基于接触角方法沥青与石料粘附特性及路用性能研究

王金凤,李晓民,张国宏,,韩庆奎,高 峰,魏定邦

(1.中海油气开发利用公司，北京 100025;2.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司， 兰州 730030;3.甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，兰州 730203;4.兰州交通大学，兰州 730070)



基于接触角方法沥青与石料粘附特性及路用性能研究

王金凤1,李晓民2,张国宏2,3,韩庆奎3,4,高 峰1,魏定邦3

(1.中海油气开发利用公司，北京 100025;2.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司， 兰州 730030;3.甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，兰州 730203;4.兰州交通大学，兰州 730070)

沥青-石料粘附失效产生的病害，如松散、脱粒、麻面、坑槽等，致使沥青路面使用性能下降，危及行车安全，基于表面自由能理论的躺滴法作为接触角法中评价沥青-石料粘附性的试验方法，因其操作简单、定量评价、人为误差小等特点，成为了近年来研究评价沥青-石料粘附性的热点。本文采用躺滴法，以西北地区三种品牌沥青与甘肃省七种石料作为研究对象，利用水煮法、躺滴法评价沥青-石料粘附性与AASHTO T283评价沥青混合料水稳定性进行对比分析，结果表明，水煮法定性评价沥青-石料粘附等级、接触角法定量评价沥青-石料粘附功与AASHTO T283评价沥青混合料水稳定性的冻融劈裂强度比(TSR)的决定系数分别为0.1956、0.2731、0.4793，0.8179、0.7173、0.7997，说明接触角法粘附功定量评价沥青-石料粘附性能够较为准确的评价沥青混合料水稳定性；同时三种沥青的粘附能力依次为C>B≥A，七种石料的粘附能力依次为平凉上杨石灰岩>玉石湾蛇纹岩>黑山湖玄武岩>东乐石灰岩>永登玄武岩>出卜拉沟玄武岩>定西花岗岩。

接触角法； 沥青-石料粘附性； 路用性能； 评价方法

1 引 言

近年来，由于沥青-石料粘附失效所产生的病害，不仅发生在潮湿多雨地区，在少雨干旱地区由于沥青的老化致使沥青-石料粘附失效产生的病害也广泛存在，如脱粒、松散、松散等。国内外对沥青-石料粘附性的研究，基本上基于以下六种理论：力学理论、化学反应理论、表面能理论、表面构造理论、分子定向理论和静电理论。在以上六种理论基础上，衍生出诸多试验方法来评价沥青-石料粘附性。

国外ASTM D 4541“Pull-off Strength of Coatings using Portable Adhesion Testers”可用来确定涂料与金属基层之间的粘附力的强度，国内的魏建明[1]博士受此启发，采用类似的仪器与方法，将涂层换为沥青或者沥青胶浆，金属基层使用石料代替，采用力学手段研究沥青与石料间的粘附强度；Leopoldo[2]等通过化学试验表明，石料与沥青中腐殖酸反应产生的氧化产物使沥青-石料具有了粘附性，且在酸性条件下，产生的氧化产物疏水，而在中性和碱性条件下则不疏水。此外Curti[3]调查了沥青和石料界面交互作用，结果表明沥青和石料的交互作用取决于石料的化学成分，沥青的化学成分也影响其之间的相互作用，但远低于石料的作用；Elphingstone[4]的研究结果表明，混合料的疲劳和抗水损害性能可以通过表面自由能的计算来预测，并且指出石料的性质极大地影响着沥青-石料的粘附过程，同时沥青的影响较小；张肖宁[5]等利用激光三角测量技术微距测量系统对不同表面构造的石料进行分形维数测定，分形维数越大，表面结构越复杂，以此来选取石料，可提高路面抗滑性能和沥青-石料粘附性；Perry[6]认为沥青与石料之间的粘附性，主要是由于沥青中的极性分子与石料表面的极性分子定向吸附形成的，他从分子的极性方面阐述了沥青-石料粘附的机理，并提出了物理吸附与化学吸附的概念。严家伋[7]认为当沥青与石料接触时，沥青-石料体系形成双电层而产生静电引力。它可以看作一个电容器由于两种不同的物质接触而充电，界面的作用力就是双电层之间的作用力。例如某些胶粘剂从被粘物上剥离时有明显电荷的存在便是对该理论的有力证明。在室内试验与现场实际中，国内外常用水煮法-简单、快速评价沥青-石料粘附等级的一种方法，但由于要求“微沸”的试验条件，水煮后取出石料产生的“二次污染”以及人为定性观测评级，致使所得结果精准性差，重现性不高。因此，选取一种简单可靠且适合甘肃省定量评价沥青-石料粘附性的评价方法具有十分重要的意义。

躺滴法(Sessile Drop Method)是利用光学手段测量接触角的一种方法，此方法可评估固体表面局部区域的润湿情况。实验时，可直接测量介于液滴基线和液/固/气三相接触点处的液/固界面切线间的角度，即接触角。本文采用躺滴法，选取甘肃省常用三种沥青、七种石料，进行接触角试验，计算沥青-石料粘附功，利用AASHTO T283标准水损害评价方法进行验证试验，所得的冻融劈裂强度比(TSR)分别与水煮法定性评价沥青-石料粘附等级、接触角法定量评价沥青-石料粘附功进行相关性分析，比较两种评价方法与路用性能的线性关系，并将甘肃省常用三种沥青、七种石料进行粘附性优异程度排序。

2 实 验

2.1 原材料

试验选择甘肃省常用七种石料作为研究对象。分别为玄武岩(黑山湖、永登、出卜拉沟)、石灰岩(东乐、平凉上杨)、蛇纹岩(玉石湾)、花岗岩(定西)。相关石料特性如表1所示。

表1 石料特性Tab.1 Characteristics of stones

沥青选用甘肃省常用三种沥青A、B、C，沥青特性、红外光谱对比、SEM元素相对含量等数据如表2、3以及图1、2所示。

表2 沥青特性Tab.2 Characteristics of asphalt

表3 不同品牌沥青元素相对含量Tab.3 Different brands of asphalt element relative content

图1 三种沥青红外光谱对比图Fig.1 Three kinds of asphalt infrared spectrum comparison chart

2.2 试验方法

水煮法和AASHTO T283水损害试验方法分别采用规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)和《高性能沥青路面(Superpave)基础参考手册》。许涛等[8]对比浸水马歇尔、冻融劈裂、AASHTO T283(改进的洛特曼法)三种沥青混合料水稳定性试验，结果表明AASHTO T283(改进的洛特曼法)比较真实模拟现场实际(如施工过程中的短期老化，路面的碾压，揉搓 成型方式以及早期空隙率；多次冻融条件下，温度胀缩作用和沥青乳化对沥青混合料的影响)，是目前国际上最严格、最有效的评价方法。三种沥青-七种石料组成的21种沥青混合料级配设计曲线图如3所示。

接触角法包括躺滴法[9]、Wilhelmy吊片法[10]以及毛细管上升法(灯芯法)[11-13]。躺滴法试验时，首先将加热呈液态沥青注入微量注射器中，将微量注射器安装在接触角仪推进器上，打开高温加热控制装置，使沥青温度保持163 ℃融化状态下3 min，然后定量滴落在石料表面，最后通过图像分析软件分析沥青在石料表面的形状，获取沥青-石料的接触角，通过粘附功本构方程计算沥青-石料粘附功。Murat[14]等利用躺滴法与Wilhelmy吊片法和万能吸附装置测量接触角进行对比，结果表明：躺滴法是一种较为客观精确的测量接触角的方法。

图2 B沥青SEM图(a)及元素相对含量示意图(b)Fig.2 SEM schematic image (a) and elements relative content (b) of B bitumen

3 结果与讨论

3.1 水煮法定性评价沥青-石料粘附等级

利用水煮法，人为定性评价三种沥青与七种石料的粘附等级，所得结果如图4所示。

图3 21种沥青混合料级配设计曲线图Fig.3 21 kinds of asphalt mixture gradation design graphs

图4 三种沥青-七种石料粘附等级Fig.4 Three kinds of asphalt-seven kinds of stone adhered rating

结果表明，沥青的粘附优异等级分别为C>B≥A，石料的粘附优异等级分别为平凉上杨石灰岩=东乐石灰岩=出卜拉沟玄武岩>玉石湾蛇纹岩>黑山湖玄武岩=永登玄武岩>定西花岗岩。

3.2 接触角法定量评价沥青-石料粘附功

利用躺滴法，测量三种沥青与七种石料的接触角，计算粘附功定量评价沥青-石料粘附性，所得结果如图4所示。

表4 三种沥青-七种石料接触角及粘附功Tab.4 Three kinds of asphalt-seven kinds of stones contact angle and adhesion work

图5 三种沥青-七种石料粘附功对比图Fig.5 Comparison chart of three kinds of asphalt-seven kinds of stone adhesion work

由表4和图5可知，同种沥青下，七种石料的粘附功大小依次为平凉上杨石灰岩>玉石湾蛇纹岩>黑山湖玄武岩>东乐石灰岩>永登玄武岩>出卜拉沟玄武岩>定西花岗岩。同种石料下，三种沥青的粘附功大小依次为C>B≥A。

3.3 水稳定性

依据沥青混合料AASHTO T283水稳定性试验方法对七种石料、三种沥青进行水稳定性试验，冻融劈裂强度比(TSR)值如表5所示。

同种沥青，不同种石料横向比较水稳定性，由好到坏的趋势为平凉石灰岩>玉石湾蛇纹岩>黑山湖玄武岩>永登玄武岩>东乐石灰岩>出不拉沟玄武岩>定西花岗岩；同种石料，不同种沥青纵向比较沥青抵抗水损害能力大小趋势为C>B>A。

表5 三种沥青-七种石料冻融劈裂强度比(TSR)Tab.5 Three kinds of asphalt-seven kinds of stone thaw splitting strength ratio (TSR)

注：TSR单位%

3.4 相关性分析

利用水煮法定性评价沥青-石料粘附等级、接触角法定量评价沥青-石料粘附功分别与AASHTO T283评价沥青混合料水稳定性的冻融劈裂强度比(TSR)进行相关性分析，所得决定系数R2如图6～8所示。

图6 A沥青-七种石料粘附等级(a)、粘附功(b)与TSR线性相关性Fig.6 Linear correlation of A asphalt-seven kinds of stone adhesion level (a), adhesion work (b) with TSR

图7 B沥青-七种石料粘附等级(a)、粘附功(b)与TSR线性相关性Fig.7 Linear correlation of B asphalt-seven kinds of stone adhesion level (a), adhesion work (b) with TSR

图8 C沥青-七种石料粘附等级(a)、粘附功(b)与TSR线性相关性Fig.8 Linear correlation of C asphalt-seven kinds of stone adhesion level (a), adhesion work (b) with TSR

如图6～8所示，水煮法定性评价沥青-石料粘附等级，三种沥青-七种石料冻融劈裂强度比(TSR)的线性关系决定系数R2分别为0.1956、0.2731、0.4793，R2值较小，说明水煮法定性评价沥青-石料粘附等级不能准确的评价沥青混合料水稳定性；接触角法所得粘附功定量的评价了沥青-石料粘附特性，粘附功与沥青混合料冻融劈裂强度比(TSR)的线性关系决定系数R2值分别为0.8179、0.7173、0.7997，说明接触角法粘附功定量评价沥青-石料粘附性能够较为准确的评价沥青混合料水稳定性，接触法对于研究沥青-石料粘附性和沥青混合料路用性能更具有参考价值。

4 结 论

(1)水煮法粘附等级定性评价沥青-石料粘附性，沥青的粘附优异等级分别为C>B≥A，石料的粘附优异等级分别为平凉上杨石灰岩=东乐石灰岩=出卜拉沟玄武岩>玉石湾蛇纹岩>黑山湖玄武岩=永登玄武岩>定西花岗岩；

(2)接触角法粘附功定量评价沥青-石料粘附性，同种石料下，三种沥青的粘附功大小依次为C>B≥A，同种沥青下，七种石料的粘附功大小依次为平凉上杨石灰岩>玉石湾蛇纹岩>黑山湖玄武岩>东乐石灰岩>永登玄武岩>出卜拉沟玄武岩>定西花岗岩；

(3)AASHTO T283试验方法TSR评价沥青混合料水稳定性，同种石料，不同种沥青纵向比较沥青抵抗水损害能力大小趋势为C>B>A，同种沥青，不同种石料横向比较水稳定性，由好到坏的趋势为平凉石灰岩>玉石湾蛇纹岩>黑山湖玄武岩>永登玄武岩>东乐石灰岩>出不拉沟玄武岩>定西花岗岩；

(4)水煮法定性评价沥青-石料粘附等级、接触角法定量评价沥青-石料粘附功分别与AASHTO T283评价沥青混合料水稳定性的冻融劈裂强度比(TSR)的决定系数分别为0.1956、0.2731、0.4793，0.8179、0.7173、0.7997，说明接触角法粘附功定量评价沥青-石料粘附性能够较为准确的评价沥青混合料水稳定性，接触法对于研究沥青-石料粘附性和沥青混合料路用性能更具有参考价值。

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Adhesion Properties of Asphalt-stone and Road Performance Based on Contact Angle Method

WANGJin-feng1,LIXiao-min2,ZHANGGuo-hong2,3,HANQing-kui3,4,GAOFeng1,WEIDing-bang3

(1.Offshore Oil & Gas Development & Utilization Company,Beijing 100025,China;2.Gansu Province Transportation Planning Survey and Design Institute Co. Ltd,Lanzhou 730030,China;3.Gansu Changlong Institute of Highway Maintenance Technology Ltd,Lanzhou 730203,China;4.Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Diseases, such as loose, threshing, pockmarked face, pits, etc., because of asphalt-stone adhesion failure, can decline the usability of asphalt pavement endanger traffic safety. The surface free energy based on the theory of sessile drop method as the contact angle method in the evaluation of asphalt-stone adhesion test method, because of its simple, quantitative evaluation, small human error and other features, has become a recent research hot spots to evaluate the asphalt-stone adhesive properties. In this paper, sessile drop method as the test method, three brands asphalts in the Northwest Territories and seven kinds of typical stones in Gansu Province as the research object. Water cooking method and sessile drop method assess asphalt-stone adhesion, meanwhile AASHTO T283 method assess water stability of asphalt mixture. The results showed that water cooking method-qualitatively evaluate adhesion levels asphalt-stone, the contact angle method-quantitatively evaluate adhesion work of asphalt-stone, with AASHTO T283-evaluate freeze-thaw splitting strength ratio (TSR) about water stability of asphalt mixture their determine coefficients are 0.1956,0.2731,0.4793,0.8179,0.7173,0.7997, respectively. Therefore, the contact angle method evaluates quantitatively adhesion work of asphalt-stone can be more accurate evaluation on water stability of asphalt mixture; Simultaneously three asphalt adhesion ability order was C> B≥A, seven stone adhesion ability on the order of Pingliang Shangyang limestone> Jade Bay serpentinite> Black Lake basalt> Dongle limestone> Yongdeng basalt> Chubolagou basalt > Dingxi granite .

contact angle method;asphalt-stone adhesion;road performance;evaluation methods

王金凤(1966-)，女，正高级工程师.主要从事道路材料与养护技术研究.

张国宏，工学博士，高级工程师.

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2389-07