集料與填料比表面積對其表面能參數(shù)的影響研究

苗 強(qiáng) 劉安剛 劉青海 羅 蓉 牛蘢昌

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063)(湖北長江路橋有限公司3) 武漢 430200)

0 引 言

瀝青路面面層瀝青混合料的設(shè)計和施工過程中，需要重點關(guān)注瀝青與集料的黏附性能，這直接關(guān)系到瀝青混合料的疲勞壽命、自愈合能力，以及水穩(wěn)定性等路用性能[1]．瀝青混合料是由集料、瀝青、填料三種材料多尺度不規(guī)則粒子堆積在一起混合而成的具有流變特性的復(fù)合材料．文獻(xiàn)[2]研究表明：在車輛荷載、溫度應(yīng)力，以及水的作用下瀝青路面產(chǎn)生開裂的兩個主要表現(xiàn)形式為：①內(nèi)聚開裂 在瀝青或瀝青膠漿內(nèi)部產(chǎn)生開裂；②黏附開裂 在瀝青與集料界面之間產(chǎn)生開裂．由于填料與粗集料在表觀特性上相差巨大，導(dǎo)致內(nèi)聚開裂與黏附開裂規(guī)律不同，在宏觀上表現(xiàn)為瀝青與集料的界面開裂和瀝青膠漿內(nèi)部開裂規(guī)律不一致．同時，瀝青混合料抗水損害性能取決于瀝青與填料組成的瀝青膠漿與集料的黏結(jié)強(qiáng)度[3]．

工程中常用的是我國現(xiàn)行規(guī)范JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[4]中“T 0616—1993 瀝青與粗集料的黏附性試驗”方法，該方法根據(jù)集料粒徑的不同分為水煮法和水浸法．由于試驗操作比較簡單，且能夠直觀的看到瀝青在集料上剝落情況，因而得到廣泛應(yīng)用．但是該方法是一種定性評價，評價主觀性較強(qiáng)，其評價結(jié)果因人而異，故評價結(jié)果不夠準(zhǔn)確[5]．

因此，目前國際上采用更為先進(jìn)的表面能法通過測試瀝青、集料、填料的表面能參數(shù)，采用表面能計算法則得到瀝青及瀝青膠漿自身的內(nèi)聚結(jié)合能及瀝青與集料的黏附結(jié)合能，并通過這兩個指標(biāo)分別量化瀝青混合料抵抗內(nèi)聚開裂與黏附開裂的能力．該黏附能指標(biāo)與瀝青-集料界面上的黏附開裂密切相關(guān)，并直接影響荷載對瀝青混合料做功時的能量轉(zhuǎn)換及分配，對研究瀝青混合料分別在受拉和受壓模式下的多裂紋起始及擴(kuò)展規(guī)律具有至關(guān)重要的作用．此外，黏附能指標(biāo)還廣泛用于研究瀝青混合料在服役期間出現(xiàn)的老化、自愈合及水損害等各種工程問題，主要應(yīng)用方式是將測試計算得到的內(nèi)聚結(jié)合能和黏附結(jié)合能帶入公式進(jìn)行表面能匹配性指標(biāo)計算，從而分析瀝青混合料宏觀性能[6]．但是該指標(biāo)忽略了填料對瀝青膠漿內(nèi)聚結(jié)合能的影響，因此需要對該匹配性指標(biāo)計算方法進(jìn)行修正．

本文通過測試同種巖性集料和填料表面能參數(shù)，探究瀝青混合料內(nèi)聚結(jié)合能和黏附結(jié)合能的差異性.通過對集料和填料比表面積計算和測試，提出基于比表面積瀝青膠漿-集料匹配性指標(biāo)計算方法，并通過宏觀抗水損害性能測試驗證該指標(biāo)的準(zhǔn)確性．

1 集料、填料表面能參數(shù)測試

1.1 表面能理論分析及表面能參數(shù)計算

表面能(用“γ”表示)的定義為：在恒溫、恒壓下增加物質(zhì)單位表面積時外部環(huán)境對該體系做的功[7]，單位為erg/cm2．采用的理論體系為GvOC理論體系，是國際表面能理論主流分析體系，該體系將表面能分為極性色散分量(γAB)和非極性酸堿分量(γLW),極性酸堿分量又分為極性酸分量(γ+)和極性堿分量(γ-)[8]，表面能與各分量關(guān)系為

(1)

對于集料與瀝青兩種材料界面之間的結(jié)合能，即黏附結(jié)合能，這種黏附結(jié)合能的產(chǎn)生是兩種材料極性分子與非極性分子之間的交互作用產(chǎn)生．黏附結(jié)合能的分量均可通過材料表面能參數(shù)推導(dǎo)得到．對于瀝青膠漿的內(nèi)聚結(jié)合能，也可用瀝青-填料的黏附結(jié)合能來表征，為

(2)

在有液體作用下，瀝青混合料組成三相材料，即在有液體環(huán)境下的黏附結(jié)合能，計算公式為

(3)

1.2 測試過程

1.2.1集料表面能參數(shù)測試

集料表面能參數(shù)的測定采用蒸氣吸附法．向粒徑在2.36～4.75 mm的集料中通入已知表面能參數(shù)的測試試劑蒸氣，測試每個階段集料蒸氣飽和吸附量，試驗步驟見文獻(xiàn)[9].根據(jù)計算機(jī)系統(tǒng)選擇BET模型并進(jìn)行一系列計算得到擴(kuò)散壓力πe，聯(lián)立方程組求解集料的表面能參數(shù)．

(4)

1.2.2填料表面能參數(shù)測試

填料表面能參數(shù)的測定采用改進(jìn)毛細(xì)上升法(見圖1)．試驗采用全自動表面張力儀，將填料密實放置在金屬桶內(nèi)，緩慢進(jìn)入測試試劑，通過計算機(jī)生成的填料吸收試劑質(zhì)量隨時間的變化曲線，計算毛細(xì)管有效半徑和樣品對測試試劑的擴(kuò)散壓力，同樣利用式(4)計算得到填料的表面能參數(shù)．試驗步驟見文獻(xiàn)[10]．

圖1 改進(jìn)毛細(xì)上升法原理圖

1.2.3測試結(jié)果

試驗采用上述測試方法計算六種同種巖性、同一產(chǎn)地集料和填料的表面能參數(shù)，并采用式(5)計算集料和填料的表面能總量變化率，并將上述結(jié)果匯總見表1．

表1 填料與集料的表面能參數(shù)

(5)

式中：w為表面能總量變化率；γa(集料)為集料表面能總量；γa(填料)為表面能總量．

由表1可知：同種巖性，同一產(chǎn)地的填料和集料的表面能總量和分量相差較大．其中，集料的表面能非極性色散分量和極性酸堿分量都普遍比填料的表面能非極性色散分量大，集料的表面能總量也普遍大于填料的表面能總量，平均表面能變化率為43.53%．集料與填料表面能直接影響瀝青與集料的界面黏附功和瀝青膠漿內(nèi)部的黏附功．由此可以推斷，集料與填料表面能參數(shù)的不同，這是導(dǎo)致瀝青-集料抗開裂性能與瀝青膠漿抗開裂性能差異的根本原因．下一部分將重點研究導(dǎo)致集料與填料表面能參數(shù)不同的主要原因．

2 集料與填料比表面積對比與分析

2.1 集料與填料表面能差異性分析

從微觀角度分析集料與填料在瀝青包裹下的差異(見圖2)，影響集料表面能參數(shù)的主要原因是集料的化學(xué)組分和表觀特性．本試驗采用的集料和填料是來自同種巖性，同一產(chǎn)地，化學(xué)組分相同，因此導(dǎo)致集料和填料表面能參數(shù)差異的原因是表觀特性的差異．集料表觀特性的差異主要通過三個指標(biāo)進(jìn)行表征：棱角性、球度、表面紋理，見圖3．本文采用集料圖像測試系統(tǒng)(AIMS)對同種巖性，不同表觀特性且已知集料表面能的輝綠巖和石灰?guī)r進(jìn)行集料表觀測試[11]，測試結(jié)果見表2．

圖2 集料與填料在瀝青包裹下示意圖

圖3 集料表觀特性示意圖

表2 集料的表觀特性參數(shù)

由表2可知:同種巖性集料，表觀特性的不同，導(dǎo)致集料的表面能的不同．其中棱角性指標(biāo)越大，代表集料顆粒表面能棱角越多，集料顆粒表面不同位置的凹凸性較大；球度指標(biāo)越大，代表集料的平面投影越飽滿，集料顆粒整體呈圓形；表面紋理指標(biāo)越大，集料顆粒表面不光滑、較粗糙．表觀特性三個指標(biāo)的不同共同影響集料與瀝青的接觸面積，從而導(dǎo)致表面能的不同．因此可以通過比表面積指標(biāo)來表征集料與填料表面能參數(shù)的差異，進(jìn)而提出基于比表面積瀝青膠漿-集料匹配性指標(biāo)．

2.2 比表面積確定方法

2.2.1集料比表面積確定方法

瀝青混合料中集料有多檔尺寸，而且分布范圍較廣，如果通過直接測試的方法將每一檔集料都進(jìn)行比表面積測試，不僅操作麻煩，過程繁瑣，而且由于粗集料和細(xì)集料尺寸差異較大，導(dǎo)致測試精度要求不一致，從而一臺儀器無法測試全部尺寸集料的比表面積，因此需要間接確定法．在我國現(xiàn)行規(guī)范JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中提出通過比表面積系數(shù)法來確定瀝青混合料集料的比表面積[12]，首先確定瀝青混合料級配和各個粒徑的通過率，再通過表3表面積系數(shù)表得到相應(yīng)粒徑下表面積系數(shù)，代入式(6)計算即可得到該瀝青混合料集料比表面積，集料表面積系數(shù)為

表3 集料表面積系數(shù)

SSAa集料=∑(Pi×FAi)

(6)

式中：SSAa集料為集料總比表面積；Pi為集料各種粒徑通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；FAi為相應(yīng)于各種粒徑的集料的表面積系數(shù)．

2.2.2填料比表面積確定方法

根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范要求，填料的粒徑范圍及通過率要求見表4．由表4可知：填料粒徑絕大多數(shù)均小于0.075 mm，粒徑尺寸單一，因此可用直接測試法測試其比表面積即可．本文采用全自動比表面積及孔隙分析儀進(jìn)行測試，主要流程為將烘干水分的填料放入儀器中，設(shè)定環(huán)境箱溫度350 ℃，通過通入不同種類、不同壓力的氣體，得到吸附量繪制相關(guān)曲線，計算得到比表面積．

表4 填料尺寸要求

2.3 瀝青混合料配合比設(shè)計

采用上述兩種測試方法，對比分析六種不同類型瀝青混合料中集料與填料的比表面積．本文分別選擇三組輝綠巖AC-13C和石灰?guī)rAC-20C兩種級配瀝青混合料進(jìn)行試驗．其中，集料采用與表1同一產(chǎn)地的輝綠巖和石灰?guī)r，瀝青采用的是SBS(I-D)型改性瀝青，填料采用的是石灰?guī)r礦粉，瀝青、集料、填料和瀝青混合料體積指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，具體級配的合成級配表見表5～6．

根據(jù)表5～6的合成級配表，按照表面積系數(shù)法確定比表面積，計算結(jié)果匯總見表7．

表5 輝綠巖AC-13C三組級配的合成級配表

表6 輝綠巖AC-20C三組級配的合成級配表

表7 集料比表面積

填料的比表面積采用直接測試法，測試結(jié)果見表8．

表8 填料比表面積

3 基于比表面積瀝青膠漿-集料匹配性指標(biāo)

3.1 匹配性指標(biāo)計算方法

瀝青與集料之間的黏附結(jié)合能反映了二者之間的黏附性能，黏附結(jié)合能越大，證明二者之間黏附性能越好；而瀝青-集料-水三相材料之間的黏附結(jié)合能反映的是水的作用下對瀝青混合料的剝落程度；因此綜合考慮以上因素和其他因素，采用式(7)計算指標(biāo)評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性．

(7)

該評價指標(biāo)為工程中選擇集料和瀝青提供了一種定量評價方法，瀝青混合料的開裂、愈合及水穩(wěn)定性均可采用材料的表面能進(jìn)行表征，因此通過試驗準(zhǔn)確得到材料的表面能參數(shù)是量化評價混合料力學(xué)性能及使用性能的前提與基礎(chǔ)．然而該評價指標(biāo)未考慮填料和比表面積對該指標(biāo)的影響，因此本文提出基于比表面積瀝青膠漿-集料匹配性指標(biāo)，該指標(biāo)計算公式為

(8)

式中：ER2為基于比表面積瀝青膠漿-集料匹配性指標(biāo)；SSAa填料為填料比表面積．

3.2 瀝青表面能測試

瀝青表面能測試采用的是插板法．采用全自動表面張力儀，通過計算機(jī)記錄制備養(yǎng)生后的光滑的瀝青涂膜玻片浸入測試試劑過程中的受力變化，根據(jù)力學(xué)平衡原理計算得到瀝青涂膜玻片與測試試劑的動態(tài)接觸角，最后聯(lián)立方程組得到瀝青表面能參數(shù)[13-14]．得到的測試結(jié)果見表9．

表9 瀝青的表面能參數(shù)

3.3 基于比表面積瀝青膠漿-集料匹配性指標(biāo)計算

將測試得到的瀝青、集料和填料表面能參數(shù)帶入式(2)～(3)中，計算得到瀝青混合料內(nèi)聚結(jié)合能、黏附結(jié)合能和有水條件下的黏附結(jié)合能，再和測試計算得到的材料比表面積一同帶入式(8)中，計算得到基于比表面積瀝青膠漿-集料匹配性指標(biāo)，計算結(jié)果匯總見表10．

表10 匹配性指標(biāo)計算結(jié)果

由表10可知:對比改進(jìn)后的ER2值與原ER1值相比存在一定差異，ER2值與原ER1值最大差距達(dá)到了35.53%，說明集料和填料的比表面積會較大影響匹配性指標(biāo)計算結(jié)果，該方法使該指標(biāo)的準(zhǔn)確性得到了進(jìn)一步的提升．AC-13C級配中ER2值的大小順序為3#>2#>1#；AC-20C級配中ER2值的大小順序為3#>1#>2#，從計算可以看出AC-13C和AC-20C的第三種合成級配的ER2值最大，說明其水穩(wěn)定性能最好，反之，AC-13C第一種合成級配和AC-20C第二種合成級配值最小，其水穩(wěn)定性能最差．由此可以推斷，三種級配中細(xì)集料含量越高ER2值越高，說明在瀝青混合料配合比設(shè)計過程中，可以適當(dāng)增加細(xì)集料的含量，用于提高瀝青混合料水穩(wěn)定性．

3.4 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗驗證

為了宏觀評價不同合成級配的瀝青混合料水穩(wěn)定性能，采用我國工程中常用的瀝青混合料浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，按照我國現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行試驗，得到浸水殘留穩(wěn)定度 和凍融劈裂強(qiáng)度比 兩個指標(biāo)，通過多次試驗取平均值，得到試驗結(jié)果見圖4．

圖4 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

由圖4可知：對于AC-13C級配，水穩(wěn)定性指標(biāo)大小順序為3#>2#>1#，其中第三種合成級配的浸水殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比最大，分別為91.47%和82.57%．達(dá)到了規(guī)范要求的85%和80%，說明該級配瀝青混合料的水穩(wěn)定性能最好；同理，對于AC-20C級配，水穩(wěn)定性指標(biāo)大小順序為3#>1#>2#，其中第三種合成級配的浸水殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比最大，分別為89.5%和85.3%，說明該級配瀝青混合料的水穩(wěn)定性能最好．

將水穩(wěn)定性試驗結(jié)果與基于比表面積瀝青膠漿-集料匹配性指標(biāo)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二者具有一致性，說明基于比表面積瀝青膠漿-集料匹配性指標(biāo)可以很好的表征瀝青混合料的水穩(wěn)定性，從微觀角度提出 在評價瀝青混合料抗水損害性能具有實用性和有效性．

4 結(jié) 論

1) 同一產(chǎn)地、同種巖性的集料和填料表面能參數(shù)相差較大，平均表面能總量變化率為43.53%，這是集料-瀝青界面的抗開裂性能與瀝青膠漿的抗開裂性能具有明顯差別的根源導(dǎo)致集料、填料與瀝青抗水損害性能差異較大．

2) 不同巖性集料-瀝青界面的抗開裂性能與瀝青膠漿的抗開裂性能變化規(guī)律不同，因此使用不同巖性集料制備而成的瀝青混合料，水損害易發(fā)生的位置不同．所以，針對不同瀝青混合料應(yīng)有針對性的采取預(yù)防水損害的處治手段．

3) 集料和填料表觀特性不同，導(dǎo)致集料和填料比表面積的差異，影響材料與瀝青的接觸面積，進(jìn)而影響瀝青混合料內(nèi)聚結(jié)合能與黏附結(jié)合能的差異．

4) 提出基于瀝青膠漿-集料匹配性指標(biāo)，該指標(biāo)考慮了填料和比表面積對匹配性指標(biāo)的影響，相比于原匹配性指標(biāo)，提高了精度，也可以充分考慮到不同合成級配的瀝青混合料黏附性能，可以更準(zhǔn)確定量評價瀝青混合料水穩(wěn)定性等性能，也為表面能理論評價瀝青混合料力學(xué)性能提供基礎(chǔ)，為工程中選擇原材料提供新型技術(shù)手段．