韓 森, 李 微, 劉夢梅, 劉亞敏, 馬英新

(長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

為防止公路瀝青路面發(fā)生水損害，消石灰作為一種有效的抗剝落劑，在一些發(fā)達國家取得了很好的應用效果，但是現有的瀝青與集料黏附性評價方法不能為消石灰改善黏附性提供一種量化的評價指標，難以定量分析消石灰改性效果[1-3].針對消石灰改善瀝青與集料黏附性的問題，Y.NIAZI等[4]通過對摻加消石灰的就地冷再生瀝青混合料性能的研究，發(fā)現消石灰能明顯提升混合料的MSR和TSR指標，水穩(wěn)定性也得到顯著改善.A.ALBAYATI等[5]和E.Y.HAJJ等[6]研究了消石灰摻加方法對瀝青混合料性能的影響，發(fā)現無論是用石灰水處理酸性石料還是直接用消石灰代替部分礦粉，混合料的水穩(wěn)定性較之前都有較大幅度的改善.郭乃勝等[7]對不同消石灰摻量下的硅石與瀝青的黏附等級及其混合料的TSR和滲水系數進行對比，得出2%摻量的消石灰效果最好，且其他各項路用性能均滿足要求.張祥等[8]發(fā)現花崗巖在石灰水浸泡之后與蒸餾水形成接觸角，其與蒸餾水的接觸角增大約10°，同時與瀝青黏附等級也上升到5級，說明石灰水使得花崗巖親水性減弱，而親油性增強.隨著表面物理化學測試技術的不斷發(fā)展，人們逐漸將表面能理論應用到瀝青路面領域.R.L.LYTTON等[9]和A.HEFER等[10]首次將表面能理論應用到瀝青黏附性研究，認為瀝青在石料表面的黏附主要是高溫瀝青液體對集料表面的潤濕作用，而在此過程中會出現表面能減小的現象，減小的這部分表面能就轉化成了黏附功，因此可以用黏附功來評價黏附性的好壞.廖玉春等[11]以表面能理論為基礎，評價了基質瀝青、改性瀝青與不同石料的黏附性，發(fā)現改性瀝青黏附性優(yōu)于基質瀝青，石灰?guī)r優(yōu)于其他類巖石，并且該結果與瀝青酸值等參數具有很好的相關性.JI J.等[12]和C.J.ZOLLINGER[13]通過試驗證明，在利用接觸角驗證瀝青與集料黏附性時，后退接觸角較前進接觸角更準確，并且利用表面能理論可量化比較不同抗剝落劑之間的改善效果.

已有研究在定量分析消石灰改善瀝青黏附性方面進展甚少，一般通過混合料水穩(wěn)性試驗，間接證明其改善瀝青黏附性的程度.為此，筆者基于表面能理論，通過測試計算，定量分析消石灰改善瀝青與酸性石料黏附性的大小，并通過水煮試驗予以進一步驗證.

1 試驗方案

1.1 原料與儀器

選用SK90#、現代90#、中海90#、SK70#、現代70#和中海70#等6種基質瀝青，其技術指標見表1.接觸角測量所使用的消石灰、蒸餾水、乙二醇和二氯甲烷等均為化學分析純，其中3種液體的表面能參數見表2.花崗巖為表面拋光的4.0 cm×4.0 cm×1.5 cm的石塊，如圖1所示.接觸角測量儀為德國OAC20視頻光學接觸角測量儀.

表1 基質瀝青技術指標

表2 3種測試液體表面能參數 mJ·m-2

圖1 花崗巖試件

1.2 試 驗

1)消石灰改性瀝青制備.將基質瀝青加熱至145 ℃，再將摻量(占基質瀝青的質量百分比)10%的消石灰分別加入到6種基質瀝青中，用攪拌機在3 000 r·min-1轉速下攪拌15 min，得到消石灰改性瀝青，備用.

2)瀝青與花崗巖石塊的接觸角參數測試.接觸角測量要求石塊和固體瀝青表面平整、光滑.為此需對花崗巖石塊表面進行拋光處理，首先在加工廠用橋式紅外線切割機將花崗巖石板切割成標準塊，并對表面進行簡單處理，獲得表面粗糙的花崗巖石塊，然后再用120目的砂條打磨石塊表面，直至石塊表面光滑，無明顯劃痕.瀝青試件制作時，將載玻片插入(150±5)℃的瀝青中取出，在(150±5)℃烘箱中水平放置1 min，使瀝青自然流淌，然后在無塵的室溫環(huán)境中自然冷卻12 h，備用.制作好的瀝青試件如圖2所示.

圖2 瀝青接觸角測試試件

花崗巖和瀝青的接觸角測量按照儀器操作規(guī)程，依步驟測量即可.為保證數據的準確性，每種材料測試5次，取平均值作為最終值.

3)水煮試驗方法.利用水煮試驗對黏附功試驗結果的準確度進行驗證，考慮到JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中對該試驗評價標準的粗糙性，筆者對該試驗進行部分改進，經水煮后，最終以裹覆瀝青的石料的表面瀝青質量損失率作為評價標準.

具體試驗方法如下：將石料用鐵絲系牢在(105±5)℃烘箱內加熱1 h后，利用分析天平(精確到小數點后4位)稱取其質量m0；然后將石料浸入到(150±5)℃的瀝青中，45 s后取出，室溫下放置2 h，稱其質量m1；最后，將冷卻的石料逐個在盛有沸水的燒杯中浸煮3 min后取出，再在65 ℃烘箱中放置48 h，以去除石料表面和孔隙中的水分，稱量其質量m2.經水煮試驗后，瀝青質量損失率P的計算式如下：

(1)

每種瀝青做5次平行試驗，取其平均值作為最終的結果.

2 表面能理論簡介

表面能理論認為，液體與固體之間的黏附性是一個表面自由能減小的過程，而這個過程是伴隨著液體潤濕固體表面而產生的.瀝青與石料間的黏附過程同樣可以用表面能理論來解釋，即石料表面的固-氣界面逐漸被瀝青與石料間的固-液界面所代替，從而使瀝青-石料體系整體的吉布斯自由能減小，減小的這部分吉布斯自由能就轉化成了瀝青與石料之間的黏附功，兩者關系如下：

Was=-ΔGas，

(2)

式中：Was為瀝青與石料間的黏附功；ΔGas為瀝青-石料體系的吉布斯自由能變化量.

從式(2)可以看出，Was與ΔGas互為相反數.表面能理論認為：Was的大小反映了瀝青與石料間發(fā)生黏附的難易程度，即Was越大，兩者越容易黏附，形成整體后也就越難分開，可定量地表征瀝青與石料間的黏附程度.根據表面能理論，有如下關系：

(3)

(4)

Was=γa+γs-γsa,

(5)

在式(3)和(4)的基礎上，將瀝青和石料的表面能參數帶入式(5)，便能得到干燥條件下瀝青和石料的黏附功，將以上公式合并，得到式(6)，可直接計算瀝青和石料黏附功，即

(6)

但是，瀝青在石料表面的剝落和脫離往往伴隨著水的存在，而且水的存在也是瀝青-石料界面破壞的主要原因，因此有必要研究有水存在時，瀝青(基質瀝青和摻加消石灰的瀝青)與集料黏附功的大小.根據表面能理論，當水、瀝青和石料三者共存時，水、瀝青和石料三相體系的黏附功Wasw由下式計算可得：

Wasw=-ΔGasw=γaw+γas=

-ΔGas-ΔGw+ΔGaw+ΔGsw,

(7)

(8)

3 結果分析

3.1 瀝青與花崗巖石塊表面能參數

測得摻消石灰前后，6種基質瀝青、花崗巖石塊與測試液體的接觸角，將其代入式(8)中，計算得到6種瀝青摻加消石灰前后和花崗巖石塊的表面能參數，計算結果見表3.

表3 摻消石灰前后瀝青與花崗巖石塊的表面能參數

由表3可知：① 無論是90#瀝青，還是70#瀝青，在摻加瀝青質量的10%的消石灰之后，其表面能參數均會出現一定程度的降低，且降低的程度與瀝青初始表面能相關，90#瀝青的降幅為7.6%～10.3%，70#瀝青的降幅要比90#瀝青少4.0%～6.9%.根據以往研究[14]可知，在瀝青表面能減少的情況下，可以降低瀝青拌和溫度，而不影響其拌和時黏度，因此，消石灰改性瀝青為混合料在較低溫度下拌和提供了條件，使其與石料更易拌和成一體.② 對比摻加消石灰前后6種瀝青的表面能參數可以發(fā)現，色散分量占總表面能的85%以上，而極性分量占比較低，這與之前的研究成果一致，充分說明瀝青是非極性材料[15].但是，通過分析改性前后瀝青色散分量的變化可知，消石灰改性瀝青色散分量所占比例要比基質瀝青的小.在經消石灰改性后，瀝青的總表面能減小，極性分量增大，表面能占比明顯增大，使瀝青極性增強.究其原因，氫氧化鈣為強堿，而瀝青為弱酸性物質，兩者混合后發(fā)生化學反應，改變了部分原有的分子結構，并生成少量鹽和水分，而鹽和水均具有極性，從而引起瀝青極性發(fā)生明顯變化.

3.2 添加消石灰對瀝青與石料黏附功的影響

分別測試了經消石灰改性前后的瀝青與花崗巖石料的接觸角，并計算黏附功，試驗結果(包括干、濕兩種情況)見表4.

表4 摻消石灰前后瀝青與花崗巖黏附功

由表4可知：① 干燥條件下，摻加消石灰前后的6種瀝青與花崗巖的黏附功均為正數，同理其表面自由能變化量為負，說明兩者在干燥條件下的黏附作用是自發(fā)的，不需要外界做功便可以粘結；在潮濕條件下，兩者之間的黏附功變?yōu)樨摂?，表面自由能變化量為正，說明在外界不做功時瀝青和花崗巖不會發(fā)生黏附作用，只有當外界對瀝青和花崗巖的接觸面做功的情況下，兩者才會粘結在一起.② 對比摻加消石灰前后瀝青與花崗巖的黏附功數值可以發(fā)現，摻加10%消石灰的改性瀝青與花崗巖的黏附功均出現不同幅度的增大，增幅為4.0%～14.0%，且干燥條件下，按黏附功增加幅度從大到小順序依次分別為克煉90#、SK90#、中海90#、中海70#、克煉70#和SK70#.在干燥條件下，消石灰對90#瀝青黏附性的改善效果優(yōu)于70#瀝青，瀝青更難從集料表面脫落.潮濕條件下，瀝青和花崗巖的黏附功均為負數，需要外界做功兩者才能發(fā)生粘結，但是根據黏附功變化趨勢可知，在摻加消石灰之后，其所需外界做的功明顯減小，即在潮濕條件下，相比于基質瀝青，消石灰改性瀝青更易與花崗巖發(fā)生粘結，而且在粘結后不發(fā)生破壞，其中改善效果最顯著的為SK90#瀝青，黏附功提升約為10.6%，而最差的為克煉70#，約為6.4%.③ 結合3.1小節(jié)中瀝青表面能參數的變化，并根據表面能相關理論，可以認為消石灰改善瀝青與酸性石料黏附性的原因，主要是在瀝青中加入消石灰后，瀝青的極性增強，即表面能的極性分量占表面能比例增大，而表面能理論認為，兩相或多相物質在粘結或濕潤時，黏附功與兩相物質極性的大小密切相關，且當兩相物質之間極性差別越小，兩者之間的黏附或濕潤性也就越好，越不易發(fā)生破壞.本試驗中，花崗巖表面能的極性分量為139.420 mJ·m-2，瀝青極性增強越多，其與花崗巖的黏附性也就越好.同樣，潮濕條件下該規(guī)律也適用，即三者表面能中極性分量差別越小，黏附效果越好，這很好地解釋了試驗中的現象.

3.3 室內水煮試驗

為驗證基于表面能理論試驗所得的黏附功的準確性，筆者進行了改進的水煮試驗，結果見表5.圖3為干燥時黏附功增加百分比與水煮試驗瀝青質量損失減少百分比相關性.

表5 摻消石灰前后水煮試驗結果 %

圖3 干燥時黏附功增加百分比與水煮試驗瀝青質量損失率減少百分比相關性

由表5可知：6種瀝青在摻加消石灰之后，花崗巖石料表面瀝青膜在經水煮試驗后的質量損失率均會下降，且6種瀝青質量損失率減少百分比的排序與黏附功試驗結果一致，即由大至小分別為克煉90#、SK90#、中海90#、中海70#、克煉70#和SK70#；結合圖3，不考慮消石灰的影響，摻加消石灰前后的6種瀝青與花崗巖石料的黏附功試驗結果也與其對應的瀝青質量損失率存在明顯的線性相關性，該關系亦間接證明了黏附功理論的準確性.

因此，綜合瀝青與花崗巖之間的黏附功數值和水煮試驗結果，可以認為消石灰在提高基質瀝青抵抗水損害能力方面有著明顯效果，而且應用表面能理論，能夠準確地量化消石灰的改善效果，為精確評價不同瀝青與石料間的黏附性提供了可能.

4 結 論

1)按照表面能理論進行試驗，結果表明：干燥條件下瀝青與花崗巖的黏附功為正，無需外力作用便可自發(fā)粘結；潮濕條件下瀝青與花崗巖黏附功為負，只有在外力作用下才能黏附.這也說明瀝青路面水損害是自發(fā)的熱力學現象，干燥條件和潮濕條件下摻加消石灰可將瀝青與花崗巖的黏附功最高提升14.0%和 10.6%.

2)消石灰摻入瀝青中，與瀝青發(fā)生化學反應，使瀝青表面能參數均降低的同時，改變?yōu)r青的極性，使其在自然狀態(tài)下更穩(wěn)定，保證瀝青-石料界面不被水破壞.

3)水煮試驗結果與表面能理論試驗結果規(guī)律一致，驗證了表面能理論的準確性，為定量評價消石灰等抗剝落劑的改善效果提供了可能.