摘 要

沥青路面作为我国高速公路路面最主要的形式之一，其研究意义重大，而与其最常见的水损害现象对应的黏附性问题更是亟待解决。针对目前沥青路面黏附性评价指标的不足，本文基于表面能理论对沥青路面中的集料部分展开研究，以期获得更为准确合理的集料表面能参数。研究过程中，本文选取石灰岩和辉绿岩两种典型路用集料进行研究，采用蒸气吸附法测量其各阶压力下的吸附量，并基于扩散压力对比分析多种计算方法以拟合吸附等温线，进而获得准确合理的集料表面能大小。研究表明，基于微孔填充理论的DA方程能够简单准确的拟合吸附等温线，而Ono-Kondo方程不基于任何吸附机理假设而直接对吸附等温线进行拟合，推导严谨且结果准确，更适用于集料吸附等温线拟合，同时采用该方程计算得到的集料表面能结果能够量化其黏附性能，即表明石灰岩黏附性能优于辉绿岩。

关键词：集料；蒸气吸附法；吸附等温线；表面能

Abstract

Asphalt pavement is one of the most important forms of highway pavement in China. It has a great significance in many researches. Corresponding to the most common water damage phenomenon, the adhesion problem needs to be solved urgently. In order to obtain more accurate and reasonable aggregate surface energy parameters, this paper studies the aggregate part of asphalt pavement based on the surface energy theory. In this study, two typical road aggregates, limestone and diabase, were selected for research. The adsorption capacity at various pressures was measured by vapor adsorption method. Based on diffusion pressure, a variety of calculation methods were compared and analyzed to fit the adsorption isotherm. Studies have shown that DA equation based on the theory of the pore filling can be simple and accurate fitting adsorption isotherm, adsorption mechanism and Ono - Kondo equation is not based on any assumptions and direct to fitting of adsorption isotherm, rigorous and accurate, the result is more suitable for adsorption isotherm aggregate fitting, At the same time, the results of aggregate surface energy calculated by this equation can quantify its adhesion property, which indicates that the adhesion property of limestone is better than that of diabase.

Key words: aggregate; vapor adsorption method; adsorption isotherm; surface energy

目 录

第 1 章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 表面能理论 3

1.2.2 GvOC理论体系 5

1.2.3 现有集料表面能测试方法 6

1.2.4 表面能在沥青混合料中的应用 9

1.3 研究内容 10

第 2 章 蒸气吸附试验 11

2.1 试验原理 11

2.2 试验步骤 12

2.2.1 准备工作 12

2.2.2 试验步骤 14

2.3 试验原始数据 16

2.4 本章小结 18

第 3 章 气固吸附等温线预测方程 19

3.1 吸附 19

3.2 吸附等温线 19

3.3 基本吸附理论 21

3.3.1 单分子层吸附理论 21

3.3.2 多分子层吸附理论 22

3.3.3 毛细孔凝聚理论 23

3.3.4 Polanyi吸附势理论 24

3.3.5 微孔填充理论 25

3.4 吸附等温方程 26

3.4.1 Henry吸附等温方程 26

3.4.2 Freundlich吸附等温方程 26

3.4.3 Langmuir吸附等温方程 27

3.4.4 BET吸附等温方程 28

3.4.5 DR方程 30

3.4.6 DA方程 31

3.4.7 Ono-Kondo方程 31

3.5 本章小结 34

第 4 章 基于扩散压力的集料表面能计算分析 35

4.1 基于BET方程的集料比表面积计算 35

4.1.1 T-BET方程 35

4.1.2 M-BET方程 36

4.2 基于各吸附等温线的集料表面扩散压力计算 41

4.3 集料表面能计算结果分析 48

4.4 本章小结 50

第 5 章 研究结论与展望 51

5.1 研究结论 51

5.2 研究展望 51

参考文献 52

致谢 55

绪论

研究背景及意义

近年来，我国公路建设规模增长迅速，为我国经济快速发展提供了良好的助力。根据我国交通运输部统计，至2017年末，我国公路总里程为477.35万公里，其中高速公路里程13.65万公里，里程规模位列世界第一^[1]。在高速公路快速建设的过程中，沥青路面以其独有的优势成为其中最为重要的一种路面结构形式。有关研究表明，引起沥青路面水损害的主要原因有以下两种，其一是沥青自身内聚力不足；其二是沥青与集料在水的作用下降低了二者间的黏附性能^[2]。因此，在实际工程建设中，为深入研究沥青路面的水损害机理，提高沥青路面的建设与服务水平，需要准确评价其黏附性能。

现如今，在沥青路面建设过程中，我国规范推荐采用水煮法或水浸法来综合评价沥青与集料的黏附性能^[3]，即通过观察沥青在水中的剥落面积来对其抗剥落能力进行定性分级，共分为5级，其中5级最好，1级最差，具体评定等级如表1.1所示。其中水煮法主要用于粒径尺寸大于13.2mm的集料，而水浸法则主要用于粒径小于13.2mm的集料。实际上，这类方法虽然可以直接观察沥青从集料表面的剥落情况并给予黏附性等级判定，但却具有较强的人为主观性，即同一材料下的试验结果可能因人而异且差别可能较大。因此，为弥补这一缺点，我国规范也已明确规定，该试验需要由两名以上经验丰富的实验人员经目测后取平均值。但这仍然是一种简单的定性评价，未能结合材料本身的特点进行定量的描述，因此说服力不足。

表1.1 沥青与集料的黏附性等级

鉴于水煮法这类定性评价方法的局限性，为准确评价沥青与集料的黏附性能，基于表面能理论的相关研究得到了广泛的认可。实际上，表面能理论可以从物理、化学以及热力学角度来表征材料本身的内聚能以及材料之间的结合能，并由此可直接运用到沥青混合料中来定量计算沥青与集料各自的表面能大小，进而在表面能理论体系下计算沥青或者集料本身的内聚能以及这二者之间的结合能，并以此为依据来定量表征其黏附性能。

目前来说，国内外大部分学者在沥青表面能方面的研究较多，且已经取得了一定的成果，但是在集料表面能的研究上相对较少。然而实际上，对沥青混凝土路面来说，相对其中质量占比较少的沥青以及其他微量添加材料来说，作为其中质量占比超过95%的集料，其研究意义也十分重要。根据目前我国大量的道路工程实践经验，集料的选取多采用“优碱弱酸”的原则，即优先选取玄武岩、石灰岩等碱性集料，而尽量避免选用花岗岩等酸性集料，如图1.1和图1.2所示。究其原因，是由于碱性集料往往能和沥青形成较好的黏附作用，而酸性集料却无法与沥青形成良好的黏附作用，从而更加容易产生水损害等各种道路病害。实际上，“优碱弱酸”这种挑选准则仅仅只能从经验角度定性评价集料的黏附性好坏，而无法从基本原理上给予根本性的解释。而且随着这种挑选原则在道路工程实践中的逐步实施，许多优质碱性集料过度开采而导致路用石料供应不足，而远运优质碱性集料也增加了工程造价和项目工期，同时大量的酸性集料被弃置而无法得到充分的利用，这显然不符合我国工程设计的三大原则，即科学性、经济性和合理性。因此，为践行“因地制宜、就地取材”的建设理念，节约石料资源，减少工程造价，提高工程建设质量，合理开展工程建设项目。本文将针对集料表面能开展研究，以期获得准确且合理的集料表面能参数，定量表征沥青与集料之间的黏附性，并在一定程度上揭示沥青与集料的黏附机理，从而提高沥青路面的建设与服务水平。

图1.1 玄武岩 图1.2 花岗岩

现如今，在测量集料表面能过程中，比较常用的有反向气相色谱法、蒸气吸附法、毛细上升法（又称柱状灯芯法）和微热量计法等方法^[4]。而本文则正是通过研究分析这些测试方法，最终选择蒸气吸附法来测量集料的表面能大小。即蒸气吸附法测试过程中自动化程度较高而无需过多的人为操作，且试验环境密封而基本不受外界环境干扰，同时该试验充分考虑了集料本身的表面形状、棱角性以及表观纹理等表观特性，保留了集料本身的天然形态，因而其测试结果更加合理且能够准确反应集料的真实表观特性。因此本文将在表面能理论的基础上，通过蒸气吸附法试验，对比分析多种基于扩散压力求解集料表面能的方法，以期得到更为准确且合理的集料表面能参数。进而可以借此结合沥青的表面能参数，运用表面能理论相关公式，计算沥青、集料两相材料的黏附功以及沥青、集料和水三相材料的剥落功。从而实现采用具体的数值来定量表征沥青与集料的黏附性，为后续开展沥青与集料表面能方面的相关研究提供了一定的理论依据。同时这也将简化了复杂的工程项目检验流程，并在一定程度上实现了道路工程项目建设的科学性、经济性和合理性，因此具有十分重要的意义。

国内外研究现状

表面能理论

在分析沥青与集料黏附性机理的过程中，力学理论、化学反应理论、分子定向理论以及静电理论这四种理论均为诸多研究人员所熟知，同时也能够在一定程度上解释沥青与集料的黏附机理^[5]。然而这些理论只能片面从其中一个角度进行归纳，而无法对沥青混合料整个系统进行全面的总结分析，在理论上具有一定的局限性。因此相较于这些基本理论，表面能理论作为一种涉及热力学、物理学和化学等学科的综合理论，其基础性更强且应用也更为广泛。

图1.3 内部及表面分子在不均匀力场下的受力图

在沥青混合料体系中，表面能理论则认为集料表面存在不饱和力场，其表面分子受到内外不同物质分子的引力，能够吸附周围物质以降低自身自由能从而使自身保持稳定，于是这种由于内外不平衡能量的影响而需要额外功来使其保持稳定的现象表现为沥青混合料之间的吸附现象，所需要的能量差值或者额外功则称为表面能^[6]。如上图1.3所示。

实际上，表面能是指在真空条件下，材料本身增加单位表面积所需要的能量或者外部环境所需要做的额外功，其表面能参数常用字母表示，单位为或者^[7]-[8][9]。1964年，Fowkes首先提出采用分量的形式来表示材料的表面能，并提出材料的表面能由非极性分量和极性分量两部分组成，即表现为两分量形式。其中非极性分量体现为分子之间的色散力，极性分量体现在氢键、诱导力以及取向力这三部分^[7]。其表达式为：

（1.1）

式中：表示材料的表面能非极性分量；表示材料的表面能极性分量。

1986年，van Oss 将极性分量归结于路易斯酸碱作用力，即采用路易斯酸分量和路易斯碱分量来描述极性分量，即将材料的表面能表现为三分量形式，其中酸分量由电子受体提供，碱分量由电子供体提供，非极性分量则还是体现为分子之间的色散力^[10]。同时这也是后续研究人员常用的GvOC表面能理论体系的基础，其表达式为：

（1.2）

式中：表示材料的表面能非极性分量；表示材料的表面能极性酸碱分量；表示材料的表面能极性酸分量；表示材料的表面能极性碱分量。

与此同时，为更好的运用表面能理论，研究人员利用界面张力来表征材料间的相互作用。在此基础上，主要有以下三种表现形式：

（1）单参数几何法。即Good等人提出直接采用表面能总量来表示两相材料间的界面张力，同时考虑材料中相互作用力的不均匀性，采用容差系数进行修正^[11]。其表达式为：

（1.3）

式中：表示两相材料间的界面张力；分别表示固体材料S和液体材料L的表面能参数。

（2）两参数几何法。即Owens等人提出采用几何方程法来表示两相材料的界面张力，并认为两相材料之间的极性作用力以取向力为主^[12]。其表达式为：

（1.4）

（3）两参数协调法。即Wu等人提出采用协调方程来表示两相材料的界面张力^[13]。其表达式为：

（1.5）

（4）三参数几何法。即van Oss等人提出将表面能极性分量转变为路易斯酸碱分量^[10]。其表达式为：

（1.6）

总的来说，这些方法均是针对表面能的组成形式展开研究，从微观角度寻求引起这种能量变化的作用力，并通过各种数学手段来表征其构成，其最终目的即是准确揭示表面能的形成机理并采用合理的数学形式来量化其数值大小。同时在此基础上，根据Dupre提出的将材料表面能与结合建立数学关系的模型，并推导出单相、两相以及多相材料间的结合能^[14]。其相应表达式为：

单相材料内聚能

（1.7）

两相材料结合能

（1.8）

三相材料结合能

（1.9）

式中：S、W、L分别表示三种基本材料，表示材料的能量变化量。

GvOC理论体系

GvOC理论体系是在Good、Van、Oss、Chaudhury四位研究人员的工作中总结出来的表面能基本体系。其核心是指采用三参数分量来表征材料表面能，即将极性分量分离为酸碱分量，同时根据表面能和结合能之间的数学关系推导出单相材料的内聚能以及多相材料的结合能公式。可分别采用下式表示：

（1）单相材料内聚能（以材料S为例）。即由自身对应的非极性分量和极性分量的能量变化构成。可表示为：

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：