沥青、集料的表面自由能及水分在沥青中的扩散研究

沥青路面的水损害是路面损害的主要形式之一。目前主要应用表面自由能理论对沥青-集料体系的抗水损害性能进行研究,并已取得一些研究成果。但是当前该研究仅局限于利用表面自由能理论对沥青-集料的抗水损害能力进行评价,没有系统地对沥青表面自由能与其化学组成的关系进行研究,同时对于引起粘聚破坏的水分在沥青中的扩散行为和扩散机理研究也较少。为此,本文首先确定了沥青的表面自由能,然后以23种美国战略公路研究计划(Strategic Highway Research Program, SHRP)中的沥青为研究对象,考察了沥青的化学组成与其表面自由能的关系,同时还探索了沥青的短期和长期老化以及多聚磷酸、Sasobit?石蜡和抗剥落剂对沥青表面自由能影响的规律,并分析了表面自由能的变化机制,探讨了沥青水敏感性的变化。此外还用躺滴法确定了集料的表面自由能,考察了沥青-集料粘附性能。最后用电化学阻抗方法研究了水分在沥青中的扩散过程,并结合红外光谱分析结果初步探讨了水分在沥青中的扩散机理。通过以上研究和分析,取得了如下的研究成果: 以Owens-Wendt理论为基础,结合躺滴法确定的沥青与不同极性液体之间的接触角,可以计算得到沥青表面自由能的极性和色散分量,进而得到沥青的表面自由能。与其他方法相比较,躺滴法具有简单易行的优点。沥青的表面自由能中色散分量占主要部分,反映沥青主要由非极性碳氢化合物组成。 沥青的化学组成与其表面自由能的单因素分析结果表明,沥青的四组分含量和蜡含量中,饱和分、芳香分含量和蜡含量与沥青表面自由能的线性相关系数较低,但总的趋势为表面自由能随三者含量的增加而减小,即负相关;胶质含量与沥青的表面自由能成线性正相关,相关系数为0.826;沥青质含量的自然对数与沥青的表面自由能负相关,相关系数为0.892;胶质/沥青质含量比值的自然对数与沥青的表面自由能正相关,相关系数为0.905;胶体指数与沥青的表面自由能正相关,相关系数为0.800;沥青的表面自由能分别与碳、氮和硫含量之间有着较好的二次方程关系,相关系数分别为0.745、0.807和0.803;但是与氢、氧以及镍、钒含量之间的相关性不显著。多元回归分析结果表明沥青的表面自由能与四组分含量的回归关系显著,沥青的表面自由能与四组分含量及蜡含量的回归关系也较显著,而沥青的表面自由能与元素含量的回归关系显著性较差,沥青的表面自由能与四组分含量、蜡含量以及元素含量的回归关系的显著性非常好。 老化过程对沥青表面自由能的影响比较复杂,基本无规律性;多聚磷酸加入后,沥青表面自由能的变化与原样沥青中沥青质的含量有关。低沥青质的沥青在与多聚磷酸作用之后,其表面自由能出现先上升后下降的结果;而沥青质含量高的沥青在加入多聚磷酸之后,其表面自由能的变化基本为下降的趋势。抗剥落剂的加入造成沥青的表面自由能增加;加入Sasobit?石蜡可提高沥青疏水性,降低沥青表面自由能。 电化学阻抗法可用来研究水分在沥青中的传输过程,该过程可以使用2个等效电路模型进行描述。研究结果显示该扩散过程可分为2个阶段:水分与沥青作用形成扩散通道的阶段和水分在沥青中较快扩散的阶段。前者进展缓慢,为整个扩散过程的速率控制步骤。水分在沥青中的扩散依靠水分子与沥青中的极性基团和电负性强的原子之间的氢键作用力、取向力和诱导力等作用,形成微活化中心,进而形成水分富集和渗入的毛细通道在沥青体系中进行传输。含极性基团和氧氮杂原子多的沥青抗水损害能力较弱。