基于表面自由能理论的沥青与集料匹配性分析

■何炎恋

（福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州 350008）

沥青混合料是由沥青、集料与空隙组成的复合材料，其中沥青与集料的黏附性能匹配性直接关系到沥青混合料的使用性能。 若沥青与集料的匹配性能不佳，将导致沥青极易从集料表面剥落，造成沥青路面出现坑洞、唧浆、脱空等水损害现象，降低沥青路面的使用功能性与服役耐久性[1]。 因此，如何准确量化沥青与集料的黏附性能匹配性已成为当前道路工程界研究的核心科学问题之一。

为量化沥青与集料的黏附性能匹配性，国内外学者开展了大量的研究工作，并提出了多种试验方法与评价体系， 其中最具代表性的是沥青-集料的水煮法，即通过肉眼观察浸煮后集料表面沥青的剥落情况进行评级。 这一方法由于仪器易得、操作简单、快捷高效等优点已被我国规范列为沥青与集料匹配性分析的标准方法。 然而，通过肉眼观察集料表面沥青的剥落程度无法准确量化沥青-集料的黏附性能，更无法有效评价沥青与集料各自对黏附性能的贡献权重[2]。 鉴于此，本文拟采用目前国际上前沿的表面自由能理论进行沥青与集料的黏附性能研究，以期为准确量化沥青与集料的匹配性提供理论与试验支撑。

1 表面自由能理论

1.1 基本定义

表面自由能是用来表征材料物理、化学及热动力学特性的参数，它是指材料产生单位面积的裂缝释放的能量。表面自由能最早于21 世纪初由美国德州农工大学引入至道路工程领域[3]，用于评价沥青混合料的自愈合、抗开裂、抗水损害等性能，随后该理论被广泛用于量化沥青混合料的性能。 材料的表面能一般采用字母γ 表示，单位为ergs/cm2。 GvOC 模型是目前使用最为广泛的表面能模型[4]，其充分考虑了材料之间的非极性作用力与极性电子之间的作用力。 在该模型中，材料的表面能由非极性色散分量γLW、极性酸分量γ+及极性碱分量γ-组成，其中极性酸分量与极性碱分量组成材料的极性分量γAB。

1.2 界面结合能

当沥青（采用i 表示）与集料（采用j 表示）两相界面接触时，其黏附性能可通过黏附结合能进行表征，如式（1）所示，该值越大表明沥青-集料的黏附性能越好。 当有水（采用k 表示）存在时，水会自发从集料表面置换沥青，此时沥青-集料-水三相介质界面的黏附结合能采用表示，如式（2）所示，该值越大，表明水对沥青-集料界面的侵蚀程度越深[5]：

1.3 匹配性评价体系

为准确量化沥青-集料的匹配性， 需同时考虑沥青-集料的界面黏附性与润湿性， 提出采用下式（3）作为量化沥青与集料匹配性的评价指标：

式（3）中：ER 表示匹配性评价指标，该值越大，表明沥青与集料的匹配性越好；γi、γj分别表示沥青与集料的表面能总量；γij表示沥青与集料的界面张力。

2 试验材料与方案

2.1 试验材料

选取4 种不同类型集料作为试验用集料材料，包括石灰岩、辉绿岩、破碎砾石与角闪岩，同时选取1 种基质70#沥青作为试验用沥青材料， 各集料与沥青的基本性能指标分别汇总于表1、2。

表1 集料的基本性能指标

表2 基质70# 沥青的基本性能指标

2.2 表面能试验

对于集料， 采用蒸汽吸附法测试其表面能参数[6]。 首先，选取3 种已知表面能参数的测试试剂蒸汽（包括蒸馏水、2-戊酮与甲苯）；其次，通过蒸汽吸附仪连续测试在20°C 条件下集料样品对各试剂蒸汽不同蒸汽压下的饱和蒸汽吸附量，采用吉布斯吸附方程计算得到集料对各试剂蒸汽的扩散压力；并最终通过GvOC 模型联立方程组求解集料的3 个表面能基本参数。

对于沥青，采用插板法测试其表面能参数[7-8]。首先，选取5 种已知表面能参数的测试试剂（包括蒸馏水、甲酰胺、丙三醇、乙二醇与二碘甲烷），其次，通过表面张力仪测试涂膜沥青玻片在浸入测试试剂过程中形成的接触角，最后，通过GvOC 模型联立方程组计算沥青的表面能参数。

2.3 宏观水稳定性试验

为验证表面能理论体系的可靠性，本研究将进行沥青与不同集料组成沥青混合料的宏观水稳定性试验，包括冻融劈裂试验与冻融循环无损动态模量试验。 其中冻融劈裂试验参照规范进行，具体试验操作这里不再详述。 在冻融循环无损动态模量试验中， 首先将成型好的试件进行无损压缩模量测试，随后参照冻融劈裂试验条件，将试件进行饱水及冻融循环处理，保证试件饱水率在70%～80%，冻融循环处理后再次进行冻融循环试验，采用处理后的无损模量E*Wet与处理前的无损模量E*Dry比值评价沥青混合料的水稳定性。 冻融劈裂试验与无损动态模量试验装置分别如图1、2 所示：

图1 冻融劈裂试验

图2 无损动态模量试验

3 试验结果与分析

3.1 沥青与集料的表面能

将测试得到的沥青与集料的表面能参数汇总如表3 所示。 从表3 中各材料表面能参数分布可以看出，沥青属于非极性材料，集料属于极性材料，且以碱分量为主。

表3 沥青与集料的表面能参数

3.2 沥青-集料的匹配性分析及验证

基于测试得到的各材料的表面能参数，采用式（1）（2）计算不同沥青-集料组合在无水与有水条件下的黏附结合能，采用式（3）计算各材料组合的表面能匹配性指标，将计算结果汇总如图3 所示。 从图3 中可以看出，各集料与70# 沥青的匹配性指标排序为：石灰岩＞辉绿岩＞角闪岩＞砾石。

图3 黏附结合能及表面能匹配性指标计算结果

进一步， 将宏观水稳定性试验结果汇总如表4所示。 为更直接地观察表面能匹配性指标与宏观水稳定性指标之间的关联性， 以表面能匹配性指标（ER）为横坐标，宏观水稳定性比值为纵坐标，将三者关系如图4 所示。从图4 中可以看出，表面能匹配性指标与宏观水稳定性指标之间具有较好的线性正相关性，其相关系数均达到0.9 以上，证实了采用表面能匹配性指标评价沥青-集料匹配性的合理性。

图4 表面能匹配性指标与宏观水稳定性指标的关联性

表4 宏观水稳定性试验结果

4 结论

本文提出采用表面能理论研究沥青与集料的匹配性， 通过测试各沥青与集料样品的表面能参数， 计算沥青-集料组合在无水及有水存在条件下的黏附结合能及表面能匹配性指标，并通过宏观水稳定性试验进行验证，得出如下结论：（1）从沥青与集料的表面能参数分布来看，沥青属于典型的非极性材料，集料属于典型的极性材料，且表面能分量以碱分量主导；（2）不同沥青-集料组合的表面能匹配性指标与沥青混合料的宏观水稳定性评价指标之间具有良好的正相关性，验证了本文提出的考虑黏附性及润湿性的表面能匹配性指标的可靠性。