘附过程中释放的能量相对其它来说相对较小，处于高能位的状态，石英岩又与水黏附过程中可以释放更多的能量达到更为低的状态，所以在有水的状态下，水会主动地与集料结合以形成更加稳定的黏附体系。

玄武岩与石英岩在无水和有水状态下Gibbs自由能下降都相差不大，单独运用一种指标进行评价时不能明显反映集料的抗剥落性能。所以，只运用集料与沥青黏结时的自由能降低(ΔGas)，或只运用集料与水的亲附剥落沥青后自由能的进一步降低(ΔGasw)来表征沥青混合料的水稳定性都是不全面的，两者结合才能有效表征沥青混合料的抗水损坏性能。结合我国水稳定性评价方法，运用自由能比值绝对值(ΔGasw/ΔGas)来评价混合料抗水损坏的性能较为合理。自由能比值的绝对值越小，沥青与集料的黏附性越好。

对破碎砾石来说，其中石质类型较多，建议采用每种类型集料自由能比值绝对值与此种集料的含量乘积计算破碎砾石的自由能比值绝对值，以评价破碎砾石的黏附性能。另外，还可进一步采用沥青混合料自由能比值绝对值参数作为沥青混合料抗水损坏的评价标准。

4 结 论

1)破碎砾石黏附性满足要求时，水稳定性不一定满足要求，沥青混合料的水损坏总是从最薄弱的环节开始。所以，对破碎砾石的黏附性进行评价时，笔者建议选择黏附性最差的集料类型代表破碎砾石的黏附性能。

2)集料与沥青、水的黏附过程均为自发性的过程，均为Gibbs自由能降低过程。对集料黏附性进行评价时，只采用集料与沥青或集料-沥青与水的Gibbs自由能降低值单独进行评价时，不能更为真实的反映沥青混合料的抗剥落性能，所以建议采用自由能比值绝对值进行评价。

3)对破碎砾石来说，其中石质类型较多，建议采用每种类型集料自由能比值绝对值与此种集料的含量乘积计算破碎砾石的自由能比值绝对值，以评价破碎砾石的黏附性能。

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Adhesion Performance of Crushed Gravel and Asphalt

Wang Ruilin, Zhou Weifeng, Liu Wei

(Key Highway Laboratory of Construction & Maintenance in Loess Region, Research Institute of Highway & Traffic Engineering,Shanxi Provincial Research Institute of Communication Science, Taiyuan 030006, Shanxi, China)

For the effective use of Xinjiang crushed gravel, the water stability evaluation methods of broken gravel were studied, through the adhesion test, immersion Marshall Test and freeze thaw split test of Xinjiang crushed gravel. Based on the surface free energy theory, the free energy changes of the bonding among crushed gravel, asphalt and water were analyzed. The results show that the worst aggregate type of broken gravel adhesion performance can be used to represent the overall adhesion performance; according to the surface free energy theory, the adoption of the absolute value of the ratio of free energy can effectively and quantitatively analyze the reduce degree of free energy of bond among gravel, asphalt and water. The calculation method of free energy absolute value ratio for crushed gravel was proposed.

road engineering; asphalt pavement; crushed gravel; adhesion; water damage; free energy of absolute value

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.10

2014-03-18；

2014-10-18

山西省交通运输厅科技计划项目(20110102)

王瑞林(1982—)，男，山西忻州人，工程师，硕士，主要从事路面沥青材料方面的研究。E-mail:mr6279@sina.com。

U414.3

A

1674-0696(2015)05-049-04