基于表面能的Sasobit®影响WMA劈裂强度机理研究

孔令云，徐 燕，成志强

（1.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074；2.四川省内江市交通运输局，四川 内江 641000；3.山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

传统沥青混合料拌和技术一般分为热拌与冷拌两种，其中热拌沥青混合料耗能多，污染大，而冷拌沥青混合料使用范围有限.鉴于两者缺陷，温拌沥青混合料（WMA）应运而生.温拌沥青混合料是一类使用特定技术或降黏剂使混合料在较低温度下进行拌和、摊铺及压实，其拌和温度介于热拌（150～180℃）沥青混合料和冷拌（30～50℃）沥青混合料之间，性能达到（接近）热拌沥青混合料的新型路面材料［1］.Sasobit®温拌剂可直接掺入沥青结合料中，经过简单的机械搅拌即可使用，不需要高速剪切拌和［1－2］，因此被广泛应用.但相关研究［3－5］发现，相同矿料且同种级配的沥青混合料在掺入Sasobit®温拌剂后会使其劈裂强度、冻融劈裂强度明显降低，但目前对造成这种现象的原因尚无深入研究.

一般情况下，沥青与矿料的黏附性会直接影响到沥青混合料劈裂强度.相关文献［6－8］表明，可采用沥青表面自由能来表征沥青的黏附性，而沥青的黏附性又直接关系到混合料的劈裂强度.因此，本研究从材料表面能角度出发，首先通过躺滴法测定了Sasobit®温拌剂掺量（质量分数，本文所涉及的掺量等除特别指明外均为质量分数）分别为0%，2%，3%，4%的沥青表面自由能（SFE），并分析SFE 及相关参数的影响；其次对应成型不同Sasobit®温拌剂掺量下的沥青混合料马歇尔试件，并测定试件劈裂强度、冻融劈裂强度；最后分析不同Sasobit®温拌剂掺量下沥青混合料劈裂强度与沥青表面自由能之间的关系，以此探究Sasobit®温拌沥青混合料劈裂强度降低的原因，为Sasobit®温拌沥青混合料性能改善提供理论基础.

1 沥青表面自由能测定原理

表面自由能为在真空条件下分开固体或液体并产生一个新的界面所需要的功［9－10］.依据Fowkes［11］以及Owens［12］的研究理论，沥青表面自由能可表示为：

式中：γb为沥青表面自由能，mJ／m2；分别为沥青色散分量和极性分量，mJ／m2.

沥青的色散分量与极性分量可依据Young角度方程［13］进行计算.Young接触角如图1所示.

依据图1可建立Young角度方程，其实质为液体在固体表面上的接触角度与材料表面自由能的关系，其公式为：

图1 Young接触角示意图Fig.1 Young contact angle diagram［13］

式中：γgs为固体的表面张力；γgl为液体的表面张力；γls为固体－液体的界面张力；θ为γgl与γls的夹角.

固体－液体的界面张力又可表示为：

式中：γl为液体表面能；γs为固体表面能；为液体色散分量；为液体极性分量；为固体色散分量；为固体极性分量.

综合上述各式可推出：

2 沥青表面自由能测定

采用高速剪切机分别制备Sasobit®掺量为0%，2%，3%，4%的沥青样品并加热至163 ℃，将3cm×6cm 薄铝板置于烘箱中，60 ℃条件下预热2h后蘸入沥青，并悬挂起来，冷却至室温后，将其置于干燥环境中，24h后即可进行接触角测试.试验环境温度为25℃.

采用HARKE－SPCAx1接触角测量仪测定不同滴定液体与沥青的接触角.所选滴定液体均具有较大表面自由能且各不相同［14］，常温下不易与沥青发生反应.滴定液体基本参数［15］见表1.

表1 25℃下5种滴定液体的表面自由能及各分量Table 1 SFE and each component of liquid at 25℃［15］

滴定液体与沥青接触后成像，测定液滴高度H与宽度2R，依据式（7）［16］反算接触角.每种滴定液体进行5次测角，每次测角时采用小液滴法进行6次测量，即每种滴定液体条件下的沥青试样有30个角度测量值，试验结果见表2.

表2 25℃下所测接触角的平均值及相对误差Table 2 Average value and relative error of contact angle at 25℃

为验证数据有效性，采用Kwok方法［10，17］进行检验：对于给定的某一固体，不同滴定液体的γlcosθ与γ1存在线性关系.本研究中线性决定系数R2均大于0.85，说明这两者的线性关系较为明确.依据式（1）回归计算不同Sasobit®掺量下的沥青表面自由能，计算结果见图2.

图2 不同Sasobit®掺量下的沥青表面自由能及各分量Fig.2 SFE of asphalts with different contents of Sasobit®

由图2可知：

（1）所测沥青表面自由能为24.920～28.633mJ／m2，与已有文献［16］相近；与极性分量相比，色散分量所占沥青表面自由能的比例较大［18－19］.

（2）与未掺Sasobit®时相比，掺入Sasobit®后使得沥青表面自由能降低，与文献［10］结论一致，但Sasobit®温拌剂掺量与沥青表面自由能的降低幅度无明显规律.

（3）与未掺Sasobit®时相比，掺入Sasobit®后沥青的色散分量降低，但同时增大了沥青的极性分量，且Sasobit®掺量为2%，4%时，沥青极性分量的增幅较明显.

（4）与未掺Sasobit®时相比，掺入2%，3%，4%Sasobit® 后，沥青表面自由能的降幅分别达到5.1%，3.6%，11.3%；色散分量降幅达到8.4%，4.0%，14.9%；极性分量增幅则达到68.9%，5.3%，69.2%，说明Sasobit®对沥青极性分量影响较大，而对沥青表面自由能、色散分量的影响较小.

3 混合料劈裂强度测定

试验中制备AC－13C型Sasobit®温拌沥青混合料马歇尔试件.所用原材料：Sasobit®掺量分别为基质70＃沥青质量的0%，2%，3%，4%；集料分别采用石灰岩、花岗岩.混合料级配见表3，根据马歇尔设计方法，通过击实试验确定的油石比为4.8%.试件成型条件：基质沥青混合料击实温度为150℃，根据“击实温度－空隙率”关系（见表4），确定温拌沥青混合料击实温度为130℃（拌和后的基质沥青混合料置于150℃烘箱中、温拌沥青混合料置于130℃烘箱中各恒温2h）；采用标准击实仪双面击实各50次［20］.试验分成未冻组试件（在25 ℃水浴中2h）及冻融组试件（按规范［20］对其进行冻融循环）.测试2 组试件的（冻融）劈裂强度，试验结果见表5.

表3 级配设计表Table 3 Gradation design

4 沥青表面自由能与劈裂强度关联分析

从图2及表5可知，无论是花岗岩或石灰岩，沥青表面自由能较大时，则沥青混合料劈裂强度、冻融劈裂强度较大；随着Sasobit®温拌剂掺量的增加，沥青表面自由能变化规律与对应混合料的劈裂强度、冻融劈裂强度变化规律相似，说明沥青表面自由能的变化可较好解释沥青混合料劈裂强度的波动规律.

表4 Sasobit®温拌沥青混合料击实温度及其空隙率Table 4 Compaction temperature－void ratio of Sosabit®warm mix asphalt mixture

Sasobit®温拌沥青混合料劈裂强度、冻融劈裂强度与沥青色散分量、极性分量关系见图3.

从图3可知，石灰岩或花岗岩沥青混合料劈裂强度均与沥青极性分量呈负相关，与沥青色散分量呈正相关.掺入Sasobit®温拌剂会降低沥青的色散分量，同时增大沥青的极性分量，因此掺有Sasobit®温拌剂的沥青混合料其劈裂强度降低.

原因是沥青的色散分量主要包括London色散力、Debye诱导力、Keesom 取向力［9］，属于黏附功中的物理黏附分量，其绝对值越大，则物理黏附越大，因此沥青混合料的劈裂强度与沥青色散分量呈正相关；而沥青极性分量则包括Lewis酸作用力以及Lewis碱作用力［10］，其值越大，水分子就越容易吸附于沥青表面［21］，从而导致沥青与矿料界面发生剥离，最终影响沥青混合料劈裂强度.

表5 劈裂强度试验结果Table 5 Results of splitting strength

根据以往研究可知，沥青的黏附性可用沥青表面自由能来表征，而沥青的黏附性又直接关系到沥青混合料的劈裂强度［6－8］.Sasobit®固体石蜡由Fischer－Tropsch方法合成，主要为长链脂肪族碳氢化合物，呈疏水性，其碳链长度为40～100［22］，因而具有更高的熔点（约为100～130℃），可完全熔融于温度高于115℃的沥青之中.Sasobit®的掺入增大了沥青的疏水性，降低了沥青的表面自由能［10］.由此可见，本文结果与以往相关研究结论基本一致，同时进一步明确了沥青混合料劈裂强度与沥青表面自由能之间的定量关系.

图3 沥青混合料劈裂强度与沥青极性分量、色散分量的关系Fig.3 Relationship between splitting strength of asphalt mixture and each component of asphalt

5 结论

（1）Sasobit®温拌剂对沥青极性分量影响较大，对沥青表面自由能、色散分量影响较小.

（2）沥青表面自由能越大，沥青混合料劈裂强度越大；Sasobit®温拌剂降低了沥青表面自由能，故掺有Sasobit®温拌剂的沥青混合料劈裂强度降低.

（3）沥青混合料劈裂强度与沥青极性分量呈负相关，而沥青混合料劈裂强度与沥青色散分量呈正相关；Sasobit®温拌剂在一定程度上减小了沥青的色散分量，同时较大程度地增大了沥青的极性分量，致使掺有Sasobit®温拌剂的沥青混合料劈裂强度降低.

（4）为了提高Sasobit®温拌沥青混合料的劈裂强度，改善其水稳定性，从表面能的角度，可采取增大沥青混合料体系表面能的措施，如在沥青混合料中添加可增大体系表面能的材料；对Sasobit®温拌剂进行升级换代，增大Sasobit®温拌沥青的色散分量或减小其极性分量等等.

［1］左锋，叶奋.国外温拌沥青混合料技术与性能评价［J］.中外公路，2007，27（6）：164－168.ZUO Feng，YE Fen.Evaluation on the technology and performances of warm mix asphalt mixture in foreign countries［J］.Chinese Journal of China ＆ Foreign Highway，2007，27（6）：164－168.（in Chinese）

［2］夏漾.Sasobit®温拌沥青混合料设计与使用性能［D］.长沙：湖南大学，2009.XIA Yang.Sasobit® warm mix asphalt mixture design and performance［D］.Changsha：Hunan University，2009.（in Chinese）

［3］HURLEY G C，PROWELL B D.Evaluation of sasobit®for use in warm mix asphalt（NCAT Report 05－06）［R］.Auburn：Auburn University，National Center for Asphalt Technology in Auburn，2005：21－22.

［4］XIE Zhaoxing，FAN Wenzhong，WANG Lili，et al.The effectiveness of warm mix asphalt（WMA）additives affected by the type of aggregate and binder［J］.International Journal of Pavement Research and Technology，2013，6（5）：554－561.

［5］MARKHAM J，PETERSON D，DEMING N，et al.Warm mix asphalt［R］.Washington D.C.：PDCM Advisory Board，2008：11－12.

［6］CHENG D X，le LIT D N，LYTON R L，et al.Moisture damage evaluation of asphalt mixtures by considering both moisture diffusion and repeated－load conditions［J］.Transportation Research Record，2003，1832：42－49.

［7］CHENG D X，le LIT D N，LYTON R L，et al.Use of surface free energy properties of the asphalt－aggregate system to predict moisture damage potential［J］.Proceedings of Association of Asphalt Paving Technologists，2002，71：59－88.

［8］BHASIN A，MASAD E A，le LIT D N，et a1.Limits on adhesive bond energy for improved resistance of hot－mix asphalt to moisture damage［J］.Transportation Research Record，2006，1970：3－13.

［9］CHENG D.Surface free energy of asphalt－aggregate system and performance analysis of asphalt concrete based on surface free energy［D］.College Station，USA：Texas A ＆ M University，2002.

［10］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］.青岛：中国石油大学，2008.WEI Jianming.Study on surface free energy of asphalt，aggregate and moisture diffusion in asphalt［D］.Qingdao：China University of Petroleum，2008.（in Chinese）

［11］FOWKES F M.Dispersion force contributions to surface and interfacial tensions，contact angles，and heats of immersion［J］.Advances in Chemistry Series，1964，43（1）：99－111.

［12］OWENS D K，WENDT R C.Estimation of the surface free energy of polymers［J］.Journey of Applied Polymer Science，1969，13（8）：1741－1747.

［13］YOUNG T.An essay on the cohesion of fluids［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society of London，1805，95（3）：65－87.

［14］WASIUDDIN N M，FOGLE C M，ZAMAN M M，et al.Characterization of thermal degradation of liquid amine anti－strip additives in asphalt binders due to RTFO and PAV－aging［J］.Journal of Testing and Evaluation，2007，35（4）：387－394.

［15］LIDE D R.CRC handbook of chemistry and physics［S］.Boca Raton，USA：CRC Press，2010.

［16］颜肖慈，罗明道.界面化学［M］.北京：人民交通出版社.2004：166－167.YAN Xiaoci，LUO Mingdao.Interface chemistry［M］.Beijing：China Communications Press，2004：166－167.（in Chinese）

［17］KWORK D Y，NEUMANN A W.Contact angle measurement and contact angle interpretation［J］.Advances in Colloid and Interface Science，1999，81（3）：167－249.

［18］HEFER A W，BHASIN A，LITTLE D N.Bitumen surface energy characterization using a contact angle approach［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2006，18（6）：759－767.

［19］HEFER A W，BHASIN A，LITTLE D N，et al.Bitumen surface energy characterization by inverse gas chromatography［J］.Journal of Testing and Evaluation，2006，35（3）：1－7.

［20］JTG E20—2011 公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.JTG E20－2011 Highway engineering asphalt and asphalt mixture test procedures［S］.（in Chinese）

［21］聂百胜，何学秋，王恩元，等.煤吸附水的微观机理［J］.中国矿业大学学报，2004，33（4）：379－383.NIE Baisheng，HE Xueqiu，WANG Enyuan，et al.Micro－mechanism of coal adsorbing water［J］.Journal of China University of Mining ＆Technology，2004，33（4）：379－383.（in Chinese）

［22］EDWARDS Y，TASDEMIR Y，ISACSSON U.Rheological effects of commercial waxes and polyphosphoric acid in bitumen 160／220—Low temperature performance［J］.Fuel，2006，85：989－997.