老化瀝青結(jié)合料表面能與其混合料水敏感性的相關(guān)性分析

李啟東， 李波， 李寧,2， 魏定邦,3， 周家寧 編譯

(1.蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅恒石公路檢測(cè)科技有限公司 甘肅省公路路網(wǎng)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070； 3.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司， 甘肅 蘭州 730030)

水損害是瀝青路面發(fā)生松散、坑槽等病害的主要成因之一，其發(fā)生機(jī)理是路面空隙中的水分在車(chē)輛輪胎荷載作用下產(chǎn)生動(dòng)水壓力，形成負(fù)壓抽吸的反復(fù)循環(huán)作用，使水分子不斷地滲入瀝青-集料界面，導(dǎo)致瀝青膜從集料表面脫落[1]。同時(shí)在公路服役期間，瀝青不同程度的老化，進(jìn)一步加快了瀝青黏附性能的衰減，逐漸喪失黏結(jié)力，繼而產(chǎn)生多種病害。水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法是基于水損害發(fā)生機(jī)理發(fā)展起來(lái)的，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有評(píng)價(jià)混合料水穩(wěn)定性的方法主要有水煮法、浸水馬歇爾、浸水車(chē)轍和凍融劈裂試驗(yàn)等，但其理論依據(jù)并不是十分充分[2]。

隨著界面理論的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究人員以表面能理論為切入點(diǎn)，在微觀尺度上對(duì)瀝青-集料體系黏附性能進(jìn)行研究。Arabani等[3]、廖玉春等[4]根據(jù)表面能理論建立瀝青-集料體系界面黏附性模型，研究發(fā)現(xiàn)表面自由能理論可用于表征瀝青混凝土的抗水損害性能；Elphingstone[5]研究瀝青混合料水損害與疲勞性能的關(guān)系時(shí)，采用系統(tǒng)吉布斯自由能的變化量作為表征油石界面黏附性的指標(biāo)；陳燕娟等[6]通過(guò)比較瀝青-集料體系的黏附功和剝落功，發(fā)現(xiàn)采用剝落功表征的結(jié)論與凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)論基本一致，而且剝落功能更加直觀簡(jiǎn)潔地反映混合料的抗水損害性能；魏建明等[7]通過(guò)測(cè)定基質(zhì)瀝青與摻加抗剝落劑后瀝青的表面自由能發(fā)現(xiàn)，抗剝落劑的摻加能夠增加瀝青的表面自由能，有利于提高混合料的水穩(wěn)定性能；王倩等[8]運(yùn)用表面自由能理論研究瀝青混合料的水損害問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)配伍性較好的瀝青-集料體系有助于提高體系的黏附功和抗水損害能力。

文中采用兩種瀝青和兩種集料，基于表面能理論測(cè)試瀝青、集料的表面能參數(shù)，并計(jì)算其黏附功和剝落功，結(jié)合凍融劈裂試驗(yàn)得到的劈裂強(qiáng)度比，分析老化前后瀝青-集料體系剝落功與TSR之間的關(guān)系，以期更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐，評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料及其性能

瀝青選用70#和90#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示；集料選取具有不同親水和疏水性質(zhì)的石灰?guī)r(表觀密度2.61 g/cm2，吸水率0.8%)和花崗巖(表觀密度2.65 g/cm2，吸水率1.2%)，集料級(jí)配如表2所示；抗剝落劑為具有非氨基酸結(jié)構(gòu)的Tiki抗剝落劑，其自然狀態(tài)下為液態(tài)，高溫下具有良好的穩(wěn)定性。

表1 瀝青技術(shù)性能指標(biāo)

表2 集料級(jí)配

1.2 試驗(yàn)方法

(1) 瀝青混合料的制備

首先將兩種基質(zhì)瀝青和兩種集料進(jìn)行拌和，通過(guò)制備馬歇爾試件，獲得瀝青最佳用量[9]如表3所示。再對(duì)兩種基質(zhì)瀝青添加Tiki抗剝落劑進(jìn)行改性，將得到的兩種改性瀝青和兩種基質(zhì)瀝青通過(guò)壓力容器老化(PAV)試驗(yàn)，在2.1 MPa壓力、100 ℃下對(duì)基質(zhì)瀝青和改性瀝青進(jìn)行20 h的老化，試驗(yàn)所用瀝青集料組合如表4所示。

表3 瀝青最佳用量

表4 瀝青集料組合

(2) 改進(jìn)洛特曼試驗(yàn)

改進(jìn)洛特曼試驗(yàn)基于傳統(tǒng)洛特曼試驗(yàn)與塔內(nèi)克里弗和魯特試驗(yàn)對(duì)凍融循環(huán)的溫度、時(shí)間、試件尺寸等進(jìn)行了調(diào)整[10]，Kandhal[11]認(rèn)為，改進(jìn)后可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)洛特曼試驗(yàn)與塔內(nèi)克里弗和魯特試驗(yàn)的不足，試件尺寸調(diào)整為φ102 mm×102 mm更有利于保持試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性。首先用馬歇爾擊實(shí)儀成型空隙率為6.5%～7.5%的試件6個(gè)，并將試件分成兩組，使兩組的平均空隙率相近，通過(guò)計(jì)算凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料試件的水穩(wěn)定性，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比按式(1)計(jì)算[12]：

(1)

(3) 原材料表面能參數(shù)試驗(yàn)

表面能是指物體表面單位面積分子比內(nèi)部分子所多出的勢(shì)能，物質(zhì)為保持自身穩(wěn)定，都具有從高能量態(tài)向低能量態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，物體的表面能越大就越不穩(wěn)定，其具有的吸附能力就越強(qiáng)[13]。一種物質(zhì)的表面能(γ)主要由極性分量(γp)和色散分量(γd)組成，其中極性分量包括Lewis酸(γ+)和Lewis堿(γ-)，其關(guān)系如式(2)所示[14]：

(2)

瀝青混合料在拌和后，集料被瀝青包裹，此時(shí)根據(jù)表面物理化學(xué)理論，瀝青-集料體系表面能可用式(3)計(jì)算：

Was=γa+γs-γas

(3)

式中：Was為瀝青-集料體系黏附功；γa為瀝青膠結(jié)料表面能；γs為集料表面能；γas為瀝青與集料的界面自由能。

瀝青與集料的界面自由能可以用式(4)表示：

(4)

結(jié)合式(2)～(4)可得到適用于計(jì)算瀝青集料體系黏附功的公式：

(5)

依據(jù)現(xiàn)有的研究，采用蒸氣吸附法[15]和躺滴法[16]分別對(duì)集料和瀝青進(jìn)行表面能測(cè)量，蒸氣吸附法采用測(cè)試試劑表面能如表5所示，躺滴法采用測(cè)試試劑表面能如表6所示。

表5 蒸氣吸附法測(cè)試試劑表面能 10-3 N/m

表6 躺滴法測(cè)試試劑表面能 10-3 N/m

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膠結(jié)料和集料的表面能計(jì)算

老化前后基質(zhì)瀝青和改性瀝青表面能計(jì)算結(jié)果如表7所示。

由表7可知：經(jīng)過(guò)老化后4種瀝青表面能都有增加，表明老化在一定程度上能夠增加瀝青的黏附性能，因?yàn)檫@兩種瀝青在老化過(guò)程中芳香酚轉(zhuǎn)變?yōu)槟z質(zhì)的量超過(guò)膠質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青質(zhì)的量，最終表現(xiàn)為膠質(zhì)含量增加，黏附性能增加[17]；同時(shí)其極性分量降低，表明瀝青對(duì)水分子的吸附能力有不同程度的減弱；添加抗剝落劑后瀝青表面能都有不同程度的提高，主要表現(xiàn)為色

表7 瀝青膠結(jié)料表面能 10-3 N/m

散分量的增加，對(duì)于90#改性瀝青，老化后其表面能變化很小，這是因?yàn)榭箘兟鋭┑募尤?，彌補(bǔ)了因老化而降低的極性分量，同時(shí)也提升了色散分量。

集料表面能計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 集料表面能 10-3 N/m

由表8可知：花崗巖極性分量比石灰?guī)r大，這是因?yàn)榛◢弾r中含有較多的SiO2，SiO2與水分子同為極性分子，能與水分子中的氫離子以氫鍵的方式結(jié)合，對(duì)水的極化能力較強(qiáng)[18]；石灰?guī)r色散分量相比花崗巖要高34%，色散分量主要包括London色散力、Debye誘導(dǎo)力和Keesom取向力，屬于黏附功中物理黏附分量，色散分量越大，物理黏附越大[19]；此外，通過(guò)對(duì)比表7、8發(fā)現(xiàn)，瀝青表面能主要以色散分量為主，而集料以極性分量為主。

2.2 瀝青黏聚功

黏聚功表征瀝青膠結(jié)材料的黏聚特性，黏聚功越大表明瀝青在外力作用下產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)抵抗變形的能力越強(qiáng)，抗水損害能力隨之越高。根據(jù)表7測(cè)定的膠結(jié)料表面能計(jì)算得到黏聚功結(jié)果如圖1所示。

圖1 瀝青膠結(jié)料老化前后黏聚功

由圖1可以看出：70#瀝青黏聚功明顯大于90#瀝青，表明70#瀝青黏聚性更好；添加抗剝落劑后，瀝青的黏聚功分別增加了19%、32%，表明Tiki抗剝落劑對(duì)瀝青的改性效果良好；兩種基質(zhì)瀝青在經(jīng)過(guò)老化后黏聚功分別增加了3%、14%，這是因?yàn)檩p度的老化使瀝青黏聚性能變好，但黏聚功的過(guò)度增加會(huì)導(dǎo)致集料表面瀝青的包裹性降低，黏附性減弱。

2.3 瀝青-集料體系黏附功

黏附功表征膠結(jié)料與集料在干燥條件下的黏附性能，黏附功越大，說(shuō)明瀝青混合料抗水損害能力越強(qiáng)。根據(jù)表7、8數(shù)據(jù)計(jì)算[8]得到瀝青-集料體系的黏附功結(jié)果如圖2所示。

圖2 瀝青-集料體系黏附功

從圖2可以看出：70#基質(zhì)瀝青和改性瀝青與集料都具有較大的黏附功，黏附性更好；對(duì)比瀝青與不同集料的黏附功發(fā)現(xiàn)，石灰?guī)r集料與瀝青始終具有較好的黏附性，這也證實(shí)了堿性集料相比酸性集料與瀝青有更好的黏附性；經(jīng)過(guò)老化后，70#瀝青與集料的黏附功平均下降了6.5%，這是因?yàn)闉r青長(zhǎng)期老化后膠質(zhì)含量減少，瀝青質(zhì)增多，導(dǎo)致瀝青塑性降低，黏附性減弱；90#瀝青與集料的黏附功略有提高，這可能是因?yàn)檫m度的老化使得90#瀝青的性能變好；考慮抗剝落劑的加入對(duì)黏附功的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)加入抗剝落劑，不僅可以彌補(bǔ)70#基質(zhì)瀝青因老化而降低的與集料的黏附功，而且可以在未老化基質(zhì)瀝青與集料黏附功的基礎(chǔ)上平均提升6%；此外，抗剝落劑的加入能夠不同程度地提高瀝青-集料體系的黏附功，這是因?yàn)榭箘兟鋭┫驗(yàn)r青中引入了堿性基團(tuán)，尤其對(duì)石灰?guī)r集料和70#瀝青的效果最好，對(duì)90#瀝青與花崗巖集料效果最差。

2.4 瀝青-集料體系剝落功

由表面能原理可知，剝落功為負(fù)值，剝落功越大，表明瀝青混合料對(duì)水分越敏感，抗水損害能力越差[20]，根據(jù)表7、8數(shù)據(jù)計(jì)算得到瀝青與集料的剝落功結(jié)果如圖3所示。

圖3 瀝青-集料體系剝落功

從圖3可以看出：瀝青-集料體系經(jīng)過(guò)老化后剝落功都有所增加，說(shuō)明老化后瀝青從集料表面剝離的概率增大。在加入TiKi抗剝落劑后，瀝青-集料體系的剝落功都有不同程度的降低，這是因?yàn)榭箘兟鋭┮氲膲A性基團(tuán)和瀝青中的酸性基團(tuán)產(chǎn)生了化學(xué)作用，提高了瀝青-集料界面的黏附性[21]，其中對(duì)70#瀝青的改性效果最好?？傮w來(lái)看，石灰?guī)r集料與瀝青有更低的剝落功，這是因?yàn)槭規(guī)r集料屬于堿性石料，能很好地和瀝青中酸性基團(tuán)結(jié)合，而且石灰?guī)r集料的吸水率較小，有效瀝青多[22]；90#基質(zhì)瀝青和改性瀝青與集料的剝落功受老化因素影響小，但是具有較高的剝落功，說(shuō)明90#瀝青與石灰?guī)r和花崗巖集料的相容性差；此外，剝落功表征的是有水存在的情況下水-集料-瀝青3個(gè)體系的作用過(guò)程，而黏附功只表征瀝青與集料在干燥無(wú)水的狀態(tài)下黏附力的大小，因此采用剝落功可以相對(duì)更好地評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)性，考慮老化因素的影響，剝落功與瀝青混合料的水穩(wěn)性相關(guān)性還需進(jìn)一步討論。

3 表面能參數(shù)與水穩(wěn)性相關(guān)性分析

3.1 水穩(wěn)性測(cè)試分析

凍融前后各組瀝青混合料劈裂強(qiáng)度見(jiàn)圖4。

(a) 石灰?guī)r集料

從圖4可以看出：凍融循環(huán)后，試件劈裂強(qiáng)度要比凍融前劈裂強(qiáng)度低得多，表明混合料在凍融過(guò)程中受到了一定的損害；凍融前由花崗巖集料制作的試件要比石灰?guī)r集料強(qiáng)度平均高17%，這是由于花崗巖自身較高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)造成的；凍融循環(huán)后與石灰?guī)r集料相比，花崗巖集料制備的試件劈裂強(qiáng)度降低幅度更大，這是由于混合料中的酸性降低了其黏附力和黏聚力；抗剝落劑的加入，使得凍融后試件劈裂強(qiáng)度分別增加了8.3%、3.3%、9.4%、7.2%，說(shuō)明其抗剝落效果較好，其中對(duì)2種集料和70#瀝青的試件強(qiáng)度影響較大。

凍融前后劈裂強(qiáng)度比用來(lái)表征瀝青混合料的水穩(wěn)定性，各組混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比計(jì)算結(jié)果如圖5所示。不難看出：抗剝落劑的加入，使得凍融劈裂強(qiáng)度比平均增加6%，花崗巖瀝青混合料隨著瀝青標(biāo)號(hào)的增加，試件劈裂強(qiáng)度比增加，但是石灰?guī)r瀝青混合料隨著瀝青標(biāo)號(hào)的增加，其劈裂強(qiáng)度比降低，同時(shí)相比花崗巖集料，石灰?guī)r集料與瀝青具有更好的抗水損害能力，造成這種差異的主要原因之一是瀝青最佳用量；添加Tiki抗剝落劑可以使石灰?guī)r瀝青混合料和花崗巖瀝青混合料的抗水損害能力分別提高5.5%和4.5%，這是因?yàn)榭箘兟鋭┑募尤朐鰪?qiáng)了瀝青自身的黏聚力及其與集料的黏附力，從而使得瀝青集料體系的抗水損害能力增加。

圖5 凍融前后劈裂強(qiáng)度比

3.2 相關(guān)性分析

通過(guò)前面的分析可知，對(duì)于相同瀝青不同集料的情況下，黏附功并不能很好地評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗水損害能力，而剝落功比黏附功更適于評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗水損害能力。對(duì)比老化瀝青剝落功與未老化瀝青剝落功和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 未老化瀝青-集料體系剝落功與

圖7 老化瀝青-集料體系剝落功與

從圖6、7可知：瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比隨著體系剝落功的減少而增大，宏觀上表現(xiàn)為抗水損害能力的增強(qiáng)，它們的相關(guān)系數(shù)分別為0.65和0.77，老化后瀝青剝落功與凍融劈裂強(qiáng)度比的高相關(guān)性表明，在評(píng)價(jià)瀝青混合料抗水損害能力時(shí)更適宜采用老化后剝落功。

4 結(jié)論

基于表面能理論，測(cè)試瀝青和集料的表面能參數(shù)，結(jié)合瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比TSR，通過(guò)對(duì)老化后瀝青結(jié)合料表面能參數(shù)與混合料水敏感性的相關(guān)性分析，得到以下結(jié)論：

(1) 老化在一定程度上能夠提高瀝青的黏附性能，同時(shí)瀝青極性分量減小，使得對(duì)極性水分子的吸附能力也減弱。

(2) TiKi抗剝落劑的加入能夠增強(qiáng)瀝青自身的黏聚功及其與集料的黏附功，降低瀝青-集料體系的剝落功，改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

(3) 同種集料情況下，改性瀝青黏附功要大于基質(zhì)瀝青；同種瀝青情況下，相比于花崗巖集料，石灰?guī)r集料與瀝青有更好的黏附性，據(jù)此可以通過(guò)表面能理論對(duì)混合料原材進(jìn)行優(yōu)選。

(4) 表面能指標(biāo)與劈裂強(qiáng)度之間的高相關(guān)性，表明剝落功相比于黏附功能更好地評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗水損害能力。在工程應(yīng)用中評(píng)價(jià)瀝青混合料抗水損害性能時(shí)，宜采用老化后瀝青與集料的剝落功進(jìn)行評(píng)價(jià)。