表面自由能理論在瀝青混合料中的應用研究現(xiàn)狀

杜蓉華

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

表面自由能是材料表面分子間作用力的體現(xiàn)[1]，與固體材料表面潤濕性能關系密切。表面自由能理論目前在食品、涂料、膠體學科以及能源化學等相關領域的應用較為廣泛，而在道路材料方面的研究目前尚處起步階段。相關文獻[2]中提到表面自由能理論應用于瀝青混合料體系的研究始于1997年；表面自由能理論在瀝青混合料方面的研究主要體現(xiàn)在瀝青與集料接觸界面的黏附性、瀝青混合料水穩(wěn)性等方面[3-4]。

筆者首先對表面自由能基本原理、定義等理論背景進行闡釋與說明；其次，重點介紹了躺滴法測試瀝青表面自由能這一常見方法，并詳細介紹該方法測定表面及各參數(shù)的計算方法；最后通過回顧國內(nèi)外研究內(nèi)容，分析表面自由能用于瀝青路面水損害、瀝青-集料黏附性等方面的研究，總結(jié)表面自由能在瀝青與瀝青混合料的應用與研究現(xiàn)狀，并對表面自由能后續(xù)深入研究進行了展望。

1 基本原理

表面自由能為在真空條件下分開固體（或液體）并產(chǎn)生一個新的表面所需要的功[5]。分開物質(zhì)1與物質(zhì)2所做的功，數(shù)值上等于1與2接觸（黏附）而引發(fā)Gibbs自由能減小的量，而Gibbs自由能減小的量可表示如式（1）。

圖1 黏附過程

式中：ΔG為1與2接觸引發(fā)Gibbs自由能減小的量；W12為 1-2 黏附功；γ1、γ2分別為 1、2 的表面自由能；γ12為1-2的表面張力。

2 瀝青表面自由能測試方法

關于瀝青表面自由能的測試方法，目前國內(nèi)外主要有：懸滴法、滴重法、du Noüy吊環(huán)法、Wilhelmy吊片法、原子力顯微鏡法、核磁共振法、躺滴法、反氣相色譜法。

躺滴法是目前測試瀝青表面自由能及相關參數(shù)較為常用的方法，該方法是將一定體積已知表面能參數(shù)的躺滴液體滴定于試樣表面，通過測量躺滴液體與試樣之間形成的接觸角，反算被測試樣的表面能參數(shù)[6]。采用躺滴法進行瀝青表面自由能、瀝青極性分量、極性色散分量的基本原理及試驗方法如下。

依據(jù)Fowkes[7]以及Owens[8]的研究理論，將瀝青的表面自由能γb表示如式（2）：

依據(jù)圖2可建立平衡方程，如式（3）：

式中：γgs為瀝青的表面張力；γgl為躺滴液體的表面張力；γls為躺滴液體與瀝青之間的界面張力；θ為γgl與γls的夾角。

圖2 Young三角理論示意圖

其中θ的測量可借助接觸角試驗儀器進行測量，瀝青試樣及接觸角測量儀如圖3。

圖3 瀝青試樣及接觸角測量儀

滴定液體與瀝青接觸后成像，測定液滴高度H與寬度 2R（圖 4），依據(jù)公式（4）反算接觸角[10-11]。

圖4 小液滴測量法

待瀝青試樣與不同滴定液體接觸角測量后，可進行瀝青極性分量、色散分量的計算。固體-液體表面自由能可表示為：

將式（5）帶入式（3）可推出：

3 材料表面能參數(shù)與路用性能關系

材料表面能參數(shù)與瀝青路面性能相關方面的研究，主要體現(xiàn)在材料表面能參數(shù)與瀝青路面水損害、混合料強度、瀝青-集料黏附性能的關系研究。

NCAT[12]研究表明，瀝青路面水損害主要的破壞類型為黏聚破壞、黏附破壞。黏聚破壞為瀝青內(nèi)部破壞，而黏附破壞發(fā)生在瀝青與集料的表面處，即“剝落”現(xiàn)象。而依據(jù)表面能基本原理，可定量表征對瀝青內(nèi)聚功、瀝青-礦料黏附功，如Bhasin[4]提出根據(jù)表面自由能可對瀝青-礦料黏附性進行量化。在此基礎上，美國Texas A&M大學多位學者如Elphingstone[13]、Cheng D[14]，對不同瀝青、礦料的表面自由能參數(shù)進行測定，并進行了瀝青內(nèi)聚功、有水及無水狀態(tài)下瀝青與礦料之間黏附功的計算，研究表明表面自由能可以對瀝青混合料的疲勞性能以及抗水損害性能進行較好預測，且與瀝青材料相比，礦料表面性能對瀝青-礦料之間的黏附過程起著主要的作用。

國內(nèi)部分學者基于表面自由能理論，對瀝青混合料水穩(wěn)性能進行了研究。如成志強[10]、郭鵬[11]等研究了溫拌瀝青的表面自由能及相關參數(shù)對瀝青混合料水穩(wěn)性能的影響，結(jié)果表明瀝青極性分量與瀝青混合料劈裂強度呈負相關，而瀝青色散分量與瀝青混合料劈裂強度呈正相關；Sasobit?溫拌劑對瀝青的表面自由能以及色散分量具有降低作用，同時對瀝青的極性分量具有增大作用，最后導致Sasobit?溫拌瀝青混合料的強度及水穩(wěn)性能的降低；而EvothermTM溫拌劑對瀝青-礦料黏附性能具有增強作用，從而進一步提高再生瀝青混合料的水穩(wěn)性能。

至于表面自由能參數(shù)與瀝青-集料黏附性關系的研究，首先王元元[15]、陳燕娟[16]對表面能用于評價瀝青與礦料之間黏附性的可行性進行了試驗研究，建立有水條件下瀝青與礦料黏附模型，并通過建立水煮3 min質(zhì)量剝落率與表面能理論計算的黏附功、內(nèi)聚功等指標之間的規(guī)律；結(jié)果表明，將表面能理論作為一種定量評價瀝青與石料抗水毀性能的標準和方法是可行的。

韓森[17]借助表面能理論，通過測定瀝青與集料的表面能參數(shù)，研究瀝青-集料界面的黏附性能。結(jié)果表明：不同瀝青與不同集料間黏附性能不同，且瀝青和集料擁有較大的Lewis酸堿性力產(chǎn)生的黏附功和較小的范德華力產(chǎn)生的黏附功，有利于提高瀝青-集料界面的黏附性能。

另外，肖慶一[18]基于表面能理論進行除冰鹽侵蝕瀝青-礦料黏附機理研究，以此優(yōu)選對黏附性影響較小的除冰融雪劑。

4 結(jié)語

與國外相比，我國關于表面自由能理論在公路建材方面的研究，目前尚少、起步較晚，且多數(shù)集中于表面自由能理論在公路行業(yè)的適用性、可行性方面的探索性研究。但多數(shù)研究證實，表面自由理論可較好解釋瀝青及瀝青混合料強度形成機理，后續(xù)可加強基于表面自由能測試手段的瀝青-集料黏附性定量評價方法與指標，以及通過對瀝青表面參數(shù)的改性，以提高瀝青混合料材料整體強度等方面的相關研究。