李秀君,高世柱,葉锫锫,邵 晗,王 晨
(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)
近年來(lái),微表處技術(shù)因其具有高抗磨耗性、抗?jié)B性、耗能少且無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),逐漸被應(yīng)用到高等級(jí)公路上。但在實(shí)際工程中常因乳化瀝青與集料黏附性不足而發(fā)生水損害,使微表處層出現(xiàn)剝落,引發(fā)各種路面病害。目前,已有國(guó)內(nèi)學(xué)者[1-3]通過(guò)理論及水煮法試驗(yàn)證明了水性環(huán)氧樹(shù)脂作為抗剝落劑可改善乳化瀝青與集料的黏附性,但目前的研究屬于定性評(píng)價(jià),并且水性環(huán)氧樹(shù)脂的摻加方式和摻量對(duì)黏附性的改善效果還未系統(tǒng)研究。我國(guó)現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)標(biāo)準(zhǔn)中采用的水煮法評(píng)價(jià)乳化瀝青與集料黏附性尚有諸多不足,如試驗(yàn)中對(duì)于微沸狀態(tài)難以控制、試驗(yàn)結(jié)果主觀性較強(qiáng)、不能進(jìn)行定量評(píng)價(jià),無(wú)法對(duì)細(xì)集料與瀝青的黏附性進(jìn)行評(píng)價(jià)[4-5]。為解決水煮法的缺陷,國(guó)內(nèi)外學(xué)者[6-10]引入表面能理論,以黏附功等參數(shù)為指標(biāo),針對(duì)普通瀝青與集料的黏附性開(kāi)展研究,但尚未開(kāi)展對(duì)摻入水性環(huán)氧樹(shù)脂的SBR改性乳化瀝青與集料的黏附性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的相關(guān)研究。
為克服改性乳化瀝青與集料黏附性評(píng)價(jià)方法的缺陷,從定性和定量的角度研究水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)改性乳化瀝青與集料黏附性影響規(guī)律,本研究引入表面能理論,從功和能的角度研究不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻加方式和摻量下改性乳化瀝青與集料黏附性。最后通過(guò)改進(jìn)的水煮法對(duì)表面能理論加以驗(yàn)證,建立二者之間的聯(lián)系,并提出對(duì)應(yīng)的表面能理論評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。
將液體滴在表面光滑的固體上會(huì)形成液滴,如圖1,2所示。根據(jù)Young方程[11],液體對(duì)固體的濕潤(rùn)作用可用黏附功表示為:
Wslv=γlv(cosθ+1)
(1)
圖1 膠結(jié)料接觸角拍攝圖片F(xiàn)ig. 1 Cement contact angle photograph
式中:Wslv為固-液表面的黏附功;J;γlv為液滴的表面能,J·m-2;θ為接觸角。
圖2 石料接觸角拍攝圖片F(xiàn)ig. 2 Graphics of stone contact angle
(1)黏附模型[12]
跨越某一界面的黏附功可由其分子之間相互作用所產(chǎn)生的黏附功綜合組成,結(jié)合范德華力理論和Lewis酸堿理論[13],瀝青與石料的黏附功可表示為:
(2)
式中:W為瀝青-石料黏附功,J;ΔG為比表面能變化量,J;γ為表面能,J·m-2;角標(biāo)“a”、“s”、“as”、“LW”、“+”、“-”分別表示瀝青、石料、瀝青-石料界面、范德華力、酸性、堿性。
(2)剝落模型[12]
在外界荷載反復(fù)作用下,石料表面的瀝青膜被水分侵入,水分逐漸取代瀝青膜,最終石料表面被水膜包裹,瀝青剝落。根據(jù)范德華力理論和Lewis酸堿理論,該過(guò)程的比表面能變化可表示為:
(3)
式中:角標(biāo)“w”、“asw”、“AB”分別表示水、水損害過(guò)程、酸堿性力。
(3)水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)[14]
Bhasin基于黏附剝落理論和大量試驗(yàn)研究,提出混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)ER1與ER2。
ER1=|Was/Wasw|
(4)
ER2=|(Was-ΔG)/Wasw|
(5)
因ER2考慮了瀝青自身粘聚功在混合料中對(duì)水穩(wěn)定性的影響,因此本研究選用ER2(簡(jiǎn)稱ER)作為混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo),ER值越大,體系黏附性能和水穩(wěn)定性能越好。
3.1.1SBR改性乳化瀝青 選用的原材料為SBR改性乳化瀝青(3%SBR膠乳),其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
表1 SBR改性乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical specifications of SBR modified emulsified asphalt
3.1.2水性環(huán)氧樹(shù)脂(water-borne epoxy resin,WER) 微表處層中的膠結(jié)料除了具備高粘結(jié)性和高強(qiáng)度外,還應(yīng)具備一定的流動(dòng)滲入性,使微表處層能有較好的“根系”植入原路面,提高層間粘結(jié)性。因此,本研究選用兩種在工程中應(yīng)用效果較好且交聯(lián)程度不同的WER作為試驗(yàn)材料,分別標(biāo)識(shí)為W-1和W-2,其中W-1交聯(lián)程度較高,為46.69%(環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑配比為2∶3),體系中較多的水性環(huán)氧樹(shù)脂微粒與固化劑發(fā)生固化反應(yīng),生成的交聯(lián)點(diǎn)多且間距小,固化物強(qiáng)度較高,但流動(dòng)滲入性較差;W-2交聯(lián)程度較低,為36.99%(環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑配比為3∶2),固化物強(qiáng)度較低,但流動(dòng)滲入性較好。W-1和W-2的環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑兩組分性能如表2所示。
表2 WER體系的兩組分性能Table 2 Properties of two components of WER System
3.1.3集料 根據(jù)羅榮等[6]研究,石灰?guī)r與瀝青黏附性介于玄武巖和花崗巖之間,且本研究重點(diǎn)考慮因素為WER,因此采用黏附性適中的石灰?guī)r為試驗(yàn)集料,其性能如表3所示。
表3 集料性能技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indicators of aggregate performance
3.1.4確定表面能參數(shù)的液體試劑 基于Hossain[15]的研究成果,選用水、丙三醇、甲酰胺作為測(cè)試試劑,3種試劑的表面能參數(shù)如表4所示。
表4 3種試劑25 ℃表面能參數(shù)Table 4 Surface energy parameters of three reagents at 25 ℃ mJ·m-2
3.2.1WER摻加方式和摻量 通過(guò)對(duì)不同WER(W-1,W-2)摻量下改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的低溫性能(5 ℃延度)研究表明,當(dāng)WER摻量高于12%時(shí),其延度不滿足規(guī)范要求,因此試驗(yàn)采用4種不同WER摻量(占膠結(jié)料質(zhì)量分別為0%、4%、8%和12%)。據(jù)不同國(guó)家及地區(qū)對(duì)WER的摻加方式不同,選取3種常用的摻加方式,分別標(biāo)識(shí)為A(兩組分預(yù)先調(diào)和后加入到瀝青中)、W(兩組分預(yù)先調(diào)和加入到水中)和S(環(huán)氧樹(shù)脂加入到瀝青中,固化劑加入到水中)。
3.2.2乳化瀝青接觸角測(cè)定 因改性乳化瀝青乳液中含有水分,會(huì)對(duì)接觸角測(cè)量結(jié)果造成誤差,且微表處混合料的黏附性是指破乳后改性乳化瀝青與集料的黏附性,因此本研究采用躺滴法[16-18]測(cè)量不同液體試劑在光滑的改性乳化瀝青膜上形成的接觸角。具體實(shí)驗(yàn)步驟為:將載玻片放入制備好的膠結(jié)料乳液中1 min后取出,使其表面形成一層均勻的瀝青薄膜;重復(fù)上述過(guò)程兩次,使瀝青薄膜增厚并保持平整,在室溫下破乳;待試件表面完全破乳后,在其表面滴上測(cè)試液滴,測(cè)量液滴的接觸角,每種試劑測(cè)量3次,取均值。
3.2.3石料接觸角測(cè)定 石料接觸角測(cè)定的試驗(yàn)步驟為:選取表面平整光滑的石料,洗凈后放入烘箱內(nèi)烘干;配置水(A)、水+固化劑(S)、水+WER(W)三種溶液;固定石料使光滑面平行于地平面,將配置溶液倒在石料光滑表面;靜置至水分完全蒸發(fā)后,將測(cè)試液滴滴在試件表面并檢測(cè)接觸角。每種試劑測(cè)量3次,取均值。
3.2.4改進(jìn)的水煮法試驗(yàn) 因表面能試驗(yàn)變量較多,改進(jìn)的水煮法試驗(yàn)WER摻量只選用8%(占膠結(jié)料質(zhì)量),摻加方式仍為A、W、S,增設(shè)不摻WER為對(duì)照組,標(biāo)識(shí)為C。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中T0616-1993試驗(yàn)方法進(jìn)行水煮,通過(guò)稱量乳化瀝青裹附前后石料質(zhì)量變化量、水煮前后石料表面所裹附瀝青膜的質(zhì)量變化量,計(jì)算改性乳化瀝青的裹附率及剝落率,定量分析其與表面能匹配性指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
由3種試劑的表面能參數(shù)和實(shí)測(cè)接觸角θ,求得膠結(jié)料與石料表面能參數(shù),結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 膠結(jié)料與石料表面能參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculations of surface energy parameters of cements and stones
由膠結(jié)料表面能計(jì)算結(jié)果可知,單純的改性乳化瀝青表面能參數(shù)中范德華力與酸堿性力接近,加入W-1后,酸堿性力隨摻量的增加而增大,范德華力略微減弱,同時(shí)膠結(jié)料的酸性力γ+增大,有益于膠結(jié)料與堿性集料之間的黏附性。加入W-2后,酸堿性力與范德華力的大小差距更加明顯,且膠結(jié)料的酸性力γ+增大效果更明顯,對(duì)堿性集料黏附力的提升更大。
由石料表面能計(jì)算結(jié)果可知,拌合時(shí)將WER或固化劑加入到水中,削弱了表面能中范德華力的作用,顯著增大了酸堿性力的作用。隨著WER摻量增加,石料表面堿性力γ-大幅度增大,加強(qiáng)了表面的極性力,提高石料表面與瀝青的吸附作用。同時(shí),因固化劑為多胺固化劑,僅加入固化劑較加入WER能更大程度地提高石料表面堿性力γ-。
4.2.1黏附功與剝落功計(jì)算結(jié)果與分析 根據(jù)瀝青和石料表面能參數(shù)(表5),計(jì)算得到3種摻加方式下膠結(jié)料與石料界面在有水條件下的黏附功及無(wú)水條件下的剝落功。具體結(jié)果見(jiàn)表6。
表6 膠結(jié)料與石料間黏附功和剝落功計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculation results of adhesion and peeling work between cement and stone
對(duì)于黏附剝落模型計(jì)算結(jié)果,其黏附功Was均為正值,比表面能變化均為負(fù)值,即表面膠結(jié)料與石料間的黏附剝落過(guò)程是自發(fā)進(jìn)行,與實(shí)際現(xiàn)象吻合。
根據(jù)Was的大小,當(dāng)WER摻量較小時(shí),由于其固化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不完整,對(duì)瀝青與石料之間的黏附功提升較小甚至?xí)鸬较魅跣Ч?。隨著WER摻量增加,其固化網(wǎng)絡(luò)效果逐漸完善,WER強(qiáng)大的內(nèi)聚力發(fā)揮作用,使得瀝青與石料之間的黏附功增大,當(dāng)摻量達(dá)到12%時(shí),最大的黏附功較單純SBR改性乳化瀝青與石料間的黏附功增加了14.8%。結(jié)合表5分析可知,摻加方式A與S較大程度上增大膠結(jié)料中酸性力及石料表面堿性力作用,使膠結(jié)料與集料之間的電荷吸引增強(qiáng),黏附效果更好。摻加方式W雖在一定程度上增大了膠結(jié)料中酸性力及石料表面堿性力作用,但較大程度削弱了膠結(jié)料與石料的范德華力作用,使得摻加方式W的黏附性較其他摻加方式低,黏結(jié)效果較差。同時(shí),兩種WER加入到膠結(jié)料中,其對(duì)黏附功的提升效果區(qū)別較小,而加入到水中裹附在石料表面時(shí),由于兩種WER本身交聯(lián)度及內(nèi)聚力的差距,使得該摻加方式下W-1優(yōu)于W-2。
從表6可知,WER其自身具有較大的內(nèi)聚力,使得摻加WER的膠結(jié)料與石料的剝落功小于SBR改性乳化瀝青與石料的剝落功。結(jié)合表5分析,隨著WER摻量增加,摻加方式A中膠結(jié)料及摻加方式W中石料表面的酸堿性力作用增大而范德華力作用減小,使得剝落功呈現(xiàn)先減小后增大,WER摻量為8%時(shí),剝落程度較小。而對(duì)于摻加方式S,由于環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑沒(méi)有混合,固化程度較小,同時(shí)固化劑親水性較強(qiáng),使得其剝落程度隨摻量的增加而加深。同時(shí)不同種類的WER因其自身性能不同,摻加方式的改變對(duì)剝落程度的削弱效果也不同,對(duì)于W-1,熱固性較好,交聯(lián)程度高,更適合兩組分調(diào)和使用,摻加方式A和W比S好;W-2交聯(lián)程度低,具有一定柔性,摻加方式W和S比A好。
4.2.2水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果和分析 將以上計(jì)算結(jié)果代入式(5)中即可求得水穩(wěn)定性指標(biāo)ER,具體結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 混合料水穩(wěn)定性指標(biāo)ER圖Fig. 3 Water stability index diagram of mixture
由圖3可知,因W-1粒度大且固化交聯(lián)程度高,其固化產(chǎn)物性能優(yōu)于W-2,故摻入到混合料中其ER總體上大于W-2。同時(shí),不同種類的WER因其自身性能不同,摻加方式的改變對(duì)ER影響結(jié)果也不同。對(duì)于交聯(lián)程度高的W-1,摻加方式A優(yōu)于S和W,即更適合兩組分預(yù)先調(diào)和后使用;同時(shí)W-1的固化產(chǎn)物在膠結(jié)料中更易形成發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)點(diǎn)更多,易吸收瀝青中的輕組分,使得瀝青黏度變大且流動(dòng)受阻,有利于提升膠結(jié)料粘聚力,使集料顆粒間形成穩(wěn)固的粘結(jié)(如圖4所示),因此W-1更適合作為改性劑來(lái)提高膠結(jié)料的穩(wěn)固粘結(jié)作用。對(duì)于交聯(lián)程度低的W-2,其摻加方式S優(yōu)于W和A,即更適合兩組分分開(kāi)使用;同時(shí)W-2交聯(lián)程度低,且兩組份分開(kāi)使用,固化反應(yīng)速度相對(duì)較慢,使得膠結(jié)料乳液的流動(dòng)滲入性更好,更易滲入原路面,并通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)生成固化物“根植”于原路面(如圖5所示),形成較好的層間粘結(jié)作用,因此W-2更適合用于改性SBR改性乳化瀝青,改性后的膠結(jié)料適合作為層間粘結(jié)劑使用。當(dāng)WER摻量較低時(shí),水性環(huán)氧樹(shù)脂分子間的吸引力較低,均勻地分散于瀝青相中,同時(shí)水性環(huán)氧分子與瀝青分子的相互交聯(lián),使得黏附功增長(zhǎng)較快,剝落功減小較慢,ER呈增長(zhǎng)趨勢(shì);當(dāng)WER摻量增至8%時(shí),水性環(huán)氧樹(shù)脂分子間作用力不斷增大,與瀝青分子間的吸引力達(dá)到平衡,使得ER達(dá)到最大值;隨著WER摻量繼續(xù)增大,水性環(huán)氧樹(shù)脂分子之間的吸引力遠(yuǎn)大于其與瀝青分子間的吸引力,水性環(huán)氧樹(shù)脂分子在瀝青相中開(kāi)始團(tuán)聚,但同時(shí)WER又具有較大的內(nèi)聚力,使得黏附功增長(zhǎng)速率下降,而剝落功增大,ER開(kāi)始減小。
圖4 W-1穩(wěn)固粘結(jié)作用機(jī)理Fig. 4 Mechanism of W-1 improving cement stability
圖5 W-2改性后層間粘結(jié)作用機(jī)理Fig. 5 Adhesion mechanism between layers after W-2 with low crosslinking degree
由改進(jìn)的水煮法試驗(yàn)結(jié)果圖6,7可知,W-1中摻加方式A裹附率較高且剝落率較低,摻加方式S及W裹附率與剝落率區(qū)別較小,但較不摻加WER其黏附性及抗剝落性能有較大的提升。主要因?yàn)榉绞紸是將兩組分調(diào)和后加入改性乳化瀝青中,樹(shù)脂固化和乳化瀝青破乳同時(shí)進(jìn)行,W-1固化產(chǎn)物與瀝青相互纏繞交叉,且W-1交聯(lián)度高,固化后具有很強(qiáng)的內(nèi)聚力,體系中含有活性較大的羥基、環(huán)氧基以及胺鍵、醚鍵和酯鍵等極性基團(tuán),能夠與集料表面的硅羥鍵發(fā)生鍵合作用,與集料表面的缺電子位形成氫鍵和共價(jià)鍵,增加了瀝青與集料的黏附性能,降低了瀝青的剝落率。W-2中摻加方式A和W裹附率較高但剝落率也較大,膠結(jié)料易于黏附但黏附效果較差,在水作用下易剝落,摻加方式W裹附率雖不高,但仍高于不摻加W-2,且剝落率較低。主要因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂組分中含有大量苯環(huán),苯環(huán)為剛性基團(tuán)且空間位阻大,在乳化瀝青中提高了膠結(jié)料的內(nèi)聚力和高溫穩(wěn)定性,同時(shí)組分B分子結(jié)構(gòu)中含有陽(yáng)離子基團(tuán),裹附于石料表面增加了石料表面堿性力,提高與瀝青的黏附性,兩種共同作用使得摻加方式W的剝落率較低。因此,根據(jù)改進(jìn)的水煮法試驗(yàn)結(jié)果,W-1最佳摻加方式為A,即兩組分調(diào)和使用;W-2的最佳摻加方式為S,即兩組分分開(kāi)使用,這與表面能計(jì)算指標(biāo)ER結(jié)果一致。
圖6 摻加方式對(duì)瀝青裹附率的影響Fig. 6 Influence of mixing mode on asphalt binding rate
圖7 摻加方式對(duì)瀝青剝落率的影響Fig. 7 Influence of mixing mode on asphalt spalling rate
將表面能水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)ER和水煮法的瀝青剝落率T的關(guān)系繪制于圖8,同時(shí)采用線性關(guān)系式進(jìn)行擬合并建立二者關(guān)系。
圖8 水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)ER與瀝青剝落率T的關(guān)系Fig. 8 Relationship between water stability evaluation index ER and asphalt spalling rate T
由圖8可知,ER與T之間呈較好的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.95以上,表明水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)越大,瀝青剝落率越低,膠結(jié)料與石料的黏附性及抗水損害性能越好,這與其他學(xué)者[19-21]研究結(jié)果規(guī)律一致。
同時(shí)水煮法試件雖剝落率最高達(dá)到43.14%,但其剝落面積較小,黏附性等級(jí)均達(dá)到4級(jí)及以上。結(jié)合黏附等級(jí),并以水煮法中兩種WER的最高剝落率(TW-1=31.6%,TW-2=43.14%)作為界限,可初步得到針對(duì)這兩種WER(摻量為8%)在黏附等級(jí)滿足4級(jí)的情況下,其表面能水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)ER對(duì)應(yīng)的要求分別為:
(6)
(7)
式中:TW-1、TW-2分別為W-1、W-2的剝落率臨界值(摻量8%);ERW-1、ERW-2分別為滿足黏附性等級(jí)4級(jí)以上時(shí)對(duì)應(yīng)的表面能水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。
由式(6),(7)可得到兩種摻加WER后膠結(jié)料的表面能水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)要求,為量化評(píng)價(jià)乳化瀝青與集料的抗水損害性能提供了另一種技術(shù)方法。該技術(shù)方法不僅能定量評(píng)價(jià)乳化瀝青與集料的黏附性,還能避免水煮法試驗(yàn)中對(duì)微沸狀態(tài)難以控制、實(shí)驗(yàn)結(jié)果人為主觀性強(qiáng)等缺陷。并且通過(guò)該方法,能夠從范德華力和酸堿性力等較為微觀層面角度分析外摻劑和其中的不同成分對(duì)乳化瀝青和集料黏附性能的影響規(guī)律,甚至能夠以此來(lái)指導(dǎo)對(duì)外摻劑性能的改良和對(duì)集料表面處理來(lái)提高SBR改性乳化瀝青與集料的黏附性。
1.WER能通過(guò)影響膠結(jié)料和集料表面能參數(shù)中的范德華力與酸堿性力來(lái)影響二者的黏附性能;WER使膠結(jié)料和集料的范德華力減弱,但膠結(jié)料的酸性力和石料的堿性力均大幅增大。
2.粒度大且固化交聯(lián)程度高的WER摻入到混合料中,改善了黏附抗剝落性。對(duì)于熱固性較好、交聯(lián)程度高的W-1,更適合采用兩組分預(yù)先調(diào)和后再加入到瀝青中的改性方法,來(lái)提高膠結(jié)料的穩(wěn)固粘結(jié)作用;而具有一定柔性且固化劑親水親油性強(qiáng)的W-2,更適合采用環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑分別加入到瀝青、水中的改性方法,用于改性SBR改性乳化瀝青,作為層間粘結(jié)劑使用。
3.受WER分子與瀝青分子相互交聯(lián)程度不同的影響,水穩(wěn)定性能指標(biāo)ER隨著WER摻量的增加,呈先增長(zhǎng)后下降的規(guī)律。在實(shí)際工程中為使混合料具有較好的水穩(wěn)定性,需確定最優(yōu)WER摻量。
4.采用改進(jìn)的水煮法對(duì)表面能理論加以驗(yàn)證,水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)ER和瀝青剝落率T呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)線性關(guān)系。通過(guò)限制水煮法最高剝落率,確定滿足相應(yīng)黏附等級(jí)條件下ER的限值,從而提供了可有效量化評(píng)價(jià)SBR改性乳化瀝青與集料的水穩(wěn)定性的方法。該方法有效解決了水煮法對(duì)微沸狀態(tài)難以控制、實(shí)驗(yàn)結(jié)果人為主觀性強(qiáng)等缺陷。