不同类型沥青与集料润湿性能及其黏附功

刘延军， 张玉贞

(1.中国石油大学(华东) 化学工程学院，山东 青岛 266580；2. 中海石油炼化有限责任公司，北京 100029)

不同类型沥青与集料润湿性能及其黏附功

刘延军1,2， 张玉贞1

(1.中国石油大学(华东) 化学工程学院，山东 青岛 266580；2. 中海石油炼化有限责任公司，北京 100029)

以润湿理论为基础，研究了不同类型沥青与集料之间的润湿性能，基于沥青表面张力和接触角实验数据计算沥青与集料的黏附功，再通过黏附功的大小定量评价沥青在不同温度下对集料的润湿性能影响。结果表明，在相同温度下，同种沥青与不同集料的黏附功数值接近，而不同类型沥青与集料的黏附功数值相差较大；沥青与集料的黏附功随温度的变化呈二次曲线关系，且曲线存在最大值点，说明在特定温度下沥青与集料存在最佳润湿状态；黏度越大、软化点越高的沥青达到与集料最佳润湿状态时所需要的温度越高，同种沥青与两种集料达到最佳润湿状态时所需要的温度相近。最大黏附功代表了沥青与集料的最佳润湿状态，可用于指导选择沥青与集料最佳拌和温度。

沥青； 集料； 接触角； 黏附功

调查发现，国内外沥青路面都存在不同程度的水损害现象[1]。沥青路面的水损害，一方面是由于水分浸入到沥青与集料的界面，导致其黏附性下降，另一方面是由于水动力的作用，沥青膜逐渐从集料表面剥离，并使得集料之间的黏结力丧失而导致路面发生破坏[2-3]。沥青与矿料的黏附性是决定沥青混合料路用性能的重要因素之一，它直接影响沥青混合料的强度、水稳性和耐久性[4-5]。黏附性的好坏，不仅与沥青和矿料的性质有关，还与二者的相互作用过程有关[6-8]。因此，研究不同类型沥青与集料的润湿过程，是寻找路面水损害原因并提供解决方案的重要途径。

目前，沥青混合料的路面施工多采用热拌的方式，沥青混合料拌和过程是沥青在集料表面润湿、铺展的过程，而拌和温度是影响沥青与集料润湿过程的重要因素[9-11]。固体表面的润湿性能与其化学组成和微观结构紧密相关，可以通过表面张力和黏附功进行描述。在高温条件下沥青是呈流动态的液体，可以通过黏附功的大小来评价沥青与集料的润湿状态[12]。因此，合理的选择沥青拌和温度能够实现沥青充分的润湿集料，使沥青均匀的裹覆在集料表面以提高沥青与集料的黏附能力，增强沥青混合料的稳定度。本研究以润湿理论为基础，研究不同温度下沥青与集料的黏附性能，通过黏附功的大小对沥青在不同温度下对集料的润湿性能进行定量评价，并分析沥青与集料理论的最佳拌和温度。

1 实验部分

1.1 实验原料

基质沥青选用秦皇岛30#、50#、70#重交沥青以及由其制备的两种改性沥青(I-D、I-DS10)，其基本性质见表1。集料选取玄武岩、石灰岩，其性能指标满足《公路沥青路面施工技术规范》中的要求。

表1 沥青基本性质Table 1 Basic properties of asphalt

图2 DSA设备和表面张力测量示意图

Fig.2 DSA and the draft of surface force measurement

具体操作如下：①将沥青取样注入带有升温和控温装置的滴定器中，设定实验温度，并将环境室设定在同一温度，恒温30 min。②调节镜头上的对焦和放大率旋钮使滴液针清晰，针的宽度大约占观测窗口总宽度的20%左右，旋转镜头视角旋钮，将镜头的视角调整为0°，设置测试方法为悬滴法。③滴出液滴并悬于针尖处，液滴大小为液滴滴下总体积的80%，对悬滴进行拍照。④通过悬滴法分析处理软件计算得到沥青表面张力。表面张力的计算需要沥青的密度和空气密度，5种沥青的密度数据如表2所示，空气密度取1.290 0 kg/m3。

表2 沥青密度数据Table 2 Density of asphalt g/mL

1.3.2 沥青与集料接触角测定 采用躺滴法测试沥青与集料的接触角，如图3所示。对于基质沥青，测试了110～190 ℃间隔20 ℃下与集料的接触角；而由于改性沥青I-D、I-DS10的黏度较大，温度低时不利于滴下液滴，故测试了温度140～190 ℃间隔10 ℃与玄武岩和石灰岩两种集料的接触角。接触角的测量受温度影响较大，在一定粗糙度水平上与集料表面的粗糙度没有关系。将沥青与集料设定在同一测试温度下恒温30 min后再进行测试，由DSA100接触角测量仪自动录像。

具体操作如下：①将沥青取样注入带有升温和控温装置的滴定器中，设定实验温度，并将经过表面打磨抛光处理的集料置于带有升温和控温装置环境室内，将环境室设定在同一温度。在温度达到设定实验温度后恒温30 min。②调节镜头上的对焦和放大率旋钮使滴液针清晰，针的宽度大约占观测窗口总宽度的10%左右。旋转视角旋钮，将镜头的视角调整为+2°，设置测试方法为躺滴法。③滴出液滴并悬于针尖处，旋转Z轴上升样品台，使样品表面与沥青液滴接触，液滴脱离针尖，在样品表面形成座滴，对整个滴定过程进行录像。④通过躺滴法分析处理软件计算得到沥青在集料表面的接触角。

图3 躺滴法测量接触角示意图

Fig.3 Draft of the contact angle measurement by sessile-drop method

2 结果与讨论

2.1 沥青的表面张力

运用悬滴法实验测定了5种沥青在高温条件下的表面张力，每一个温度下平行测定3次，取平均值后的表面张力数据列于表3。由表3可知，在高温条件下沥青的表面张力在24～30 mN/m；同一温度下改性沥青表面张力略大于基质沥青，随着温度的升高，沥青表面张力减小。

表3 沥青的表面张力Table 3 The surface force of asphalt

为能够更直观地体现沥青表面张力与温度的关系，作表面张力与温度的关系曲线，结果见图4。5种沥青表面张力随温度升高呈线性减小，拟合直线方程斜率K及线性相关系数R2如表4所示。沥青表面张力随温度的升高呈线性减小的趋势，5种沥青表面张力随温度变化拟合方程线性相关系数均大于0.99，即温度升高，沥青与集料的黏附性能降低；对于基质沥青，同一温度下沥青标号越低，表面张力越大，改性沥青表面张力变化率大于基质沥青。

图4 沥青表面张力随温度变化关系

Fig.4 Surface force of asphalt varied with the temperature

表4 沥青表面张力随温度变化直线方程斜率K及线性相关系数R2Table 4 Slope K and linear correlation R2 for the surface force-temperature curve of asphalt

2.2 沥青在集料表面接触角

沥青在集料表面接触角的测量温度与沥青表面张力的测量温度对应。对于基质沥青，实验测试了110～190 ℃间隔20 ℃下集料的接触角；而由于两种改性沥青的黏度较大，温度低时不利于液滴滴下，故测试了140～190 ℃间隔10 ℃与两种集料的接触角。实验测得沥青在集料表面的接触角数据列于表5、表6。根据表5、表6中的数据作出接触角随温度的变化曲线，如图5所示(以石灰岩为例)。

表5 基质沥青与集料接触角数据Table 5 Contact angle of base asphalt and aggregate

表6 改性沥青与集料接触角数据Table 6 Contact angle of modified asphalt and aggregate

图5 接触角与温度关系曲线(石灰岩)

Fig.5 Contact angle varied with the temperature (limestone)

由表5、表6和图5可知，随着温度逐渐升高，沥青在集料表面的接触角迅速变小，即随着温度的升高沥青的黏度降低，流动性增强，对集料的润湿能力增强；而在同一温度下，沥青的黏度越大，沥青与集料的接触角越小。温度是沥青黏度的主要影响因素，因此可以判定沥青在集料表面的润湿、铺展状态主要取决于某一温度条件下的黏度状态。

2.3 沥青与集料黏附性评价

根据沥青在110～190 ℃的表面张力及对应温度下沥青在集料表面的接触角数据，根据润湿理论的表述，结合黏附功计算公式(3)即可计算沥青与集料在高温温度范围内黏附功，由黏附功的大小即可对沥青在高温状态下对集料的润湿性能进行定量的评价，实验结果如表7、表8所示。根据表7、表8中数据作沥青与集料的黏附功随温度的变化曲线，如图6所示(以石灰岩为例)。

表7 基质沥青与集料黏附功数据Table 7 Adhesion work of base asphalt and aggregate

表8 改性沥青与集料黏附功数据Table 8 Adhesion work of modified asphalt and aggregate

图6 黏附功与温度关系曲线(石灰岩)

Fig.6 Adhesion work varied with the temperature (limestone)

由表7、表8和图6可知，随着温度的升高，5种沥青与集料的黏附功先增大后减小；在同一温度下，同种沥青与玄武岩和石灰岩集料的黏附功数值接近，而不同沥青与两种集料的黏附功数值相差较大，且基质沥青与两种集料的黏附功大于改性沥青与两种集料的黏附功。分析其原因是由于黏附功的数值大小受沥青的表面张力和沥青在集料表面的接触角大小的影响，而且温度和沥青的黏度是影响表面张力和接触角大小的主要因素。因此可以得出，在高温状态下，温度及在此温度下沥青的黏度是影响沥青与集料的黏附功大小的主要因素。

黏附功的大小表征了沥青对集料的润湿性能，由高温温度范围内沥青与集料黏附功的数值可以看出，随着温度的升高，沥青对集料的润湿性能先增强后减弱；在同一温度下，同种沥青对玄武岩和石灰岩集料的润湿状态相近，而不同沥青对两种集料的润湿性能相差较大，且基质沥青对两种集料的润湿能力好于改性沥青对两种集料的润湿能力。沥青对集料的润湿能力主要受温度的影响。

由黏附功随温度的变化关系，拟合方程得到黏附功随温度变化的二次曲线，曲线存在最大值点，即在高温温度范围内沥青与集料存在最大黏附功。同样作沥青与玄武岩集料的黏附功随时间变化曲线，拟合得到黏附功与温度的曲线方程及拟合曲线相关系数R2，如表9所示。

由表9可知，基质沥青和改性沥青与集料的黏附功随温度的变化均呈二次曲线关系，线性拟合系数大于0.95。计算方程的峰值点坐标，即得到在高温温度范围内沥青与集料的最大黏附功及其所对应的温度。

表9 黏附功随温度变化曲线方程和相关系数R2Table 9 Equation and linear correlation R2 of the adhesion work-temperature curve

表10为5种沥青与两种集料的最大黏附功及最大黏附功对应的温度数据。结果表明，不同黏度的基质沥青、不同软化点和黏度的改性沥青，最大黏附功数值差别不大，但对应最大黏附功的温度有明显差别。根据表10中数据作最大黏附功对应温度与沥青黏度和软化点的对比图，结果见图7和图8。

表10 沥青与集料最大黏附功及对应温度Table 10 The maxsimum of adhesion work and its corresponding temperature

根据表10中的数据，结合图7、图8可以看出，在高温下同种沥青与两种集料的最大黏附功几乎相等，改性沥青与集料黏附功小于基质沥青与集料黏附功，且3种标号的基质沥青与集料的最大黏附功接近，两种改性沥青与集料的最大黏附功接近；不同沥青与集料出现最大黏附功时对应的温度不同，黏度越大、软化点越高的沥青达到与集料最佳黏附状态时所需要的温度越高，同种沥青对两种集料的最佳黏附状态时所需要的温度相近。

图7 最大黏附功对应温度与沥青黏度的对比

Fig.7 Comparison of the maximum of adhesion work and the viscosity of asphalt

图8 最大黏附功对应温度与沥青软化点对比

Fig.8 Comparison of the maximum of adhesion work and the softening point of asphalt

综合上述实验结果可以看出，黏附功的数值大小受沥青的表面张力和沥青在集料表面的接触角大小的影响，而温度是影响表面张力和接触角大小的主要因素，因此对于不同黏度的沥青，在高温状态下达到与集料的最大黏附功需要满足相对应的温度。沥青与集料的黏附作用涉及到复杂的物理化学反应，高温状态下黏附功很难反映沥青与集料在实际路面温度下的黏附性能，但是它可以反映出液态沥青在高温状态下的黏度及集料润湿状态。在最大黏附功对应的温度下沥青在集料表面最易润湿、铺展，代表了沥青与集料处在最佳润湿状态。

3 结论

(1) 随着温度的升高，沥青在集料表面的接触角迅速变小，温度越高，沥青越容易润湿、黏附集料；同一温度下沥青的黏度越小对集料的润湿、黏附性越好。在同一温度下，同种沥青与不同集料的黏附功数值接近，而不同沥青与两种集料的黏附功数值相差较大，且基质沥青与两种集料的黏附功大于改性沥青与两种集料的黏附功。

(2) 沥青与集料的黏附功随温度的变化呈二次曲线关系，且曲线存在最大值点，在满足最佳润湿状态温度条件下，基质沥青与集料具有较好的黏附性；黏度越大、软化点越高的沥青达到与集料最佳黏附状态时所需要的温度越高，同种沥青对两种集料的最佳黏附状态时所需要的温度相近。最大黏附功所对应的温度，可用于指导沥青与集料拌和温度的选择。

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(编辑 宋官龙)

Wettability and Adhesion Work between Different Kinds of Asphalt and Mixture

Liu Yanjun1,2, Zhang Yuzhen1

(1.CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,QingdaoShandong266580,China; 2.CNOOCOil&PetrochemicalsCo.,Ltd.,Beijing100029,China)

Based on the wetting theory, the wettability between different kinds of asphalt and mixture has been studied. The adhesion work is calculated by the data of asphalt surface tension and contact angle test, and the quantitative evaluation of the wettability between the asphalt and mixture in different temperature is carried out through the data of the adhesion work. The results show that, the adhesion work data between the same kinds of asphalt and different kinds of mixture are close at the same temperature, and it will be quite different if the type of asphalt is changed. The data variation of the adhesion work between asphalt and mixture with temperature presents the conic relationship, and there is a maximum point in the curve. Therefore, asphalt and mixture can keep in an optimum wetting condition in the specific temperature. The greater the viscosity and the soft point of asphalt, the higher temperature is need for asphalt and mixture getting to the optimum wetting condition. If the type of asphalt is in the same, the temperature of its optimum wetting condition is close. The maximum point of the adhesion work represents the optimum wetting condition between asphalt and mixture, which can be used to guide the selection of the best mixing temperature for asphalt and mixture.

Asphalt; Aggregate; Contact angle; Adhesion work

1006-396X(2017)03-0001-08

2017-04-12

2017-04-26

山东省自然科学基金项目(ZR2014EEQ005)。

刘延军(1979-)，男，博士研究生，工程师，从事重质油加工方面的研究；E-mail：lyjbhd@163.com。

张玉贞(1959-)，女，博士，教授级高级工程师，博士生导师，从事重质油加工方面的研究；E-mail: zhangyuzhen 1959@163.com。

TE624

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.03.001

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn