采用表面能方法研究Z型砂对热拌沥青混合料中水损害的影响外文翻译资料

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采用表面能方法研究Z型砂对热拌沥青混合料中水损害的影响

A.Khodaii¹; V. Khalifeh²; M. H. Dehnad³; and Gh. H. Hamedi⁴

摘要：目前已有几种方法可以提高沥青混合料的粘附能和水稳定性，其中有一种方法是在集料的表面附上一层合适的材料来改变集料表面主要的电子价并且减小集料的表面能。在本研究中，已经分析了使用Z型砂作为抗剥落剂在沥青混合料的水稳定性上的影响，分析的过程主要是通过表面自由能方法和试验动态模量的测试。集料表面和水接触的比例（指标P）通过表面能和动态模量结果来计算，而且作为沥青混合料的水稳定性指标进行了分析，表面能结果显示出Z型砂降低了干燥和湿润条件下集料和沥青之间的粘附能，两者之间的差别等于剥落过程发生时释放的能量。涂抹Z型砂集料表面上减少了这种差别，也就使得沥青混合料抵抗水损害的能力增强了。

关键词：热拌沥青混合料；水损害；表面自由能；抗剥落

引言

沥青胶结料其中一个主要的功能是通过集料或者集料与它下面的路表面之间的粘附性能展示出来的。然而，这种功能被水的出现给中和。这种不成熟的沥青路面损坏是由沥青混合料中的水损害造成的，比如剥落、缠结和水冲刷。车辙、鳄纹裂缝、壶穴是灾害的其他原因，它们能够被沥青混合料中水的存在给加重。使用抗剥落剂被认为是最有效的抗路面水损害的方法。一种合适的方法是在集料表面上覆盖一层合适的试剂来逆转表面主要的电子价并且降低集料的表面能。和普通的抗剥落剂相比，当它由亲水硅酸群向憎水硅氧烷群转换时，这种方法在集料表面产生了憎水层。

这种用来辨别沥青混合料水损害程度以及抗剥落剂的影响分析的测试可以归为两大类：测试松动或者压密混合料，比如水煮法测试和AASHTO T283。这些测试通过考虑材料累计效应或者混合料设计参数或者环境条件拥有了量化沥青混合料的水稳定的优势。然而，尽管有它们的优势和受欢迎程度，这些方法有很多的弊病，比如说路面表现、延长的测试时间、材料特性测试与造成水诱导破坏机理之间联系的缺乏，以及阐述沥青混合料好坏表现的匮乏。由于这些不利条件，包括德州在内的许多交通部门已经决定去探索更多的基础性方法来预测水稳定性，其中一个就是表面能测试方法。这种方法是基于有利于选择抗水损害能力强的基础材料特性来选择材料的。由于沥青混合料的内聚能强度和粘附能强度，这种基础的表面性质使得这种方法出众。因此，表面能可以作为量化工具来选择材料。这种方法也在选择材料组合方面非常高效，使得沥青混合料抵抗水损害的能力变强。

改善了集料表面的抗剥落剂可以被用来阻止里沥青混合料中的水损害。Z型砂在集料上产生了与传统大大不同的憎水钠层，这种产品将亲水硅酸群转换为亲水硅氧烷群。

使用热力学的观点来看集料表面的性能可知，这个研究分析了Z型砂在沥青混合料抗水损害影响方面的机理。动态模量测试实施是通过使用重复无限制压力在控制应力模式下的样品上来确认结果。作为表面参数，每个循环周期中集料表面有水的比例可以通过考虑用水损害能力来阐述分析沥青和集料的兼容性。

目的

这个研究的目的是：在有水或无水存在条件下，计算有无抗剥落剂时沥青和集料间的粘附能；理解Z型砂在沥青混合料减小水损害的影响机理之后；分析干湿条件下有无Z型砂对循环测试中的沥青混合料的变化影响；对比动态模量测试和表面自由能方法在水稳定性方面的结果；选择对水损害抵抗力更强的集料、沥青和抗剥落剂。

表面自由能方法

研究者会用基本方法评估水损害是因为集中的试验测试方法的匮乏和传统方法和路面情况之间联系的匮乏。一些研究已经把注意力集中在测量不同沥青和集料之间的表面能上。根据热力学的理论，这种粘附能和内聚能的表面自由能的改变主要和两个原因有关：（1）沥青和集料界面的破坏；（2）沥青内部界面的破坏。因此，用表面能来评估沥青和集料并计算粘附功和剥落功是明智的。混合料的水稳定性、愈合、开裂可以通过获取沥青混合料的粘附特性和内聚特性来分析。使用Good和Van Oss的公式，Cheng试图找到沥青和集料在有水和无水条件下的表面自由能。这种沥青和集料的总表面能如公式(1)所示：

其中是沥青或者集料的表面能，是表面能中莱布尼兹-范德华组分，并且是表面能的酸碱组分。

酸碱组分有将路易斯酸性表面能参数和路易斯碱性组分解如下：

其中是表面能的路易斯酸性组分并且是表面能的路易斯碱性组分。

表面能内聚能的基础是真空条件下单位面积的同种物质的两个部分的合并，如(3)式所示。

沥青和集料系统之间的粘附能等价于真空条件下使沥青和集料界面产生裂缝的能量，如公式(4)所示：

其中是表面能的粘附能；是非极性或者莱布尼兹和范德华粘附能部分；是粘附能中的酸碱或者极性部分；，，是沥青的表面能组分；并且，，是集料的表面能。

由于水损害破坏了沥青混合料，了解水存在的情况下界面能量是必要的。公式(5)阐述了两种材料和第三种介质的表面能：

如果粘附能的值为负值则材料的两项倾向于结合在一起。越低的值意味着越高的结合强度。

表面能方法与动态模量试验结果的证明

沥青混合料作为一种特殊的复合材料，由至少两相材料组成：集料和沥青。当这些组分在受荷载作用时，它们展示出了不同的弹性、塑性或者粘弹性类型行为。集料和沥青作为拥有中介特性和粘弹性的复合材料。优化实际的不断被破坏的粘弹性复合材料力学行为的数学模型是一件困难的事情。然而，为了描述能够引起工程兴趣的实际变形和断裂行为，其中最重要的元素被保留着，一直以来大量的简化工作被认为引进来描述混合料自身的行为和破坏，Schapery以粘弹性材料理论的能力平衡为基础推荐了由第一材料科学原理得到的基础断裂理论。这个观点允许虚拟变量来代表粘弹性材料的破坏。使用这种应变观点，虚拟应变消除了粘弹性的时间独立，让它不和破坏联系以至于被消除掉，使得附加的材料破坏可以被测量到。这种理论提到了荷载-诱导能量，它是造成断裂破坏的原因，和存储在新形成的界面上的能量相等。这种系统散发出来的能量可以被认为是被研究的两种材料特性的共同结果：随着荷载时间变化的拉伸蠕变柔量和单位开裂面积的耗散虚拟能量是由一个拉力荷载向下一个拉力荷载产生的。因此，存储在开裂表面的能量可以通过测量物质表面能来识别，由公式(6)所示：

其中是单位开裂表面的粘附能或者内聚能（即造成破坏的最小能量）。公式右边的部分是虚拟应变能，即为用来克服非线性和粘弹性的影响的能量，最终消除了。是参考模量，是用来决定可以用来延展裂缝的虚拟应变能；是一段时间对应的粘弹性蠕变柔量，其中是用来是裂缝移动到一段距离的时间，这段距离为裂缝尖端前的过程空间（能量耗散的空间）长度；的积分，是单位裂缝区域在一个循环到下一个循环中释放的虚拟应变能速率。当释放的虚拟应变能超过了需要的最小破坏结合能量时裂缝伸展就会发生。

德州农机大学的Cheng成功地应用了Schapery非线性粘弹性破坏材料理论来阐述了再控制应力和应变循坏荷载条件下的沥青混合料的表现行为。使用Schapery的理论，Cheng强调说，由于重复力学荷载试验可以证明扩散理论，因此可以预测沥青混合料的破坏。所以，在重复的测试中，通过计算水置换的集料表面的百分比，混合料的水损害可以被理解。而且，干湿条件下压缩刚度比可以由沥青和集料间的粘附能之比估计，如公式(7)所示：

其中表示沥青-集料之间粘附能，表示沥青-集料-水之间的粘附能。

对于循环荷载控制的应力永久变形试验，可以得到公式(8)：

其中是在干燥试验条件下混合料诱导的应变，是湿润试验条件下混合料诱导的应变。

公式(8)中的所有变量都可以从动态模量试验和表面能方法中获取，仅有（循环条件下集料表面有水的比例）不可以得到。因此公式(8)可以用来计算指标。

表1 两种集料的化学组成成分

表2 集料的物理性质

材料

集料和沥青

包括石灰岩和花岗岩在内的两种材料在本研究中进行了分析，集料代表着与剥落程度有关的矿物学的大量范围。集料的化学组成成分在表1中已经列出。两种集料的物理性质由表2阐述。为了描述碱性的沥青特性，包括针入度试验、软化点试验、延度试验等传统试验都已经实施。沥青的工程特性列在表3当中。集料的级配作为密集配

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