温度和湿度对道路材料动态表面能参数的影响研究

The Surface Free Energy Method is currently the most advanced method of quantifying the bonding strength between the paving asphalt binder and aggregates. However, the surface energy tests on pavement materials have always been conducted under the room temperature and room relative humidity without considering the effects of the variation of the temperature and relative humidity on the surface energy components. Furthermore, when analyzing the test data, the wetting contact angle of the material is not appropriately differentiated from the dewetting contact angle, and the dynamic mechanical properties of the pavement materials are studied from the static point of view. . In this research project, representative levels of temperature and relative humidity will be firstly selected based on the climatic data in China. Then samples of asphalt binders, modifiers and aggregates will be conditioned at the selected levels of temperature and relative humidity. The Wilhelmy Plate Method, Sessile Drop Method and Universal Sorption Device will be used to measure the surface energy components of the materials conditioned at the selected levels of temperature and relative humidity. The test data will be used to develop mathematic models among the temperature, relative humidity and the surface energy of pavement materials. The test data will also be used to verify the calculation results from the surface energy theory and then to further modify the theoretic model. The modified surface energy model will be employed to evaluate the bonding strength between different asphalt binders with a local aggregate in the typical range of the local temperature and relative humidity. In addition, this study will quantify the effects of the dynamic surface energy components of the pavement materials on the growth and healing of the microcracks in the asphalt mixture. Fracture and healing models of asphalt mixtures will be developed based on the dynamic surface energy components and mechanical properties of the asphalt mixture measured at different levels of temperature and relative humidity.

目前国际上最先进的量化路用沥青与集料粘附性能的方法是表面自由能法，但国内外关于表面能的试验均在常温、常湿下进行，尚未考虑温度和湿度对材料表面能的影响，并且在试验结果分析上存在混淆润湿接触角与反润湿接触角、从静态角度分析材料动态性质等问题。.本项目将根据我国各地气候情况，选择有代表性的温度和湿度范围对典型路用沥青、改性剂及集料进行养生，分别用威廉米平板法、静滴法和万能吸附仪法测试其在不同温度、湿度下的动态表面能，建立温度、湿度与道路材料动态表面能的数学模型，并对比试验数据与理论计算结果，进而修正现有表面能理论的计算参数，完善表面能理论模型，并运用该模型进一步分析不同沥青与石料在当地温度、湿度范围内的匹配性。同时，将量化道路材料动态表面能参数在各温度、湿度下对沥青混合料内部微裂纹增长及愈合的影响和作用，结合混合料在该温度、湿度下的力学试验数据，建立基于动态表面能参数的沥青混合料开裂及愈合模型。

沥青与集料的粘附性是沥青混合料设计中的一个重要因素，其性能好坏将直接影响沥青混合料的路用性能。当前国际上最先进的量化沥青与集料粘附性能的试验方法是表面自由能法，但目前关于表面能的试验均在常温、常湿下进行，尚未考虑温度、湿度对道路材料表面能及沥青-集料粘附能的影响。. 本项目选取基质70#和SBS(I-D)改性沥青作为沥青研究对象，采用威廉米平板法（插板法）测试不同温度下样品与测试试剂的接触角，结合铂金板法测试各温度下试剂的表面能参数，计算不同温度下沥青的表面能参数，发现沥青前进过程的表面能总量随温度线性递减，后退过程的表面能总量随温度线性递增；选取石灰岩作为集料研究对象，采用蒸气吸附法测试不同温度下集料的表面能参数，发现其表面能总量随温度线性递减，进一步计算得到各温度下沥青与集料有无水条件下的粘附结合能、沥青对集料的润湿性系数以及二者的匹配性指标；采用插板法测试不同相对湿度养生后沥青玻片的表面能参数，发现沥青的前进过程表面能总量随相对湿度线性递增，后退过程随相对湿度线性递减；进一步推导得到表征沥青-集料不同相对湿度下的粘附能公式，发现对于沥青-集料系统，存在一个临界相对湿度值，当高于这一值时沥青与集料无法自发粘附，同时发现沥青混合料的开裂程度随相对湿度增大而逐渐加剧；运用MTS材料试验机通过沥青混合料力学试验研究其动态模量主曲线与表面能之间的关系；选取砾石作为典型酸性石料样品，采用表面能匹配性指标为其确定抗剥落剂最佳掺量，并结合常规路用性能试验验证二者评价指标的一致性；选取彩色树脂类沥青为新型沥青材料样品，采用表面能润湿性指标评估其自身内聚性能以及与集料的匹配性能，并通过常规水稳定性试验验证这一评价指标的可靠性；同时通过动态表面能参数评价煤直接液化残渣（DCLR）改性沥青的愈合及抗开裂等微观性能。. 项目建立的温度、相对湿度与沥青、集料表面能参数以及沥青-集料组合粘附结合能的关系，将可直接量化沥青混合料在不同服役环境下的粘附性能，这一试验方法有效突破规范水煮法经验性定性评价的缺陷，为沥青与集料的匹配性分析提供可靠的定量分析手段；同时其可有效指导路面工程就地取材的工程实践，通过定向选取沥青材料与当地石料匹配，实现充分利用当地石料资源以降低工程造价；同时当集料与普通沥青粘附性能不佳时，可定向开发合适的外掺剂以显著提升沥青及混合料路用性能。