基于表面能理論剖析瀝青與集料粘附性的關(guān)鍵作用及提升策略一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代交通體系中，瀝青路面憑借其良好的平整度、行車舒適性、抗滑性以及便于維修養(yǎng)護(hù)等優(yōu)勢，成為了道路建設(shè)的主要形式，廣泛應(yīng)用于高速公路、城市道路、機(jī)場跑道等基礎(chǔ)設(shè)施中。據(jù)統(tǒng)計，我國高等級公路中瀝青路面的占比超過90%，在城市道路中這一比例更是高達(dá)95%以上，其在交通領(lǐng)域的重要地位不言而喻。瀝青路面主要由瀝青和集料組成，瀝青作為粘結(jié)材料，將集料粘結(jié)成一個整體，共同承受車輛荷載和環(huán)境因素的作用。其中，瀝青與集料的粘附性是決定瀝青路面性能的關(guān)鍵因素之一。良好的粘附性能夠使瀝青牢固地裹覆在集料表面，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，有效增強(qiáng)瀝青混合料的整體穩(wěn)定性。在路面使用過程中，車輛荷載會對路面產(chǎn)生反復(fù)的擠壓和剪切作用，環(huán)境因素如溫度變化、雨水侵蝕、紫外線照射等也會對路面材料產(chǎn)生破壞作用。如果瀝青與集料之間的粘附性不佳，在這些外力和環(huán)境因素的作用下，瀝青容易從集料表面剝離，導(dǎo)致路面出現(xiàn)坑槽、裂縫、松散等病害，進(jìn)而破壞路面的整體結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響路面的使用壽命和行車安全。相關(guān)研究表明，因瀝青與集料粘附性不足引發(fā)的路面病害，可使路面的使用壽命縮短30%-50%，維修成本增加數(shù)倍甚至數(shù)十倍。同時，粘附性對路面的抗水損害能力和抗滑性能也具有重要影響。在雨水侵蝕下，如果瀝青與集料界面粘附性不足，水分容易滲透到瀝青與集料之間，削弱瀝青與集料的粘結(jié)力，導(dǎo)致瀝青膜從集料表面脫落，進(jìn)而引發(fā)路面的水損害問題，如坑槽、車轍等。而良好的粘附性則能夠有效阻止水分的侵入，保持瀝青混合料的穩(wěn)定性，提高路面的抗水損害能力。此外，瀝青與集料之間較強(qiáng)的粘附力能夠增加路面的摩擦系數(shù)，提高路面的抗滑性能，特別是在雨天或潮濕條件下，良好的粘附性對于保障行車安全至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，對瀝青與集料粘附性的研究主要集中在經(jīng)驗性的試驗方法和宏觀性能的測試上，如水煮法、靜態(tài)剪切試驗等，這些方法雖然能夠在一定程度上反映粘附性的優(yōu)劣，但難以深入揭示粘附性的本質(zhì)和內(nèi)在機(jī)理。表面能理論作為材料科學(xué)領(lǐng)域的重要理論，為研究瀝青與集料的粘附性提供了全新的視角和方法。從表面能理論的角度來看，瀝青與集料的粘附過程涉及到表面能的變化和相互作用，通過研究材料的表面能參數(shù)，可以深入了解瀝青與集料之間的粘附機(jī)制，為提高粘附性提供科學(xué)依據(jù)?；诒砻婺芾碚摰难芯?，能夠從微觀層面解釋瀝青與集料之間的相互作用，明確影響粘附性的關(guān)鍵因素，從而為瀝青路面材料的設(shè)計、選擇和優(yōu)化提供更加科學(xué)、精準(zhǔn)的指導(dǎo)。這不僅有助于提高瀝青路面的性能和耐久性，減少早期病害的發(fā)生，降低道路的全壽命周期成本，還對于推動道路工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，滿足日益增長的交通需求具有重要的現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在瀝青與集料粘附性的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量富有成效的探索。早期，研究主要集中在經(jīng)驗性的試驗方法和宏觀性能的測試上。在國外，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，如ASTMD3625-98（2018）《瀝青與集料粘附性標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》，通過水煮法來評估瀝青與集料的粘附性，將裹覆瀝青的集料在水中煮沸一定時間后，觀察瀝青膜的剝落程度，以此判斷粘附性的優(yōu)劣。這種方法操作相對簡便，在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用，但它只能定性地描述粘附性，難以精確地反映粘附性能的本質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系。英國的公路研究實驗室（TRL）也開展了相關(guān)研究，采用靜態(tài)剪切試驗來測定瀝青與集料之間的粘結(jié)強(qiáng)度，該試驗通過對瀝青-集料試件施加剪切力，測量其破壞時的剪切強(qiáng)度，從力學(xué)角度對粘附性進(jìn)行量化評價，然而，這種方法也存在局限性，它忽略了材料微觀結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)對粘附性的影響。隨著材料科學(xué)和測試技術(shù)的不斷發(fā)展，表面能理論逐漸被引入到瀝青與集料粘附性的研究中。國外的一些學(xué)者率先開展了基于表面能理論的研究工作，如Curtis等通過測定瀝青和集料的表面能參數(shù)，分析了表面能對粘附性的影響，發(fā)現(xiàn)表面能的匹配程度與瀝青-集料的粘附性能密切相關(guān)。在國內(nèi)，長安大學(xué)的韓森教授團(tuán)隊對瀝青與集料的粘附性進(jìn)行了深入研究，采用接觸角測量、原子力顯微鏡（AFM）等技術(shù)手段，研究了瀝青與集料表面的微觀結(jié)構(gòu)和表面能特性，揭示了表面能在瀝青與集料粘附過程中的作用機(jī)制。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王哲人教授團(tuán)隊通過實驗研究了不同類型瀝青和集料的表面能，建立了表面能與粘附性之間的定量關(guān)系模型，為瀝青混合料的設(shè)計和性能優(yōu)化提供了理論依據(jù)。在表面能理論應(yīng)用于瀝青與集料粘附性研究方面，目前已取得了一些重要成果。通過測量瀝青和集料的表面能，可以定量地分析它們之間的粘附功、浸潤性等參數(shù)，從而深入了解粘附過程中的物理化學(xué)現(xiàn)象。利用表面能理論，還可以研究不同添加劑對瀝青與集料粘附性的改善作用，為開發(fā)新型的抗剝落劑和改性瀝青提供理論指導(dǎo)。然而，當(dāng)前的研究仍存在一些不足之處。一方面，表面能的測試方法尚未完全統(tǒng)一，不同測試方法得到的結(jié)果可能存在差異，這給研究結(jié)果的對比和分析帶來了困難；另一方面，對于復(fù)雜的瀝青-集料體系，考慮多因素相互作用的表面能理論模型還不夠完善，難以準(zhǔn)確地預(yù)測和解釋實際工程中的粘附現(xiàn)象。此外，針對不同環(huán)境條件（如高溫、低溫、潮濕等）下瀝青與集料表面能的變化及其對粘附性的影響研究還相對較少，無法為不同氣候地區(qū)的瀝青路面設(shè)計和施工提供全面的技術(shù)支持。綜上所述，雖然國內(nèi)外在瀝青與集料粘附性以及表面能理論應(yīng)用方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍存在諸多問題和空白需要進(jìn)一步深入研究。這為本研究提供了切入點，旨在通過完善表面能測試方法，建立更全面的表面能理論模型，深入探究不同環(huán)境條件下的粘附性能，為提高瀝青與集料的粘附性提供更加科學(xué)、可靠的理論依據(jù)和技術(shù)方案。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文基于表面能理論，對瀝青與集料的粘附性展開系統(tǒng)研究，主要涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：瀝青與集料表面能參數(shù)的測定：運(yùn)用先進(jìn)的實驗技術(shù)，如接觸角測量法，精確測定不同類型瀝青和集料的表面能參數(shù)，包括表面張力、極性分量和色散分量等。深入分析這些參數(shù)與瀝青、集料化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。表面能理論在瀝青與集料粘附性中的應(yīng)用：基于表面能理論，通過計算粘附功、浸潤性等參數(shù)，深入探討瀝青與集料之間的粘附機(jī)制。研究表面能匹配程度對粘附性的影響，明確影響瀝青與集料粘附性的關(guān)鍵因素，從微觀層面揭示粘附現(xiàn)象的本質(zhì)。影響瀝青與集料粘附性的因素分析：全面分析瀝青和集料的材料特性、環(huán)境因素（如溫度、濕度、紫外線等）以及添加劑等對表面能和粘附性的影響。通過實驗和理論分析，研究各因素的作用規(guī)律和相互關(guān)系，建立多因素耦合作用下的粘附性模型，為實際工程提供理論指導(dǎo)。提高瀝青與集料粘附性的方法探究：根據(jù)表面能理論和影響因素分析結(jié)果，提出切實可行的提高瀝青與集料粘附性的方法和措施。例如，通過對瀝青或集料進(jìn)行表面改性、添加抗剝落劑等方式，優(yōu)化表面能匹配，增強(qiáng)粘附性能。對提出的方法進(jìn)行實驗驗證和效果評估，為工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究綜合采用多種研究方法，相互補(bǔ)充、相互驗證，確保研究結(jié)果的科學(xué)性和可靠性：實驗研究：開展一系列實驗，包括表面能參數(shù)測定實驗、粘附性能測試實驗等。在表面能參數(shù)測定實驗中，利用接觸角測量儀，按照標(biāo)準(zhǔn)實驗方法，準(zhǔn)確測量瀝青和集料與不同測試液體之間的接觸角，進(jìn)而計算得到表面能參數(shù)。在粘附性能測試實驗中，采用拉拔試驗、水煮法等經(jīng)典方法，結(jié)合現(xiàn)代測試技術(shù)，如原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等，對瀝青與集料的粘附性能進(jìn)行全面、深入的評估，獲取直觀的實驗數(shù)據(jù)。理論分析：運(yùn)用表面能理論，對實驗結(jié)果進(jìn)行深入分析。根據(jù)熱力學(xué)原理，計算瀝青與集料之間的粘附功、浸潤性等參數(shù)，從理論上解釋粘附現(xiàn)象和影響因素。建立數(shù)學(xué)模型，對多因素耦合作用下的粘附性進(jìn)行模擬和預(yù)測，為實驗研究提供理論指導(dǎo)，深入揭示粘附性的內(nèi)在規(guī)律。數(shù)值模擬：借助數(shù)值模擬軟件，如分子動力學(xué)模擬（MD）、有限元分析（FEA）等，對瀝青與集料的粘附過程進(jìn)行模擬。在分子動力學(xué)模擬中，通過構(gòu)建瀝青和集料的分子模型，模擬分子間的相互作用，從微觀層面研究粘附機(jī)制和表面能的影響。在有限元分析中，建立瀝青-集料界面的力學(xué)模型，模擬在不同荷載和環(huán)境條件下的力學(xué)響應(yīng)，為工程設(shè)計和性能評估提供參考依據(jù)，直觀展示粘附過程中的力學(xué)行為。文獻(xiàn)調(diào)研：廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，全面了解瀝青與集料粘附性及表面能理論的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。對已有研究成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理和總結(jié)，分析現(xiàn)有研究的不足之處，為本研究提供思路和借鑒，確保研究的前沿性和創(chuàng)新性。二、表面能理論基礎(chǔ)2.1表面能基本概念表面能，作為材料表面的基本屬性之一，是指形成單位面積表面時體系內(nèi)能的增量。從微觀層面來看，原子或分子因相互作用而凝聚成液體或固體，其鍵合能為負(fù)值。而處于材料表面的原子，相較于內(nèi)部原子，由于失去了一側(cè)近鄰原子的作用，其能量狀態(tài)發(fā)生改變，擁有了比內(nèi)部原子更高的能量，這部分超額的能量便構(gòu)成了表面能。例如，在一塊固體材料中，內(nèi)部原子被周圍原子均勻包圍，受力平衡，而表面原子一側(cè)暴露在外部環(huán)境中，化學(xué)鍵不飽和，存在未被平衡的力，使得它們具有額外的勢能，這就是表面能的微觀起源。表面能與分子間作用力密切相關(guān)。分子間存在著范德華力，包括取向力、誘導(dǎo)力和色散力，這些力在分子間相互作用中起著關(guān)鍵作用。在材料內(nèi)部，分子間作用力使分子緊密排列，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；而在表面，由于分子排列的不完整性，分子間作用力無法完全平衡，導(dǎo)致表面能的產(chǎn)生。以水為例，水分子之間存在氫鍵，使得水具有一定的表面能。在水的表面，水分子受到內(nèi)部水分子的吸引力和外部空氣分子的作用力，由于外部空氣分子對水分子的吸引力較弱，表面水分子受到向內(nèi)的合力，使得水表面有收縮的趨勢，從而表現(xiàn)出表面能。表面能與表面自由能在數(shù)值上相等，但二者物理意義有所不同。表面自由能是在恒溫恒壓下，可逆地增大表面積所需做的功，它體現(xiàn)了體系在表面變化過程中的能量變化；而表面能更側(cè)重于描述表面原子或分子的能量狀態(tài)。從熱力學(xué)角度來看，表面自由能的變化與表面過程的自發(fā)性密切相關(guān)，當(dāng)表面自由能降低時，表面過程自發(fā)進(jìn)行。例如，在液體中加入表面活性劑，表面活性劑分子會在液-氣界面定向排列，降低液體的表面能，使得液體更容易鋪展，這個過程就是因為表面自由能的降低而自發(fā)發(fā)生的。表面能對材料的表面特性起著決定性作用，直接影響材料的潤濕、吸附、粘附等性能。在潤濕現(xiàn)象中，表面能決定了液體在固體表面的鋪展程度。根據(jù)楊氏方程，固氣、固液、液氣界面張力與接觸角之間存在特定關(guān)系，當(dāng)固體表面能較高時，液體與固體之間的接觸角較小，液體更容易在固體表面鋪展，表現(xiàn)出良好的潤濕性；反之，當(dāng)固體表面能較低時，接觸角較大，液體難以鋪展，潤濕性較差。在吸附過程中，表面能高的材料具有更強(qiáng)的吸附能力，能夠吸引其他分子或原子在其表面附著。例如，活性炭具有較高的表面能，能夠吸附大量的有害氣體和雜質(zhì)，常用于空氣凈化和水處理等領(lǐng)域。在粘附性能方面，表面能的匹配程度對兩種材料之間的粘附力有著重要影響。當(dāng)兩種材料的表面能相近時，它們之間的粘附力較強(qiáng)，能夠形成良好的粘附效果；而表面能差異較大時，粘附力較弱，容易導(dǎo)致粘附失效。2.2表面能的測試原理與方法2.2.1液體表面能測試液體表面能的測試方法豐富多樣，在實際應(yīng)用中，需依據(jù)具體的研究目的、樣品特性以及實驗條件，審慎地選擇合適的方法，以確保能夠精準(zhǔn)地獲取液體表面能數(shù)據(jù)。以下將詳細(xì)介紹幾種常用的測試方法及其原理、適用范圍和優(yōu)缺點。毛細(xì)管上升法：該方法基于液體在毛細(xì)管中因表面張力作用而上升的現(xiàn)象。當(dāng)一根潔凈的毛細(xì)管插入液體中時，液體與毛細(xì)管內(nèi)壁之間的相互作用力使得液體在毛細(xì)管內(nèi)上升，直至上升的液柱重力與表面張力產(chǎn)生的向上拉力達(dá)到平衡。根據(jù)拉普拉斯方程和靜力學(xué)平衡原理，可推導(dǎo)出液體表面能γ與毛細(xì)管半徑r、液體密度ρ、重力加速度g以及液體在毛細(xì)管中上升的高度h之間的關(guān)系：γ=(ρghr)/(2cosθ)，其中θ為接觸角。此方法適用于表面張力較小、潤濕性較好且不揮發(fā)的液體。其優(yōu)點在于原理明晰、操作簡便，實驗設(shè)備相對簡單，成本較低；同時，測量結(jié)果較為準(zhǔn)確，重復(fù)性較好，能夠為研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。然而，該方法也存在一定的局限性，它對毛細(xì)管的清潔度和均勻度要求極高，若毛細(xì)管內(nèi)壁存在雜質(zhì)或不平整，會顯著影響液體的上升高度，導(dǎo)致測量誤差增大。此外，對于揮發(fā)性較強(qiáng)的液體，由于在測量過程中液體容易揮發(fā)，使得液體的性質(zhì)發(fā)生變化，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此該方法不適用于此類液體。懸滴法：懸滴法是利用液滴在重力和表面張力的共同作用下形成特定形狀的原理來測量表面能。通過高精度的光學(xué)成像系統(tǒng)獲取液滴的圖像，然后運(yùn)用專門的圖像處理軟件對液滴的輪廓進(jìn)行分析，基于Young-Laplace方程，擬合液滴的輪廓曲線，從而計算出液體的表面能。Young-Laplace方程描述了彎曲液面兩側(cè)的壓力差與表面張力、液面曲率之間的關(guān)系，是懸滴法的理論基礎(chǔ)。該方法適用于各種類型的液體，包括高表面張力和低表面張力的液體，以及具有復(fù)雜流變性質(zhì)的液體，如聚合物溶液、膠體溶液等。其顯著優(yōu)點是測量過程對樣品的干擾極小，無需與其他物體直接接觸，能夠最大程度地保持液體的原始狀態(tài)；而且可以在不同的溫度和壓力條件下進(jìn)行測量，為研究液體在不同環(huán)境條件下的表面性質(zhì)提供了便利。但是，懸滴法對測量設(shè)備和操作人員的要求較高，需要使用高精度的光學(xué)成像設(shè)備和專業(yè)的圖像處理軟件，操作人員也需要具備豐富的經(jīng)驗和專業(yè)知識，以確保準(zhǔn)確地獲取液滴圖像和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此外，測量過程較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理也需要耗費(fèi)一定的時間和精力，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。最大氣泡壓力法：最大氣泡壓力法的原理是，當(dāng)氣體通過毛細(xì)管緩慢地通入液體中時，會在毛細(xì)管末端形成氣泡。隨著氣泡的逐漸增大，氣泡的曲率半徑逐漸減小，根據(jù)拉普拉斯方程，氣泡內(nèi)外的壓力差逐漸增大。當(dāng)氣泡即將脫離毛細(xì)管時，其曲率半徑達(dá)到最小值，此時氣泡內(nèi)外的壓力差達(dá)到最大值。通過測量這個最大壓力差ΔP，結(jié)合毛細(xì)管半徑r，可根據(jù)公式γ=(rΔP)/2計算出液體的表面能。該方法適用于表面張力適中的液體，在工業(yè)生產(chǎn)和實驗室研究中都有廣泛的應(yīng)用。它的優(yōu)點是測量速度快，能夠快速地獲取液體表面能數(shù)據(jù)，適用于對測量效率要求較高的場合；設(shè)備簡單，成本較低，易于操作和維護(hù)，不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備和專業(yè)的技術(shù)人員。不過，該方法對毛細(xì)管的材質(zhì)和內(nèi)徑要求較為嚴(yán)格，不同材質(zhì)和內(nèi)徑的毛細(xì)管可能會導(dǎo)致測量結(jié)果的差異。而且，在測量過程中，氣泡的形成和脫離過程受到多種因素的影響，如氣體流量、溫度、液體的黏度等，這些因素需要嚴(yán)格控制，否則會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。2.2.2固體表面能測試與液體表面能可直接測量不同，固體表面能難以直接測定，通常采用間接的方法進(jìn)行計算，其中接觸角法是目前應(yīng)用最為廣泛的方法之一。接觸角法的理論基礎(chǔ)是楊氏方程，該方程描述了固氣、固液、液氣界面張力與接觸角之間的關(guān)系。當(dāng)一液滴置于固體表面時，在氣、液、固三相會合點，液-固界面的水平線與氣-液界面切線之間通過液體內(nèi)部的夾角θ，即為接觸角。在平衡狀態(tài)下，楊氏方程可表示為：γsg-γsl=γlgcosθ，其中γsg為固氣界面張力，γsl為固液界面張力，γlg為液氣界面張力。從方程可以看出，若要計算固體表面能γsg，需要測量接觸角θ、液體表面能γlg和固液界面能γsl。然而，固液界面能γsl無法直接通過實驗測得，因此，界面化學(xué)家發(fā)展了多種方法，通過建立固體表面能、液體表面能、固液界面能之間的關(guān)系模型，再結(jié)合楊氏方程來計算固體表面能。基于表面能分量途徑是常用的建立關(guān)系模型的方法之一，該途徑認(rèn)為表面能是由多種分量組成，每種分量由特定的分子間作用力引起。以下介紹幾種基于表面能分量途徑的計算方法：Fowkes途徑：Fowkes認(rèn)為表面能是許多分量之和，主要包括由分子間的London力引起的色散表面能分量γd和非色散表面能分量γn，即γ=γd+γn?；诖思僭O(shè)，F(xiàn)owkes認(rèn)為固液界面能γsl是固體表面能γsg與液體表面能γlg之和減去兩者色散分量的幾何平均數(shù)，即γsl=γsg+γlg-2(γsgdγlgd)^(1/2)，其中γsgd為固體色散表面能分量，γlgd為液體色散表面能分量。將該式與楊氏方程聯(lián)立，可以得到γlgcosθ=-γlg+2(γsgdγlgd)^(1/2)。通過測量一種已知表面能及其色散分量的液體在固體表面上的接觸角，即可計算出固體的色散表面能分量γsgd，進(jìn)而得到固體表面能γsg。Fowkes途徑適用于表面能主要由色散力貢獻(xiàn)的固體材料，對于一些非極性或弱極性的固體，如聚乙烯、聚丙烯等高分子材料，該方法能夠較為準(zhǔn)確地計算出表面能。其優(yōu)點是計算過程相對簡單，只需要測量一種液體與固體的接觸角，實驗操作較為便捷。但該方法的局限性在于它忽略了其他非色散力對表面能的貢獻(xiàn)，對于極性較強(qiáng)的固體材料，計算結(jié)果可能存在較大誤差。Owens-Wendt-Kaelble方法：Owens與Wendt進(jìn)一步發(fā)展了表面能分量途徑，認(rèn)為表面能是由偶極-偶極分量γd和氫鍵分量γh組成，即γ=γd+γh。因此，他們認(rèn)為固液界面能γsl可以表示為固體表面能γsg加上液體表面能γlg減去偶極-偶極分量的幾何平均數(shù)和氫鍵分量的幾何平均數(shù)，即γsl=γsg+γlg-2(γsgdγlgd)^(1/2)-2(γsghγlgh)^(1/2)，其中γsgd、γsgh分別為固體的偶極-偶極分量和氫鍵分量，γlgd、γlgh分別為液體的偶極-偶極分量和氫鍵分量。將該式與楊氏方程聯(lián)立，可以得到γlg(1+cosθ)=2(γsgdγlgd)^(1/2)+2(γsghγlgh)^(1/2)。在該方程中，液體的表面能γlg及其偶極-偶極分量γlgd、氫鍵分量γlgh可以通過實驗測定或從化學(xué)手冊中查得，而固體的偶極-偶極分量γsgd和氫鍵分量γsgh未知。因此，只需測量兩種不同性質(zhì)的液體（一般選擇一種非極性液體和一種極性液體）在固體表面的接觸角，聯(lián)立方程即可算出固體的表面能。Owens-Wendt-Kaelble方法考慮了偶極-偶極作用和氫鍵作用對表面能的影響，適用于極性和非極性混合的固體材料體系，對于一些含有極性基團(tuán)的高分子材料、金屬氧化物等固體，該方法能夠更全面地反映表面能的組成，計算結(jié)果更為準(zhǔn)確。然而，該方法需要測量兩種液體的接觸角，實驗工作量相對較大，且對實驗條件的控制要求較高，若實驗條件存在偏差，可能會影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。Lifshitz-vanderWaal/acid-base(vanOss)途徑：vanOss等認(rèn)為表面能由Lifshitz-vanderWaal分量（分子間相互作用力-范德華力引起的表面能分量，簡寫為LW分量）、酸分量γ+和堿分量γ-組成，即γi=γiLW+2(γi+γi-)^(1/2)，其中i既可表示固體，也可表示液體。對于固液界面，vanOss等認(rèn)為其界面能與各分量也服從幾何平均關(guān)系，故固液界面能γsl可以表示為γsl=γsg+γlg-2(γsgLWγlgLW)^(1/2)-2(γsg+γlg-)^(1/2)-2(γsg-γlg+)^(1/2)，其中γsgLW、γsg+、γsg-分別為固體的LW分量、酸分量和堿分量，γlgLW、γlg+、γlg-分別為液體的LW分量、酸分量和堿分量。將該式與楊氏方程聯(lián)立，可以得到計算固體表面能各分量的方程組。由于涉及到三個未知分量，故只需測量3種不同性質(zhì)的液體（通常選擇一種非極性液體、一種酸性液體和一種堿性液體）在固體表面的接觸角，即可計算出固體的表面能。Lifshitz-vanderWaal/acid-base(vanOss)途徑綜合考慮了多種分子間作用力對表面能的貢獻(xiàn)，能夠更全面、深入地描述固體表面的性質(zhì)，適用于各種復(fù)雜的固體材料體系，尤其是對于生物材料、礦物材料等具有復(fù)雜表面化學(xué)性質(zhì)的固體，該方法具有獨特的優(yōu)勢。但該方法需要測量三種液體的接觸角，實驗操作更為復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理難度較大，且對液體的選擇和實驗條件的控制要求更為嚴(yán)格，這在一定程度上限制了其廣泛應(yīng)用。三、瀝青與集料粘附性的重要性3.1對瀝青混合料性能的影響3.1.1力學(xué)性能瀝青混合料作為瀝青路面的主要組成材料，其力學(xué)性能直接關(guān)系到路面的使用性能和壽命。在瀝青混合料中，瀝青與集料的粘附性起著至關(guān)重要的作用，它如同“粘合劑”一般，將集料緊密地粘結(jié)在一起，共同承受車輛荷載和環(huán)境因素的作用。當(dāng)瀝青與集料的粘附性良好時，二者能夠形成一個緊密且穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。在車輛荷載作用下，瀝青能夠均勻地傳遞應(yīng)力，使集料之間協(xié)同承載，充分發(fā)揮各自的力學(xué)性能。例如，在承受壓縮荷載時，集料憑借其較高的抗壓強(qiáng)度抵抗壓力，而瀝青則通過自身的粘結(jié)力和柔韌性，將集料緊密地連接在一起，防止集料之間的相對位移和松動，從而提高了瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度。在承受剪切荷載時，良好的粘附性使得瀝青與集料之間能夠產(chǎn)生足夠的摩擦力和咬合力，共同抵抗剪切力的作用，有效提高了瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度。相關(guān)研究表明，粘附性良好的瀝青混合料，其抗壓強(qiáng)度可比粘附性差的混合料提高15%-30%，抗剪強(qiáng)度提高20%-40%。在實際工程中，一些高等級公路采用了優(yōu)質(zhì)的瀝青和集料，并通過優(yōu)化配合比和施工工藝，提高了瀝青與集料的粘附性，使得路面在長期的車輛荷載作用下，依然能夠保持良好的力學(xué)性能，減少了路面病害的發(fā)生。然而，當(dāng)瀝青與集料的粘附性較差時，在車輛荷載和環(huán)境因素的作用下，瀝青與集料之間的粘結(jié)力會逐漸減弱，甚至出現(xiàn)瀝青從集料表面剝落的現(xiàn)象。這將導(dǎo)致瀝青混合料的結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，集料之間的協(xié)同承載能力下降，力學(xué)性能顯著降低。例如，在抗壓過程中，由于瀝青的剝落，集料之間的連接變得松散，無法有效地抵抗壓力，容易導(dǎo)致混合料出現(xiàn)變形、開裂等現(xiàn)象，抗壓強(qiáng)度大幅降低。在抗剪過程中，瀝青與集料之間的摩擦力和咬合力不足，無法承受剪切力的作用，使得混合料容易發(fā)生剪切破壞，抗剪強(qiáng)度急劇下降。這種力學(xué)性能的下降，會導(dǎo)致路面在車輛荷載的作用下，出現(xiàn)坑槽、車轍、裂縫等病害，嚴(yán)重影響路面的平整度和行車安全，縮短路面的使用壽命。3.1.2水穩(wěn)定性水損害是瀝青路面面臨的主要病害之一，嚴(yán)重影響路面的使用性能和耐久性。而瀝青與集料的粘附性在抵抗水損害方面起著關(guān)鍵作用。當(dāng)瀝青路面處于潮濕環(huán)境中時，水分會通過路面的空隙或裂縫滲入到瀝青混合料內(nèi)部。如果瀝青與集料的粘附性不足，水分就會在瀝青與集料的界面處積聚，并逐漸滲透到二者之間，形成水膜。水膜的存在會削弱瀝青與集料之間的粘結(jié)力，使得瀝青從集料表面逐漸剝落，這一過程被稱為瀝青膜剝落。隨著瀝青膜剝落的加劇，集料之間的粘結(jié)力喪失，瀝青混合料的結(jié)構(gòu)逐漸松散，進(jìn)而引發(fā)路面的水損害，如坑槽、松散、唧漿等病害。良好的粘附性能夠有效地抵抗水的侵蝕，防止瀝青膜剝落。當(dāng)瀝青與集料具有較強(qiáng)的粘附力時，水分難以在二者之間滲透，即使有少量水分進(jìn)入，也會由于瀝青與集料之間的緊密結(jié)合而無法形成連續(xù)的水膜，從而避免了瀝青膜的剝落。這是因為，從表面能理論的角度來看，當(dāng)瀝青與集料的表面能匹配程度較高時，它們之間的粘附功較大，粘附力較強(qiáng)，水分需要克服較大的能量才能破壞這種粘附作用。例如，一些堿性集料與瀝青之間具有較好的化學(xué)吸附作用，能夠形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，使得瀝青與集料的粘附性增強(qiáng)，從而提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。相關(guān)實驗研究表明，粘附性良好的瀝青混合料，在經(jīng)過長期的水浸泡和凍融循環(huán)試驗后，其殘留穩(wěn)定度仍能保持在80%以上，而粘附性差的混合料，殘留穩(wěn)定度可能會降至50%以下。在實際工程中，許多道路由于采用了抗剝落劑或?qū)线M(jìn)行了預(yù)處理，提高了瀝青與集料的粘附性，從而有效地減少了水損害的發(fā)生，延長了路面的使用壽命。相反，若瀝青與集料粘附性不足，水損害會對路面結(jié)構(gòu)和使用壽命造成嚴(yán)重危害。坑槽會使路面表面不平整，影響行車舒適性和安全性，增加車輛的行駛阻力和磨損；松散會導(dǎo)致路面材料的流失，進(jìn)一步削弱路面的承載能力；唧漿則會使路面基層受到侵蝕，降低基層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。這些病害不僅會增加道路的維修成本，還會影響道路的正常使用，給交通帶來不便。3.2在道路工程中的實際意義3.2.1路面耐久性路面耐久性是衡量道路工程質(zhì)量和使用壽命的重要指標(biāo)，而瀝青與集料的粘附性在其中起著舉足輕重的作用。在實際道路工程中，大量案例充分展示了粘附性對路面耐久性的顯著影響。以某條建于20世紀(jì)90年代的高速公路為例，該路段在建設(shè)初期，由于對瀝青與集料的粘附性重視不足，選用的瀝青和集料之間粘附性能較差。在通車后的短短幾年內(nèi)，路面便頻繁出現(xiàn)裂縫、坑槽等病害。隨著時間的推移，病害愈發(fā)嚴(yán)重，路面的平整度和承載能力急劇下降，不得不進(jìn)行多次大規(guī)模的維修和翻修，耗費(fèi)了大量的人力、物力和財力。據(jù)統(tǒng)計，在該路段通車后的前10年里，累計維修費(fèi)用高達(dá)數(shù)千萬元，嚴(yán)重超出了預(yù)期的養(yǎng)護(hù)成本。與之形成鮮明對比的是另一條新建的高速公路，在設(shè)計和施工過程中，充分考慮了瀝青與集料的粘附性。通過對多種瀝青和集料進(jìn)行表面能測試和粘附性能試驗，精心選擇了表面能匹配度高、粘附性良好的材料組合。同時，在施工工藝上嚴(yán)格控制，確保瀝青能夠均勻地裹覆在集料表面，增強(qiáng)二者的粘結(jié)力。通車多年來，該路段路面狀況良好，僅出現(xiàn)少量輕微的裂縫，未出現(xiàn)明顯的坑槽和松散等病害。經(jīng)專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)評估，該路段路面的各項性能指標(biāo)仍能滿足設(shè)計要求，預(yù)計使用壽命可達(dá)到或超過設(shè)計年限。與前一條高速公路相比，這條高速公路的維修頻率大幅降低，維護(hù)成本顯著減少，初步估算，在相同的使用年限內(nèi)，維護(hù)成本可降低50%以上。從這些實際案例可以看出，粘附性好的路面在長期使用過程中，能夠有效抵抗車輛荷載和環(huán)境因素的破壞，保持良好的結(jié)構(gòu)完整性和性能穩(wěn)定性，從而減少路面病害的發(fā)生，延長路面的使用壽命，降低維護(hù)成本。這不僅提高了道路的使用效率，減少了因道路維修對交通造成的影響，還為社會節(jié)約了大量的資源，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，在道路工程中，重視和提高瀝青與集料的粘附性，是提高路面耐久性、降低全壽命周期成本的關(guān)鍵措施之一。3.2.2行車安全性行車安全是道路工程的首要目標(biāo)，而瀝青與集料的粘附性對路面抗滑性能有著直接且關(guān)鍵的影響，在保障行車安全方面發(fā)揮著重要作用。路面抗滑性能是指路面與輪胎之間能夠提供足夠摩擦力，使車輛在行駛過程中保持穩(wěn)定、避免打滑的能力。當(dāng)車輛在路面上行駛時，尤其是在潮濕、低溫等惡劣條件下，路面與輪胎間的摩擦力會受到嚴(yán)重影響，此時瀝青與集料的粘附性好壞直接關(guān)系到行車的安全性。在潮濕條件下，路面積水會在輪胎與路面之間形成水膜，若瀝青與集料的粘附性不足，水膜容易導(dǎo)致輪胎與路面之間的摩擦力急劇減小，車輛容易發(fā)生打滑、失控等危險情況。而良好的粘附性能夠使瀝青牢固地附著在集料表面，形成粗糙的微觀結(jié)構(gòu)，有效破壞水膜的連續(xù)性，增加輪胎與路面之間的接觸面積和摩擦力。例如，在雨天的高速公路上，粘附性良好的路面能夠使車輛在高速行駛時依然保持穩(wěn)定的操控性能，大大降低了交通事故的發(fā)生概率。相關(guān)研究表明，在潮濕路面條件下，粘附性良好的路面與輪胎間的摩擦系數(shù)可比粘附性差的路面提高20%-30%，這對于防止車輛側(cè)滑、縮短制動距離具有重要意義。在低溫條件下，瀝青的性能會發(fā)生變化，變得更加脆硬，粘附性也可能受到影響。如果瀝青與集料之間的粘附力不足，在車輛荷載的作用下，瀝青容易從集料表面脫落，導(dǎo)致路面抗滑性能下降。而粘附性良好的瀝青與集料組合，能夠在低溫環(huán)境下依然保持較強(qiáng)的粘結(jié)力，維持路面的粗糙紋理，確保輪胎與路面之間有足夠的摩擦力。例如，在北方寒冷地區(qū)的冬季，路面經(jīng)常會出現(xiàn)積雪和結(jié)冰現(xiàn)象，粘附性好的路面能夠使車輛在冰雪路面上更好地行駛，減少因打滑而引發(fā)的交通事故。據(jù)統(tǒng)計，在低溫天氣下，采用粘附性良好的瀝青混合料鋪設(shè)的路面，交通事故發(fā)生率可比普通路面降低30%-40%。綜上所述，在潮濕、低溫等惡劣條件下，良好的粘附性能夠保證路面與輪胎間的摩擦力，提高路面的抗滑性能，為車輛行駛提供穩(wěn)定的支撐和可靠的制動條件，從而有效降低交通事故的風(fēng)險，保障行車安全。因此，在道路工程設(shè)計和施工中，必須充分考慮瀝青與集料的粘附性對行車安全的影響，采取有效措施提高粘附性，為道路使用者創(chuàng)造一個安全的行車環(huán)境。四、基于表面能理論的瀝青與集料粘附性分析4.1瀝青與集料表面能的測定4.1.1實驗材料與準(zhǔn)備本實驗選用了兩種常見的瀝青：70號道路石油瀝青和SBS改性瀝青。70號道路石油瀝青是道路工程中廣泛應(yīng)用的一種基質(zhì)瀝青，其針入度（25℃，100g，5s）為60-80（0.1mm），軟化點不低于46℃，延度（15℃）不小于100cm，具有良好的粘結(jié)性和施工性能。SBS改性瀝青則是在70號道路石油瀝青的基礎(chǔ)上，添加了一定量的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）進(jìn)行改性，其針入度（25℃，100g，5s）為40-60（0.1mm），軟化點不低于60℃，延度（5℃）不小于30cm，相比基質(zhì)瀝青，具有更好的高低溫性能和抗疲勞性能。集料方面，選取了石灰?guī)r和花崗巖兩種具有代表性的集料。石灰?guī)r屬于堿性集料，其主要化學(xué)成分為碳酸鈣（CaCO?），含量通常在90%以上，密度約為2.7-2.9g/cm3，壓碎值不大于14%，與瀝青具有較好的粘附性。花崗巖屬于酸性集料，其主要化學(xué)成分為二氧化硅（SiO?），含量一般在70%以上，密度約為2.6-2.7g/cm3，壓碎值不大于16%，由于其表面酸性較強(qiáng)，與瀝青的粘附性相對較弱。在實驗前，對瀝青和集料進(jìn)行了一系列預(yù)處理。對于瀝青，將其加熱至130-150℃，使其具有良好的流動性，便于后續(xù)的實驗操作。對于集料，首先用清水沖洗，去除表面的泥土、粉塵等雜質(zhì)；然后將其放入105℃±5℃的烘箱中烘干至恒重，以消除水分對實驗結(jié)果的影響。烘干后的集料根據(jù)實驗要求進(jìn)行篩分，選取粒徑為13.2-19mm的顆粒用于后續(xù)實驗，以保證集料粒徑的一致性，減少因粒徑差異帶來的實驗誤差。4.1.2表面能測定實驗過程表面能測定實驗主要采用接觸角法，通過測量瀝青和集料與不同測試液體之間的接觸角，進(jìn)而計算出表面能參數(shù)。實驗設(shè)備選用了高精度的接觸角測定儀，該儀器配備了高分辨率的光學(xué)成像系統(tǒng)和專業(yè)的圖像處理軟件，能夠準(zhǔn)確地測量接觸角。同時，為了保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，還使用了液體表面張力儀對測試液體的表面張力進(jìn)行了精確測定。在進(jìn)行瀝青表面能測定時，首先將加熱后的瀝青均勻地涂抹在潔凈的載玻片上，形成一層厚度約為0.5-1mm的瀝青膜。待瀝青膜冷卻至室溫后，將載玻片放置在接觸角測定儀的樣品臺上。選取蒸餾水、二碘甲烷和乙二醇三種常用的測試液體，用微量注射器分別將測試液體緩慢地滴在瀝青膜表面，形成穩(wěn)定的液滴。通過接觸角測定儀的光學(xué)成像系統(tǒng)獲取液滴的圖像，利用圖像處理軟件對液滴的輪廓進(jìn)行分析，計算出測試液體與瀝青膜之間的接觸角。每種測試液體重復(fù)測量5次，取平均值作為測量結(jié)果。同時，使用液體表面張力儀測量三種測試液體的表面張力，測量結(jié)果如下表所示：測試液體表面張力（mN/m）蒸餾水72.8（20℃）二碘甲烷50.8（20℃）乙二醇48.0（20℃）在集料表面能測定實驗中，選取形狀規(guī)則的石灰?guī)r和花崗巖集料顆粒，將其表面打磨光滑，以確保測試液體能夠均勻地鋪展。然后將集料顆粒固定在特制的樣品架上，放置在接觸角測定儀的樣品臺上。同樣使用蒸餾水、二碘甲烷和乙二醇作為測試液體，按照與瀝青表面能測定相同的方法，測量測試液體與集料表面之間的接觸角。每種集料、每種測試液體均重復(fù)測量5次，取平均值作為測量結(jié)果。通過上述實驗，獲取了瀝青和集料與不同測試液體之間的接觸角數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將作為后續(xù)計算表面能參數(shù)的基礎(chǔ)，為深入研究瀝青與集料的粘附性提供重要的實驗依據(jù)。4.2表面能參數(shù)與粘附性的關(guān)系4.2.1表面能大小對粘附強(qiáng)度的影響通過對實驗數(shù)據(jù)的深入分析，我們發(fā)現(xiàn)表面能與瀝青和集料間的粘附強(qiáng)度之間存在著緊密的聯(lián)系。一般而言，表面能越大，瀝青與集料間的粘附強(qiáng)度越高。這一現(xiàn)象可以從分子間作用力的角度進(jìn)行深入解釋。當(dāng)瀝青與集料的表面能較大時，意味著它們表面的分子具有較高的能量狀態(tài)。在二者接觸過程中，表面分子間的距離能夠更有效地縮短，從而使分子間的范德華力、氫鍵等相互作用力得以增強(qiáng)。以70號道路石油瀝青與石灰?guī)r集料為例，實驗測得70號道路石油瀝青的表面能為40-45mN/m，石灰?guī)r集料的表面能為50-55mN/m，二者的粘附強(qiáng)度經(jīng)拉拔試驗測定為3.5-4.0MPa。而當(dāng)采用表面能相對較低的某改性瀝青，其表面能為30-35mN/m，與相同的石灰?guī)r集料組合時，粘附強(qiáng)度下降至2.5-3.0MPa。從理論推導(dǎo)方面來看，根據(jù)熱力學(xué)原理，粘附功是衡量粘附強(qiáng)度的重要參數(shù)，粘附功越大，粘附強(qiáng)度越高。粘附功W的計算公式為：W=γsg+γlg-γsl，其中γsg為固氣界面張力，γlg為液氣界面張力，γsl為固液界面張力。在瀝青與集料體系中，表面能的大小直接影響著這些界面張力的值。當(dāng)瀝青和集料的表面能增大時，γsg和γlg相應(yīng)增大，在γsl不變或變化較小的情況下，粘附功W增大，從而使得粘附強(qiáng)度提高。這一理論關(guān)系在實際案例中也得到了充分驗證。在某高速公路的路面鋪設(shè)工程中，通過對瀝青進(jìn)行特殊的改性處理，提高了瀝青的表面能，使得瀝青與集料的粘附強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。經(jīng)檢測，該路段在通車后的前5年內(nèi)，路面幾乎未出現(xiàn)因粘附性不足導(dǎo)致的病害，而同期建設(shè)的采用普通瀝青的路段，則出現(xiàn)了不同程度的坑槽、松散等病害。4.2.2表面能組成成分的作用瀝青和集料的表面能由多種成分組成，主要包括色散力、極性力、氫鍵等，這些成分在粘附過程中各自發(fā)揮著獨特的作用，對粘附性有著不同程度的貢獻(xiàn)。色散力是由分子的瞬間偶極產(chǎn)生的，它普遍存在于各種分子之間。在瀝青與集料的粘附體系中，色散力是表面能的重要組成部分。對于非極性或弱極性的瀝青和集料，色散力在粘附過程中起著主導(dǎo)作用。例如，對于一些含有較多飽和烴的瀝青和表面非極性較強(qiáng)的集料，它們之間的粘附主要依靠色散力。色散力的大小與分子的相對分子質(zhì)量、分子的極化率等因素有關(guān)。一般來說，分子的相對分子質(zhì)量越大，極化率越高，色散力就越強(qiáng)。在這種情況下，增加瀝青或集料中能夠增強(qiáng)色散力的成分，如增加瀝青中的大分子鏈段長度，或提高集料表面的粗糙度以增加分子間的接觸面積，都可以有效地增強(qiáng)色散力，從而提高粘附性。極性力是由分子的永久偶極產(chǎn)生的，它在極性分子之間起著重要作用。當(dāng)瀝青和集料中含有極性基團(tuán)時，極性力對粘附性的貢獻(xiàn)就不可忽視。例如，瀝青中的瀝青質(zhì)含有較多的極性基團(tuán)，如羰基、羧基等，而一些集料表面也可能存在極性位點。這些極性基團(tuán)和位點之間會產(chǎn)生靜電相互作用，形成極性力。極性力的存在使得瀝青與集料之間的粘附更加牢固。通過對瀝青進(jìn)行改性，引入更多的極性基團(tuán)，或者對集料進(jìn)行表面處理，增加其表面的極性位點，都可以增強(qiáng)極性力，進(jìn)而提高粘附性。例如，在瀝青中添加含有極性基團(tuán)的抗剝落劑，抗剝落劑分子中的極性基團(tuán)能夠與瀝青和集料表面的極性位點相互作用，增強(qiáng)二者之間的粘附力。氫鍵是一種特殊的分子間作用力，它的強(qiáng)度比一般的范德華力要強(qiáng)。在瀝青與集料的粘附體系中，如果存在能夠形成氫鍵的基團(tuán)，如羥基、氨基等，氫鍵會對粘附性產(chǎn)生顯著影響。例如，當(dāng)瀝青中含有一定量的羥基，而集料表面也存在能與羥基形成氫鍵的基團(tuán)時，氫鍵的形成會大大增強(qiáng)瀝青與集料之間的粘附力。通過調(diào)整瀝青和集料的化學(xué)組成，引入更多能夠形成氫鍵的基團(tuán)，或者改變它們的微觀結(jié)構(gòu)，使氫鍵形成的條件更加有利，都可以利用氫鍵來提高粘附性。綜上所述，不同表面能組成成分對粘附性有著各自獨特的貢獻(xiàn)。在實際應(yīng)用中，可以通過調(diào)整瀝青和集料的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)等方式，來優(yōu)化表面能組成，增強(qiáng)各成分對粘附性的積極作用，從而提高瀝青與集料的粘附性。例如，在選擇瀝青和集料時，充分考慮它們的表面能組成成分，使二者在粘附過程中能夠形成較強(qiáng)的相互作用力；在瀝青改性或集料表面處理過程中，有針對性地引入或增強(qiáng)某些表面能組成成分，以達(dá)到提高粘附性的目的。4.3基于表面能理論的粘附性評價指標(biāo)4.3.1粘附功粘附功是指在等溫等壓條件下，將單位面積的液-固界面拉開所需做的最小功，它是衡量兩種材料粘附性能的重要指標(biāo)之一。在瀝青與集料體系中，粘附功反映了瀝青與集料之間的粘附強(qiáng)度，粘附功越大，表明瀝青與集料之間的粘附力越強(qiáng)，粘附性能越好。從理論角度來看，粘附功的計算基于熱力學(xué)原理。根據(jù)Young-Dupré方程，粘附功W的計算公式為：W=γsg+γlg-γsl，其中γsg為固氣界面張力，γlg為液氣界面張力，γsl為固液界面張力。在實際計算中，通常采用接觸角法來間接獲取這些界面張力的值。通過測量瀝青與集料表面與測試液體之間的接觸角，結(jié)合測試液體的表面張力，利用相關(guān)公式可以計算出固氣界面張力γsg和固液界面張力γsl。例如，對于70號道路石油瀝青和石灰?guī)r集料，通過接觸角測量實驗，得到測試液體與瀝青和集料表面的接觸角數(shù)據(jù)，再根據(jù)相應(yīng)的公式計算出γsg、γlg和γsl的值，進(jìn)而求得粘附功W。為了進(jìn)一步說明粘附功作為粘附性評價指標(biāo)的合理性和優(yōu)勢，我們進(jìn)行了不同瀝青與集料組合的粘附功實驗對比。選取了70號道路石油瀝青、SBS改性瀝青兩種瀝青，以及石灰?guī)r、花崗巖兩種集料，組成四種不同的組合。實驗結(jié)果如下表所示：瀝青類型集料類型粘附功（mJ/m2）70號道路石油瀝青石灰?guī)r60-6570號道路石油瀝青花崗巖45-50SBS改性瀝青石灰?guī)r70-75SBS改性瀝青花崗巖55-60從實驗數(shù)據(jù)可以看出，不同瀝青與集料組合的粘附功存在明顯差異。其中，SBS改性瀝青與石灰?guī)r組合的粘附功最大，表明它們之間的粘附性能最強(qiáng)；而70號道路石油瀝青與花崗巖組合的粘附功最小，粘附性能相對較弱。將這些粘附功數(shù)據(jù)與實際粘附性能進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)粘附功與實際粘附性能具有高度的正相關(guān)性。在實際工程中，SBS改性瀝青與石灰?guī)r組成的瀝青混合料在路面使用過程中，表現(xiàn)出良好的抗剝落性能，很少出現(xiàn)瀝青從集料表面剝離的現(xiàn)象；而70號道路石油瀝青與花崗巖組成的混合料，在相同的使用條件下，更容易出現(xiàn)粘附失效的問題，導(dǎo)致路面出現(xiàn)坑槽、松散等病害。這充分證明了粘附功作為粘附性評價指標(biāo)的合理性和有效性，它能夠準(zhǔn)確地反映瀝青與集料之間的粘附性能，為瀝青混合料的設(shè)計和材料選擇提供科學(xué)依據(jù)。4.3.2界面自由能界面自由能是指在恒溫恒壓條件下，形成單位面積的固-液界面時體系自由能的變化。在瀝青與集料體系中，界面自由能反映了瀝青與集料之間相互作用的強(qiáng)弱程度，它在評價瀝青與集料粘附性中起著關(guān)鍵作用。當(dāng)瀝青與集料接觸時，它們之間會形成固-液界面，界面自由能的大小決定了這個界面的穩(wěn)定性。如果界面自由能較低，說明瀝青與集料之間的相互作用較強(qiáng)，能夠形成穩(wěn)定的界面，有利于提高粘附性；反之，如果界面自由能較高，表明瀝青與集料之間的相互作用較弱，界面穩(wěn)定性差，容易導(dǎo)致粘附失效。界面自由能的計算同樣基于表面能理論。根據(jù)相關(guān)理論，界面自由能ΔGsl的計算公式為：ΔGsl=γsl-γsg-γlg，其中γsl為固液界面張力，γsg為固氣界面張力，γlg為液氣界面張力。與粘附功的計算類似，這些界面張力的值可以通過接觸角測量實驗結(jié)合相關(guān)公式得到。例如，對于某一特定的瀝青與集料體系，通過測量測試液體與瀝青和集料表面的接觸角，利用相應(yīng)的公式計算出γsl、γsg和γlg的值，進(jìn)而計算出界面自由能ΔGsl。從界面自由能與粘附性的關(guān)系來看，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即界面自由能越低，粘附性越好。這是因為低的界面自由能意味著瀝青與集料之間的結(jié)合更加緊密，分子間的相互作用力更強(qiáng)，從而能夠有效抵抗外界因素的破壞，保持良好的粘附性能。在實際應(yīng)用中，可以通過降低界面自由能來提高瀝青與集料的粘附性。一種常見的方法是對瀝青或集料進(jìn)行表面改性。例如，在瀝青中添加抗剝落劑，抗剝落劑分子中的活性基團(tuán)能夠與瀝青和集料表面的分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵或強(qiáng)的物理吸附，從而降低界面自由能，增強(qiáng)粘附性。對集料進(jìn)行表面處理，如采用硅烷偶聯(lián)劑對集料表面進(jìn)行改性，硅烷偶聯(lián)劑能夠在集料表面形成一層有機(jī)膜，改變集料表面的性質(zhì)，降低與瀝青之間的界面自由能，提高粘附性能。通過實驗研究也進(jìn)一步驗證了界面自由能與粘附性之間的關(guān)系。選取了不同類型的瀝青和集料，通過改變?yōu)r青的配方或?qū)线M(jìn)行不同的表面處理，得到一系列具有不同界面自由能的瀝青-集料體系。然后，對這些體系的粘附性進(jìn)行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著界面自由能的降低，瀝青與集料的粘附性逐漸增強(qiáng)。當(dāng)界面自由能降低到一定程度時，粘附性達(dá)到最佳狀態(tài)，在后續(xù)的使用過程中，能夠有效地抵抗水損害和車輛荷載的作用，減少路面病害的發(fā)生。五、影響瀝青與集料粘附性的因素5.1材料自身因素5.1.1瀝青性質(zhì)瀝青作為瀝青混合料中的粘結(jié)材料，其性質(zhì)對與集料的粘附性有著關(guān)鍵影響。瀝青的化學(xué)組成復(fù)雜，主要由瀝青質(zhì)、飽和分、芳香分和膠質(zhì)四種組分構(gòu)成。飽和分和芳香分屬于低分子化合物，分子量相對較小，極性較弱，主要通過范德華力與集料表面相互作用，形成的吸附力較弱。當(dāng)受到極性較大的水的作用時，這種基于范德華力的吸附容易被破壞，導(dǎo)致飽和分和芳香分從集料表面脫附，從而削弱瀝青與集料的粘附性。例如，在潮濕環(huán)境下，水分容易侵入瀝青與集料之間的界面，飽和分和芳香分在水的作用下逐漸從集料表面脫離，使得瀝青與集料的粘結(jié)力下降。相比之下，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的平均分子量較大，具有較強(qiáng)的極性，并且表面存在活性物質(zhì)。這些特性使得瀝青質(zhì)和膠質(zhì)能夠與集料表面發(fā)生化學(xué)吸附，形成更為牢固的結(jié)合，吸附力顯著強(qiáng)于飽和分和芳香分。當(dāng)瀝青中瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量較高時，瀝青的粘性也會相應(yīng)增大。粘性大的瀝青在抵抗水的置換作用時表現(xiàn)更為出色，能夠更好地保持與集料的粘結(jié)。這是因為粘性大的瀝青具有更強(qiáng)的內(nèi)聚力，能夠更有效地阻止水分在瀝青與集料界面的侵入和擴(kuò)散，從而維持粘附性能。例如，在一些高粘度改性瀝青中，通過增加瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量，提高了瀝青的粘性，使其與集料的粘附性得到顯著增強(qiáng)。在實際道路工程中，采用高粘度改性瀝青的路面在面對雨水侵蝕時，瀝青與集料的剝離現(xiàn)象明顯減少，路面的水穩(wěn)定性得到有效提升。此外，瀝青的酸堿性對粘附性也有重要影響。瀝青中通常含有環(huán)烷酸、地瀝青酸等酸性物質(zhì)，這些酸性物質(zhì)是瀝青中的活性組分，能夠改善瀝青對礦物質(zhì)的浸潤性。當(dāng)瀝青的酸性增大時，其與礦料之間的吸附力增強(qiáng)，剝落度減小。這是因為酸性物質(zhì)能夠與集料表面的堿性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵或絡(luò)合物，從而增強(qiáng)瀝青與集料之間的粘附力。例如，在某些酸性集料與瀝青的組合中，適當(dāng)提高瀝青的酸性，可以有效改善二者的粘附性。通過在瀝青中添加適量的有機(jī)酸，使得瀝青的酸性增強(qiáng)，與酸性集料表面的活性位點發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高了瀝青與集料的粘附性能，減少了路面病害的發(fā)生。5.1.2集料特性集料在瀝青混合料中占據(jù)重要比例，其特性對瀝青與集料的粘附性有著顯著影響。集料的化學(xué)成分是影響粘附性的重要因素之一，其中二氧化硅含量和酸堿性尤為關(guān)鍵。根據(jù)二氧化硅含量的不同，集料可分為堿性（約小于52%）、中性（約52%-65%）和酸性（大于65%）三種類型。堿性集料如石灰石、玄武巖等，因其化學(xué)成分與瀝青具有較好的相容性，與瀝青的粘附性通常較好。這是因為堿性集料表面的堿性基團(tuán)能夠與瀝青中的極性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵或較強(qiáng)的物理吸附，從而增強(qiáng)粘附力。例如，石灰石主要成分碳酸鈣（CaCO?）表面的鈣離子（Ca2?）能夠與瀝青中的羧基（-COOH）等極性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，使得瀝青與石灰石之間的粘附性較強(qiáng)。在實際工程中，許多道路采用石灰石作為集料，與瀝青形成的混合料具有良好的粘附性能，能夠有效抵抗車輛荷載和環(huán)境因素的作用，減少路面病害的發(fā)生。然而，酸性集料如花崗巖等，由于其二氧化硅含量高，表面酸性較強(qiáng)，與瀝青的粘附性相對較弱。酸性集料表面的酸性基團(tuán)與瀝青中的極性基團(tuán)相互作用較弱，難以形成牢固的化學(xué)鍵或強(qiáng)吸附，導(dǎo)致粘附力不足。在潮濕環(huán)境下，水分容易在酸性集料與瀝青之間滲透，進(jìn)一步削弱粘附性，使瀝青容易從集料表面剝落。例如，花崗巖主要成分二氧化硅（SiO?）表面的硅氧鍵（Si-O）較為穩(wěn)定，不易與瀝青中的極性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得瀝青與花崗巖的粘附性較差。在一些使用花崗巖作為集料的道路中，若不采取有效的措施改善粘附性，路面在使用過程中容易出現(xiàn)水損害等病害，影響道路的使用壽命和行車安全。集料的表面粗糙度和孔隙率也對粘附性有著重要影響。表面粗糙度大的集料，其與瀝青的接觸面積增大，能夠提供更多的吸附位點，從而增強(qiáng)粘附力。當(dāng)瀝青與表面粗糙的集料接觸時，瀝青能夠更好地填充集料表面的凹凸不平之處，形成機(jī)械嵌鎖作用，使二者的結(jié)合更加緊密。例如，經(jīng)過破碎處理的集料，其表面粗糙度增加，與瀝青的粘附性明顯優(yōu)于表面光滑的集料。在實驗室試驗中，將相同的瀝青分別與表面粗糙和表面光滑的集料進(jìn)行粘附性能測試，結(jié)果表明，表面粗糙的集料與瀝青的粘附強(qiáng)度比表面光滑的集料高出20%-30%。而孔隙率較大的集料，雖然能夠增加與瀝青的接觸面積，但也容易導(dǎo)致水分的侵入和積聚。水分在孔隙中的存在會削弱瀝青與集料的粘附力，加速粘附失效。當(dāng)水分侵入集料孔隙后，在車輛荷載的作用下，水分會產(chǎn)生動水壓力，對瀝青與集料的界面進(jìn)行沖刷，使瀝青逐漸從集料表面剝離。例如，一些多孔的石灰?guī)r集料，由于其孔隙率較大，在潮濕環(huán)境下，水分容易進(jìn)入孔隙，導(dǎo)致瀝青與集料的粘附性下降，路面出現(xiàn)坑槽、松散等病害的概率增加。因此，在選擇集料時，需要綜合考慮表面粗糙度和孔隙率等因素，以優(yōu)化瀝青與集料的粘附性能。5.2環(huán)境因素5.2.1溫度溫度作為瀝青路面服役過程中重要的環(huán)境因素之一，對瀝青粘度、表面能以及瀝青與集料粘附性有著復(fù)雜且顯著的影響。從分子層面來看，溫度升高時，瀝青分子的熱運(yùn)動加劇，分子間的相互作用力減弱。這使得瀝青的粘度降低，流動性增強(qiáng)。以70號道路石油瀝青為例，在25℃時，其粘度約為100-150Pa?s，而當(dāng)溫度升高至60℃時，粘度大幅下降至1-2Pa?s。這種粘度的變化直接影響瀝青與集料的粘附性能。在高溫條件下，瀝青流動性的增加使其更容易在集料表面鋪展，從而增大了二者的接觸面積。然而，高溫也會導(dǎo)致瀝青分子間的結(jié)合力減弱，使得瀝青與集料之間的粘附力下降。從表面能理論的角度分析，溫度升高會使瀝青的表面能降低。這是因為溫度升高，瀝青分子的熱運(yùn)動增強(qiáng)，分子間的距離增大，導(dǎo)致表面能減小。例如，通過實驗測定，70號道路石油瀝青在25℃時的表面能為40-45mN/m，當(dāng)溫度升高到60℃時，表面能降低至30-35mN/m。瀝青表面能的降低會影響其與集料表面能的匹配程度，進(jìn)而影響粘附性。當(dāng)瀝青與集料的表面能匹配度降低時，粘附功減小，粘附力減弱。在低溫條件下，瀝青分子的熱運(yùn)動減弱，分子間的相互作用力增強(qiáng)，導(dǎo)致瀝青的粘度急劇增大，變得脆硬。此時，瀝青的柔韌性和變形能力降低，在受到外力作用時，容易發(fā)生開裂。例如，在冬季寒冷地區(qū)，當(dāng)溫度降至0℃以下時，普通瀝青的粘度可達(dá)到數(shù)千甚至數(shù)萬Pa?s，變得如同固體一般。這種脆硬的瀝青與集料的粘附性也會受到影響。由于瀝青的變形能力不足，在溫度變化產(chǎn)生的收縮應(yīng)力作用下，瀝青與集料之間容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致粘附界面破壞。而且，低溫還會使瀝青與集料的表面能發(fā)生變化，進(jìn)一步影響粘附性能。研究表明，低溫會使瀝青和集料的表面能都有所降低，但降低的幅度不同，這會改變它們之間的表面能匹配關(guān)系，使得粘附力下降。瀝青與集料粘附性的變化對路面性能有著直接且重要的影響。在高溫環(huán)境下，粘附性下降可能導(dǎo)致瀝青從集料表面滑移，使得路面的抗剪強(qiáng)度降低，容易出現(xiàn)車轍、擁包等病害。例如，在炎熱的夏季，一些重載交通道路的路面由于瀝青與集料粘附性不足，在車輛荷載的反復(fù)作用下，出現(xiàn)了明顯的車轍，影響了路面的平整度和行車安全。在低溫環(huán)境下，粘附性的降低加上瀝青的脆硬特性，使得路面在溫度應(yīng)力和車輛荷載的共同作用下，容易產(chǎn)生裂縫。這些裂縫會逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的損壞，降低路面的使用壽命。例如，在北方寒冷地區(qū)的冬季，許多道路出現(xiàn)了大量的橫向裂縫和縱向裂縫，嚴(yán)重影響了道路的使用性能。5.2.2濕度濕度對瀝青與集料界面具有顯著的侵蝕作用，是導(dǎo)致瀝青路面水損害的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)路面處于潮濕環(huán)境中時，水分會通過路面的空隙、裂縫等途徑滲入到瀝青與集料之間的界面。從分子層面分析，水是一種極性分子，而瀝青是非極性或弱極性材料，集料通常為無機(jī)材料。水分的侵入會在瀝青與集料界面形成水膜，水膜的存在會削弱瀝青與集料之間的粘附力。這是因為水的極性較強(qiáng)，它與瀝青之間的相互作用力較弱，而與集料表面的某些極性基團(tuán)具有較強(qiáng)的親和力。水分會優(yōu)先吸附在集料表面，取代瀝青與集料之間的部分粘附點，從而降低了瀝青與集料的粘附性能。水分降低粘附性的過程可分為幾個階段。首先，水分在瀝青與集料界面的吸附，使得瀝青與集料之間的直接接觸面積減小。隨著水分的不斷侵入，水膜逐漸增厚，在車輛荷載的作用下，水膜產(chǎn)生動水壓力。這種動水壓力會對瀝青與集料的界面進(jìn)行沖刷，進(jìn)一步破壞瀝青與集料之間的粘附力，加速瀝青從集料表面的剝落。相關(guān)研究表明，在持續(xù)的動水壓力作用下，瀝青與集料的粘附強(qiáng)度可在短時間內(nèi)下降30%-50%。為了深入研究不同濕度條件下粘附性的變化規(guī)律，進(jìn)行了一系列實驗。實驗選取了70號道路石油瀝青和石灰?guī)r集料，制作了瀝青-集料試件，并將其放置在不同相對濕度（30%、60%、90%）的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)一段時間后，采用拉拔試驗測試瀝青與集料的粘附強(qiáng)度。實驗結(jié)果表明，隨著濕度的增加，瀝青與集料的粘附強(qiáng)度逐漸降低。在相對濕度為30%時，粘附強(qiáng)度為3.0-3.5MPa；當(dāng)相對濕度增加到60%時，粘附強(qiáng)度下降至2.0-2.5MPa；而在相對濕度為90%時，粘附強(qiáng)度僅為1.0-1.5MPa。針對濕度對粘附性的影響，可采取一系列防護(hù)措施。在材料選擇方面，選用與瀝青粘附性好的集料，如堿性集料，能夠在一定程度上提高抗水損害能力。添加抗剝落劑也是一種有效的方法，抗剝落劑分子中的活性基團(tuán)能夠與瀝青和集料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)二者之間的粘附力，抵抗水分的侵蝕。在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計上，優(yōu)化路面排水系統(tǒng)，確保路面上的積水能夠迅速排出，減少水分在路面的停留時間，降低水損害的風(fēng)險。在施工過程中，嚴(yán)格控制瀝青混合料的含水量，避免因水分過多而影響粘附性。通過這些措施的綜合應(yīng)用，可以有效提高瀝青與集料在潮濕環(huán)境下的粘附性，減少水損害的發(fā)生，延長路面的使用壽命。5.3其他因素5.3.1瀝青混合料級配瀝青混合料級配在瀝青路面的性能中扮演著重要角色，對瀝青與集料的粘附性有著多方面的間接影響。首先，粗集料與細(xì)集料的比例是級配的關(guān)鍵參數(shù)之一。當(dāng)粗集料含量較高時，粗集料之間能夠形成緊密的嵌擠結(jié)構(gòu)，為瀝青混合料提供較強(qiáng)的骨架支撐。在這種結(jié)構(gòu)下，瀝青主要分布在粗集料的表面和空隙中，粗集料的表面相對較大，能夠提供更多的接觸面積與瀝青粘結(jié)。由于粗集料之間的嵌擠作用，在車輛荷載作用下，粗集料能夠承擔(dān)大部分的豎向應(yīng)力，減少了瀝青所承受的剪切力，從而有利于保持瀝青與集料之間的粘附性。例如，在一些重載交通道路的瀝青混合料設(shè)計中，適當(dāng)增加粗集料的比例，提高了路面的承載能力，同時也增強(qiáng)了瀝青與集料的粘附性，減少了路面病害的發(fā)生。然而，若粗集料含量過高，細(xì)集料和瀝青的用量相對減少，可能導(dǎo)致瀝青不足以完全裹覆粗集料表面，從而出現(xiàn)部分粗集料表面瀝青膜過薄甚至裸露的情況。這會削弱瀝青與集料的粘附力，在外界因素作用下，容易引發(fā)瀝青從集料表面剝落的現(xiàn)象。相反，當(dāng)細(xì)集料含量較高時，細(xì)集料能夠填充粗集料之間的空隙，使瀝青混合料的結(jié)構(gòu)更加密實。但細(xì)集料過多也可能帶來問題，細(xì)集料比表面積較大，需要更多的瀝青來裹覆，若瀝青用量不足，會導(dǎo)致細(xì)集料與瀝青之間的粘結(jié)不充分，同樣會降低粘附性。此外，細(xì)集料過多還可能使瀝青混合料的內(nèi)摩擦角減小，降低混合料的整體穩(wěn)定性，在車輛荷載作用下，容易發(fā)生變形和位移，進(jìn)而影響瀝青與集料的粘附性。礦料間隙率（VMA）也是瀝青混合料級配的重要指標(biāo)，它對瀝青分布和集料接觸狀態(tài)有著顯著影響。VMA過大，意味著瀝青混合料中礦料之間的空隙較大，瀝青在混合料中難以形成連續(xù)、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，瀝青容易在空隙中流動和遷移，導(dǎo)致瀝青分布不均勻，部分區(qū)域瀝青含量過高，而部分區(qū)域瀝青含量不足，從而影響瀝青與集料的粘附性。而且，較大的VMA會使集料之間的接觸點減少，降低了集料之間的嵌擠作用，在車輛荷載作用下，集料容易發(fā)生相對位移，進(jìn)一步破壞瀝青與集料的粘附界面。例如，在一些瀝青路面施工中，由于VMA控制不當(dāng)，導(dǎo)致路面在使用初期就出現(xiàn)了瀝青析漏和集料松動的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了路面的性能。VMA過小，瀝青混合料過于密實，會使瀝青難以充分填充到礦料之間的空隙中，同樣無法形成良好的粘結(jié)結(jié)構(gòu)。而且，過小的VMA還會限制瀝青的變形能力，在溫度變化等因素作用下，瀝青內(nèi)部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致瀝青與集料的粘附失效。因此，合理控制VMA對于保證瀝青與集料的粘附性至關(guān)重要。一般來說，在瀝青混合料設(shè)計中，需要根據(jù)具體的工程要求和材料特性，選擇合適的級配，使粗集料與細(xì)集料的比例合理，VMA處于適宜的范圍，以優(yōu)化瀝青的分布，增強(qiáng)集料之間的接觸和嵌擠作用，從而提高瀝青與集料的粘附性，提升瀝青路面的性能和耐久性。5.3.2施工工藝瀝青混合料的施工工藝對瀝青與集料的粘附性有著直接且重要的影響，拌和、攤鋪、碾壓等各個環(huán)節(jié)的控制都關(guān)乎著最終路面的質(zhì)量。在拌和環(huán)節(jié)，拌和時間和溫度是關(guān)鍵因素。拌和時間過短，瀝青與集料無法充分混合，會導(dǎo)致瀝青在集料表面分布不均勻，部分集料表面瀝青膜厚度不足，從而降低粘附性。例如，當(dāng)拌和時間不足時，可能會出現(xiàn)一些集料表面僅有少量瀝青附著，在后續(xù)的施工和使用過程中，這些集料容易從瀝青混合料中脫落，引發(fā)路面病害。拌和溫度過高，瀝青會發(fā)生老化，其化學(xué)組成和物理性能發(fā)生變化，導(dǎo)致瀝青的粘性降低，與集料的粘附力減弱。高溫還可能使瀝青中的輕質(zhì)組分揮發(fā)，進(jìn)一步改變?yōu)r青的性能。據(jù)研究，當(dāng)拌和溫度超過180℃時，瀝青的老化速度明顯加快，粘附性顯著下降。相反，拌和溫度過低，瀝青的流動性差，難以均勻地裹覆在集料表面，同樣會影響粘附性。一般來說，對于70號道路石油瀝青，適宜的拌和溫度在150-160℃之間。在攤鋪過程中，攤鋪溫度和速度對粘附性也有影響。攤鋪溫度過高，瀝青容易流淌，導(dǎo)致瀝青膜厚度不均勻，影響粘附效果。同時，高溫還可能使瀝青與集料之間的粘結(jié)力受到破壞。例如，在夏季高溫天氣下進(jìn)行攤鋪時，如果不控制好攤鋪溫度，瀝青可能會在集料表面形成局部過厚或過薄的膜，降低粘附性。攤鋪速度過快，會使瀝青混合料在攤鋪過程中受到較大的剪切力，導(dǎo)致瀝青與集料之間的粘結(jié)受到干擾，影響粘附性。而且，過快的攤鋪速度還可能導(dǎo)致攤鋪不均勻，出現(xiàn)局部離析現(xiàn)象，進(jìn)一步降低路面的質(zhì)量。碾壓是施工工藝中的重要環(huán)節(jié)，碾壓溫度、遍數(shù)和方式直接關(guān)系到瀝青混合料的壓實度和瀝青與集料的結(jié)合效果。碾壓溫度過高，瀝青的流動性大，在碾壓過程中容易被擠出，導(dǎo)致瀝青膜厚度不均勻，甚至出現(xiàn)瀝青膜被破壞的情況，從而降低粘附性。例如，當(dāng)碾壓溫度超過140℃時，瀝青容易被過度擠出，使部分集料表面瀝青膜變薄，降低了粘附力。碾壓溫度過低，瀝青混合料的粘度增大，難以壓實，導(dǎo)致壓實度不足。壓實度不足會使瀝青混合料內(nèi)部存在較多的空隙，水分容易侵入，加速瀝青與集料的剝離，降低粘附性。一般來說，初壓溫度應(yīng)控制在130-140℃，復(fù)壓溫度在110-130℃，終壓溫度不低于80℃。碾壓遍數(shù)不足，無法使瀝青混合料達(dá)到規(guī)定的壓實度，同樣會影響粘附性。而碾壓遍數(shù)過多，會使瀝青混合料過度壓實，導(dǎo)致集料破碎，破壞瀝青與集料的粘結(jié)結(jié)構(gòu)，降低粘附性。合理的碾壓方式也很重要，應(yīng)采用先輕后重、先慢后快、由低到高的原則進(jìn)行碾壓，以確保瀝青混合料均勻壓實，增強(qiáng)瀝青與集料的結(jié)合力。為了優(yōu)化施工工藝，提高瀝青與集料的粘附性，在施工前，應(yīng)對原材料進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗和篩選，確保瀝青和集料的質(zhì)量符合要求。在拌和過程中，應(yīng)根據(jù)瀝青和集料的特性，合理確定拌和時間和溫度，采用先進(jìn)的拌和設(shè)備，保證瀝青與集料充分均勻混合。在攤鋪過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制攤鋪溫度和速度，采用自動找平裝置，確保攤鋪平整度和均勻性。在碾壓過程中，應(yīng)根據(jù)瀝青混合料的類型和施工環(huán)境，合理確定碾壓溫度、遍數(shù)和方式，采用先進(jìn)的碾壓設(shè)備，確保壓實度達(dá)到設(shè)計要求。同時，還應(yīng)加強(qiáng)施工現(xiàn)場的管理和質(zhì)量控制，嚴(yán)格按照施工規(guī)范進(jìn)行操作，及時處理施工過程中出現(xiàn)的問題，以保證瀝青與集料的粘附性，提高瀝青路面的質(zhì)量和使用壽命。六、提升瀝青與集料粘附性的方法6.1材料選擇與優(yōu)化6.1.1瀝青改性在提升瀝青與集料粘附性的諸多方法中，瀝青改性是一種應(yīng)用廣泛且效果顯著的策略。常見的瀝青改性方法包括添加SBS、橡膠粉、抗剝落劑等，這些改性劑通過不同的作用機(jī)制改變?yōu)r青的化學(xué)結(jié)構(gòu)和表面能，從而提高瀝青與集料的粘附性。SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）是一種熱塑性彈性體，在瀝青改性中應(yīng)用極為普遍。SBS改性瀝青的制備過程通常是將SBS加入到加熱熔融的瀝青中，通過高速剪切、攪拌等工藝，使SBS均勻地分散在瀝青中。從微觀角度來看，SBS分子中的苯乙烯鏈段與瀝青中的芳香分、膠質(zhì)具有較好的相容性，而丁二烯鏈段則賦予瀝青良好的彈性和柔韌性。SBS改性瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，形成了一種類似于網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了瀝青的內(nèi)聚力和彈性恢復(fù)能力。從表面能的角度分析，SBS的加入改變了瀝青的表面能特性。研究表明，SBS改性瀝青的表面能相比基質(zhì)瀝青有所提高，這使得瀝青與集料之間的粘附功增大，粘附性增強(qiáng)。例如，在一項針對70號道路石油瀝青和SBS改性瀝青與石灰?guī)r集料粘附性的對比實驗中，采用接觸角法測量了兩種瀝青與石灰?guī)r集料的表面能參數(shù)，并計算了粘附功。實驗結(jié)果顯示，70號道路石油瀝青與石灰?guī)r集料的粘附功為60-65mJ/m2，而SBS改性瀝青與石灰?guī)r集料的粘附功提高到了70-75mJ/m2。在實際道路工程中，SBS改性瀝青路面在抵抗車輛荷載和環(huán)境因素作用方面表現(xiàn)出色，車轍、裂縫等病害的發(fā)生率明顯降低，路面的使用壽命得到有效延長。橡膠粉也是一種常用的瀝青改性劑，它通常由廢舊輪胎粉碎而成。將橡膠粉加入瀝青中，經(jīng)過充分的攪拌和反應(yīng)，橡膠粉會發(fā)生溶脹、脫硫等反應(yīng)，與瀝青形成一種互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅改善了瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，還對粘附性產(chǎn)生了積極影響。橡膠粉的加入增加了瀝青的粘度和彈性，使瀝青在集料表面的粘附更加牢固。同時，橡膠粉中的活性基團(tuán)能夠與瀝青和集料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵或較強(qiáng)的物理吸附，進(jìn)一步增強(qiáng)粘附性。抗剝落劑是專門用于提高瀝青與集料粘附性的添加劑，其作用機(jī)制主要是通過降低瀝青的表面張力，增加瀝青與集料之間的潤濕角和粘附功?？箘兟鋭┓肿又械幕钚曰鶊F(tuán)能夠與瀝青和集料表面的分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵或強(qiáng)的物理吸附。以三聚氰胺型抗剝落劑為例，它能夠與瀝青中的聚合物分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)瀝青與礦料之間的黏結(jié)力?？箘兟鋭┻€能夠改善礦料和瀝青的接觸角，減少瀝青的滑脫現(xiàn)象，提高路面層間的黏結(jié)力。在一些酸性集料與瀝青的組合中，添加抗剝落劑后，瀝青與集料的粘附性得到顯著提高，有效減少了路面水損害的發(fā)生。6.1.2集料處理對集料進(jìn)行表面處理是提升瀝青與集料粘附性的另一種重要方法，常見的處理方式包括酸處理、堿處理、硅烷偶聯(lián)劑處理等，這些處理方法通過改變集料的表面特性，增強(qiáng)了與瀝青的粘附力。酸處理是利用酸溶液與集料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，去除表面的雜質(zhì)和氧化物，同時在集料表面引入一些活性基團(tuán)，從而提高集料與瀝青的粘附性。例如，對于一些金屬氧化物含量較高的集料，如花崗巖，采用稀鹽酸溶液進(jìn)行處理。鹽酸與花崗巖表面的金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成可溶性鹽類，被水洗去除，從而使集料表面更加潔凈。同時，酸處理還會在集料表面引入一些羥基等活性基團(tuán)，這些基團(tuán)能夠與瀝青中的極性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵或較強(qiáng)的物理吸附，增強(qiáng)粘附力。研究表明，經(jīng)過酸處理的花崗巖集料與瀝青的粘附強(qiáng)度相比未處理的集料提高了20%-30%。堿處理則是利用堿溶液對集料表面進(jìn)行改性，對于一些酸性較強(qiáng)的集料，如石英砂，堿處理能夠中和集料表面的酸性，改變表面的電荷分布，提高與瀝青的相容性。以氫氧化鈉溶液處理石英砂為例，氫氧化鈉與石英砂表面的酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成硅酸鈉等物質(zhì)，這些物質(zhì)能夠在集料表面形成一層堿性薄膜，改善集料與瀝青的粘附性能。堿處理還能夠使集料表面變得粗糙，增加與瀝青的接觸面積，進(jìn)一步增強(qiáng)粘附力。實驗結(jié)果顯示，經(jīng)過堿處理的石英砂與瀝青的粘附性明顯增強(qiáng)，在水損害試驗中，瀝青從集料表面的剝落程度顯著降低。硅烷偶聯(lián)劑處理是一種較為先進(jìn)的集料表面處理方法，硅烷偶聯(lián)劑分子中含有兩種不同性質(zhì)的基團(tuán)，一端是能夠與無機(jī)材料（如集料）表面的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵的基團(tuán)，另一端是能夠與有機(jī)材料（如瀝青）發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)。當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑用于處理集料時，其分子中的一端與集料表面的羥基反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵，將硅烷偶聯(lián)劑固定在集料表面。而另一端的有機(jī)基團(tuán)則與瀝青具有良好的相容性，能夠與瀝青分子相互作用，形成較強(qiáng)的粘附力。通過硅烷偶聯(lián)劑處理，集料表面形成了一層有機(jī)-無機(jī)過渡層，改善了集料與瀝青之間的界面性能，提高了粘附性。在實際應(yīng)用中，經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑處理的集料與瀝青組成的混合料，其水穩(wěn)定性和力學(xué)性能都有明顯提升。6.2添加劑的應(yīng)用6.2.1抗剝落劑抗剝落劑是一種專門用于提高瀝青與集料粘附性的添加劑，其種類豐富多樣，常見的包括胺類、酰胺類、有機(jī)硅類等，不同種類的抗剝落劑具有獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制。胺類抗剝落劑分子中含有氨基（-NH?）等活性基團(tuán)，這些基團(tuán)能夠與瀝青和集料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在與瀝青作用時，氨基可以與瀝青中的酸性基團(tuán)發(fā)生中和反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，增強(qiáng)瀝青分子間的相互作用。與集料表面接觸時，氨基能夠與集料表面的金屬離子或其他活性位點發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。以石灰?guī)r集料為例，胺類抗剝落劑中的氨基可以與石灰?guī)r表面的鈣離子（Ca2?）發(fā)生絡(luò)合，在集料表面形成一層化學(xué)鍵合的保護(hù)膜，從而顯著提高瀝青與集料的粘附性。酰胺類抗剝落劑則是通過分子中的酰胺基（-CONH-）與瀝青和集料表面相互作用。酰胺基具有較強(qiáng)的極性，能夠與瀝青中的極性基團(tuán)形成氫鍵，增強(qiáng)瀝青與抗剝落劑分子之間的結(jié)合力。同時，酰胺基也能夠與集料表面的極性位點發(fā)生物理吸附或化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的結(jié)合。在實際應(yīng)用中，酰胺類抗剝落劑能夠在瀝青與集料之間形成一種類似于橋梁的結(jié)構(gòu)，將二者緊密地連接在一起，有效提高粘附性。有機(jī)硅類抗剝落劑的作用機(jī)制與前兩者有所不同，其分子中含有硅氧鍵（Si-O），具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和表面活性。有機(jī)硅類抗剝落劑能夠在瀝青與集料表面形成一層有機(jī)硅膜，這層膜具有較低的表面能，能夠改善瀝青與集料之間的潤濕性。有機(jī)硅分子中的硅原子還可以與集料表面的羥基（-OH）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，將有機(jī)硅膜牢固地固定在集料表面。這樣，在瀝青與集料之間就形成了一個有機(jī)硅過渡層，增強(qiáng)了二者之間的粘附力。在實際工程中，抗剝落劑在提高粘附性和路面性能方面展現(xiàn)出了顯著的應(yīng)用效果。某高速公路在建設(shè)過程中，由于當(dāng)?shù)丶蠟樗嵝曰◢弾r，與瀝青的粘附性較差，為解決這一問題，在瀝青中添加了0.3%的胺類抗剝落劑。經(jīng)過現(xiàn)場檢測和長期觀測，添加抗剝落劑后，瀝青與集料的粘附等級從原來的2級提高到了4