表面自由能理论在沥青混合料中的应用研究现状

杜蓉华

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

表面自由能是材料表面分子间作用力的体现[1]，与固体材料表面润湿性能关系密切。表面自由能理论目前在食品、涂料、胶体学科以及能源化学等相关领域的应用较为广泛，而在道路材料方面的研究目前尚处起步阶段。相关文献[2]中提到表面自由能理论应用于沥青混合料体系的研究始于1997年；表面自由能理论在沥青混合料方面的研究主要体现在沥青与集料接触界面的黏附性、沥青混合料水稳性等方面[3-4]。

笔者首先对表面自由能基本原理、定义等理论背景进行阐释与说明；其次，重点介绍了躺滴法测试沥青表面自由能这一常见方法，并详细介绍该方法测定表面及各参数的计算方法；最后通过回顾国内外研究内容，分析表面自由能用于沥青路面水损害、沥青-集料黏附性等方面的研究，总结表面自由能在沥青与沥青混合料的应用与研究现状，并对表面自由能后续深入研究进行了展望。

1 基本原理

表面自由能为在真空条件下分开固体（或液体）并产生一个新的表面所需要的功[5]。分开物质1与物质2所做的功，数值上等于1与2接触（黏附）而引发Gibbs自由能减小的量，而Gibbs自由能减小的量可表示如式（1）。

图1 黏附过程

式中：ΔG为1与2接触引发Gibbs自由能减小的量；W12为 1-2 黏附功；γ1、γ2分别为 1、2 的表面自由能；γ12为1-2的表面张力。

2 沥青表面自由能测试方法

关于沥青表面自由能的测试方法，目前国内外主要有：悬滴法、滴重法、du Noüy吊环法、Wilhelmy吊片法、原子力显微镜法、核磁共振法、躺滴法、反气相色谱法。

躺滴法是目前测试沥青表面自由能及相关参数较为常用的方法，该方法是将一定体积已知表面能参数的躺滴液体滴定于试样表面，通过测量躺滴液体与试样之间形成的接触角，反算被测试样的表面能参数[6]。采用躺滴法进行沥青表面自由能、沥青极性分量、极性色散分量的基本原理及试验方法如下。

依据Fowkes[7]以及Owens[8]的研究理论，将沥青的表面自由能γb表示如式（2）：

依据图2可建立平衡方程，如式（3）：

式中：γgs为沥青的表面张力；γgl为躺滴液体的表面张力；γls为躺滴液体与沥青之间的界面张力；θ为γgl与γls的夹角。

图2 Young三角理论示意图

其中θ的测量可借助接触角试验仪器进行测量，沥青试样及接触角测量仪如图3。

图3 沥青试样及接触角测量仪

滴定液体与沥青接触后成像，测定液滴高度H与宽度 2R（图 4），依据公式（4）反算接触角[10-11]。

图4 小液滴测量法

待沥青试样与不同滴定液体接触角测量后，可进行沥青极性分量、色散分量的计算。固体-液体表面自由能可表示为：

将式（5）带入式（3）可推出：

3 材料表面能参数与路用性能关系

材料表面能参数与沥青路面性能相关方面的研究，主要体现在材料表面能参数与沥青路面水损害、混合料强度、沥青-集料黏附性能的关系研究。

NCAT[12]研究表明，沥青路面水损害主要的破坏类型为黏聚破坏、黏附破坏。黏聚破坏为沥青内部破坏，而黏附破坏发生在沥青与集料的表面处，即“剥落”现象。而依据表面能基本原理，可定量表征对沥青内聚功、沥青-矿料黏附功，如Bhasin[4]提出根据表面自由能可对沥青-矿料黏附性进行量化。在此基础上，美国Texas A&M大学多位学者如Elphingstone[13]、Cheng D[14]，对不同沥青、矿料的表面自由能参数进行测定，并进行了沥青内聚功、有水及无水状态下沥青与矿料之间黏附功的计算，研究表明表面自由能可以对沥青混合料的疲劳性能以及抗水损害性能进行较好预测，且与沥青材料相比，矿料表面性能对沥青-矿料之间的黏附过程起着主要的作用。

国内部分学者基于表面自由能理论，对沥青混合料水稳性能进行了研究。如成志强[10]、郭鹏[11]等研究了温拌沥青的表面自由能及相关参数对沥青混合料水稳性能的影响，结果表明沥青极性分量与沥青混合料劈裂强度呈负相关，而沥青色散分量与沥青混合料劈裂强度呈正相关；Sasobit®温拌剂对沥青的表面自由能以及色散分量具有降低作用，同时对沥青的极性分量具有增大作用，最后导致Sasobit®温拌沥青混合料的强度及水稳性能的降低；而EvothermTM温拌剂对沥青-矿料黏附性能具有增强作用，从而进一步提高再生沥青混合料的水稳性能。

至于表面自由能参数与沥青-集料黏附性关系的研究，首先王元元[15]、陈燕娟[16]对表面能用于评价沥青与矿料之间黏附性的可行性进行了试验研究，建立有水条件下沥青与矿料黏附模型，并通过建立水煮3 min质量剥落率与表面能理论计算的黏附功、内聚功等指标之间的规律；结果表明，将表面能理论作为一种定量评价沥青与石料抗水毁性能的标准和方法是可行的。

韩森[17]借助表面能理论，通过测定沥青与集料的表面能参数，研究沥青-集料界面的黏附性能。结果表明：不同沥青与不同集料间黏附性能不同，且沥青和集料拥有较大的Lewis酸碱性力产生的黏附功和较小的范德华力产生的黏附功，有利于提高沥青-集料界面的黏附性能。

另外，肖庆一[18]基于表面能理论进行除冰盐侵蚀沥青-矿料黏附机理研究，以此优选对黏附性影响较小的除冰融雪剂。

4 结语

与国外相比，我国关于表面自由能理论在公路建材方面的研究，目前尚少、起步较晚，且多数集中于表面自由能理论在公路行业的适用性、可行性方面的探索性研究。但多数研究证实，表面自由理论可较好解释沥青及沥青混合料强度形成机理，后续可加强基于表面自由能测试手段的沥青-集料黏附性定量评价方法与指标，以及通过对沥青表面参数的改性，以提高沥青混合料材料整体强度等方面的相关研究。