陈钦庭
(广东省南粤交通河惠莞高速公路管理处，广东 广州 510101)
沥青/集料界面黏附作用是沥青混合料水稳定性能的重要影响因素，提升沥青/集料界面的黏附作用是保证沥青混合料水稳定性能的必要技术措施。目前，采用改性沥青，添加熟石灰[1]、水泥和胺类抗剥落剂[2]，选择碱性集料等技术措施已被广泛应用于实际工程中，并取得了良好的效果。
纳米材料因其较大的比表面积而能较好地提升沥青/集料界面黏附作用，其中纳米熟石灰(NHL)的出现为界面黏附作用的提升提供了新的思路和方法[3]。Behbahani等[4]通过添加纳米熟石灰改善由除冰剂造成的路面水稳定性下降和疲劳损伤的问题，探究纳米熟石灰掺量对沥青/集料界面黏附功和黏聚功的影响，并建立了纳米熟石灰改性沥青混合料的水稳定性预测模型。然而，纳米熟石灰对沥青/集料界面黏附作用提升的效果受沥青种类、集料种类和评价方法等的影响，并表现出不同的变化规律，因此有待进一步探讨纳米熟石灰改性沥青及其混合料的抗水剥离特性，从而为其应用提供科学的理论依据。
1.1 原材料
(1)纳米熟石灰。纳米熟石灰购自河北省灵寿县天晨矿产品加工厂，其基本物理特性见表1。采用X射线荧光光谱试验测定该纳米熟石灰的化学组成，结果见表2。由表2可知，纳米熟石灰中的主要氧化物为CaO(含量≥60%)，其次为SiO2、Al2O3和Fe2O3。
(2)基质沥青。选用两种针入度分级均为70#的基质沥青(SK-70#和DH-70#)，测定结果见表3。
(3)集料。选用典型代表碱性和酸性岩类的石灰岩和花岗岩集料，成型沥青混合料以探究纳米熟石灰对石灰岩和花岗岩集料沥青混合料水稳定性能的影响。两种集料的技术性能指标见表4。
表1 纳米熟石灰技术性能指标
表2 纳米熟石灰的化学组成
表3 沥青结合料的技术指标
表4 石灰岩和花岗岩集料的技术性能指标
1.2 NHL改性沥青制备
为了将NHL与沥青结合料拌和，首先将基质沥青加热至150℃，并采用螺旋桨叶轮搅拌器进行搅拌，同时分次缓慢地添加入NHL并搅拌10 min；
然后采用高速剪切乳化机在相同的温度下连续剪切20 min，剪切速率为4000 r/min，即制得NHL改性沥青结合料[5]。本文制备了NHL掺量为0.5%和1%的NHL改性沥青(该掺量指占基质沥青的重量)。
2.1 表面自由能理论
表面自由能定义为材料产生单位面积外界需要做的功，通常采用G表示，单位为mJ/m2。根据Van Oss理论，物质的表面自由能由三部分组成且满足式(1)的关系。
(1)
式中，Gtotal为物质的总表面自由能，GLW为里夫施茨-范德华(LW)分量，GAB为路易斯酸碱分量，G+为路易斯酸分量，G-为路易斯碱分量。
沥青结合料的黏聚功在数值上等于其表面自由能的两倍，可采用式(2)计算。沥青/集料界面的黏附自由能可采用式(3)计算。
(2)
(3)
2.2 沥青的接触角及表面自由能参数确定
Wilhemy吊片法用于测定沥青的接触角，进而根据接触角计算沥青的表面自由能参数。动态接触角依据物理力学平衡原理计算，即通过涂膜玻片浸入测试试剂前后高精度天平受力变化差值DF计算，其计算表达式如式(4)所示。
(4)
式中a、b分别为涂膜玻片的宽度及厚度，h为玻片浸入试剂深度，r′为测试试剂与空气的密度差值，g为重力加速度。
根据Young-Dupre方程，可通过测定三种已知表面自由能参数的测试液体与沥青的接触角而计算获得沥青的表面自由能参数，计算公式如式(5)所示。
(5)
本文选取蒸馏水(极性液体)、乙二醇(非极性液体)和甲酰胺(半极性液体)作为沥青接触角的测试液体，三种液体的表面自由能及其分量如表5所列。
表5 25 ℃下三种测试液体的表面自由能
2.3 集料的表面自由能参数确定
蒸汽吸附法用于测定集料的表面自由能参数。该测试过程通过通用吸附设备(universal sorption device，USD)完成。根据最大饱和蒸汽压力下集料吸附的蒸汽质量计算每种蒸汽的平衡铺展压力πe，并依据铺展压、测试蒸汽的表面自由能组分和集料的表面自由能组分间的关系(GVOC理论)，求解三元一次方程组获得集料的表面自由能参数。蒸汽的平衡铺展压力πe和表面自由能参数计算公式分别如式(6)和(7)所示。
(6)
(7)
本文选取的三种蒸汽的表面自由能参数见表6。
表6 三种蒸汽的表面自由能参数(单位：ergs/cm2)
3.1 沥青的接触角及其表面自由能参数计算
依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，采用水煮法对不同熟石灰掺量的改性沥青与不同岩性的石的黏附性进行评价，试验结果如表7所示。由表7可知，SK、DH基质沥青与不同岩性石料的黏附等级均达到4级，当纳米熟石灰掺量高于1%时，纳米熟石灰改性沥青与石料的黏附等级均达到5级，提升了1级，这说明纳米熟石灰提升了与石料的黏附性，当纳米熟石灰掺量低于1%时，改善效果不明显；
同时说明水煮法难以评价不同品牌基质沥青与不同岩性的石料的黏附性，需要采用其他试验方法进一步评价验证。
表7 不同掺量熟石灰改性沥青黏附等级
3.2 沥青的接触角及其表面自由能参数计算
采用Wilhelmy吊片法分别测定上述三种已知表面自由能参数的测试试剂与两种沥青的接触角，并依据式(5)计算各沥青试样的表面自由能及其分量，接触角测试及表面自由能参数计算结果如表8所示。
由表8可知，熟石灰的添加减小了沥青结合料与蒸馏水的接触角，说明熟石灰的添加降低了沥青的疏水性；
沥青结合料与甲酰胺和乙二醇试剂的接触角也表现出相同的规律，即均随着熟石灰掺量的增加而减小。在添加熟石灰后，沥青的里夫施茨-范德华分量、Lewis酸分量和Lewis碱分量均增大，则总的表面自由能增大，即沥青集合料的黏聚功和黏附功增大，这意味着纳米熟石灰的应用使沥青结合料具有了更好的黏聚和黏附性能，增强了沥青结合料抵抗外界拉伸荷载和低温开裂的能力。此外，根据接触角和表面自由能参数的变化，沥青接触角的减小幅度和黏聚功的增大幅度逐渐减小，这意味着随着纳米熟石灰掺量的增多，其对沥青黏聚性能的改善效果将趋于稳定。
表8 不同掺量熟石灰改性沥青接触角及表面自由能参数
3.3 集料的表面自由能参数计算
采用上述蒸汽吸附法测定花岗岩和石灰岩集料的表面自由能参数，测定结果如表9所示。根据表9，集料的表面自由能色散分量远远小于极性分量，即表现出极性，这与集料的化学组成密切相关；
并且集料的总表面自由能远远高于沥青的总表面自由能，这意味着若使集料产生单位新界面，则外界需要做更多的功。此外，花岗岩表面自由能的极性酸分量和极性组分均大于石灰岩的相同组分，这表明在极性水的作用下，花岗岩和沥青之间形成的键能容易被破坏，容易发生沥青结合料在花岗岩集料的剥离现象。相反，石灰岩表面自由能的极性碱分量和非极性组分高于花岗岩集料，这意味着石灰岩集料和沥青间更倾向于形成非极性键，即具有更好的抗水损害能力。
表9 集料的表面自由能参数(单位：ergs/cm2)
3.4 黏附自由能计算
依据公式(3)及沥青结合料和集料的表面自由能参数，计算沥青/集料的黏附功和沥青/集料的配伍系数，结果见表10。
表10 沥青/集料黏附功、剥落功和配伍系数
较大的黏附功和较小的剥落功分别意味着沥青与集料在干燥条件下具有较高的黏附性能，在水存在条件下具有较好的抗剥落性能。由表10可知，纳米熟石灰的添加增大了沥青与集料的黏附功,同时减小了沥青与集料的剥落功，这表明纳米熟石灰提升了沥青与集料的黏附性能和水存在条件下的抗剥落性能。此外，相较于SK和DH沥青，对于同一种集料，纳米熟石灰改性SK沥青具有更高的黏附功和更低的剥落功，这表明纳米熟石灰更难从集料表面上剥离，且需要更多的能量，即纳米熟石灰改性SK沥青具有更优的黏附性能和抗剥落性能。从表10可看出，纳米熟石灰的添加提高了沥青与集料的配伍性，即增强了沥青/集料体系抗水损害性能，且随着纳米熟石灰掺量的增大，沥青/集料体系的抗水损性能逐渐提升，当纳米熟石灰掺量高于1%时，纳米熟石灰改性沥青/集料体系的抗损害性能逐渐趋于稳定。
本文通过表面自由能试验研究纳米熟石灰对沥青结合料与集料的黏附作用提升效果。研究主要得出以下结论：
(1)水煮法难以评价不同品牌基质沥青与不同岩性的石料的黏附性。
(2)纳米熟石灰可以增加沥青结合料的表面自由能及其色散和酸碱分量，提升沥青结合料的黏聚特性和与集料的黏附性能。
(3)集料的极性分量远远大于沥青，从而使集料/水体系的黏附作用远远高于集料/沥青体系，这是造成水作用下沥青/集料体系脱黏的重要原因。
(4)纳米熟石灰的添加有效增强了沥青/集料的黏附特性，提高了沥青和集料的抗水损害性能，最佳掺量为1%。
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