基于表面能理论的沥青 - 集料界面结构相互作用性能研究

《International Journal of Adhesion and Adhesives》：Study on interaction performance of asphalt-mineral interface structure based on surface energy theory

　　

• •
  沥青润湿集料过程本质上可视为一种能量交换
• •
  沥青的表面自由能主要由色散分量组成。
• •
  矿物表面自由能的极性分量占比较高。
• •
  沥青 - 白云母界面结构在剥离过程中具有较强的被置换能力。

引言

集料是沥青混合料的主要组成材料之一，其与沥青之间的界面相互作用直接影响沥青路面的整体性能 [1]。同时，集料可视为由石英、长石、云母等各种矿物成分组成 [2], [3]。由此可见，沥青与集料之间的界面相互作用本质上是沥青与矿物之间的相互作用。相关研究表明，不同矿物类型和含量的集料与沥青的粘附/剥离行为可直接影响沥青混合料性能 [4], [5]。因此，探索沥青 - 矿物界面结构的粘附/剥离性能以增强其可持续使用寿命已成为重要的研究方向之一。

显然，集料的理化性质可视为与矿物组成密切相关，更好的矿物组成可使沥青 - 集料界面结构更稳定耐用，这引起了众多学者的关注。例如，Hamedi 发现矿物性质可视为影响沥青 - 集料界面结构水敏感性的显著因素之一，且集料中的非极性成分对水的粘附性和润湿性相对较弱 [6]。学者 Chu 发现石英与沥青之间的结合效应主要由范德华力主导，但弱于方解石与沥青之间的结合，且矿物表面的各向异性可视为需要考虑的重要因素 [7]。同时，He 探讨了矿物组成、化学成分和粒径对沥青 - 填料界面相互作用的影响，发现在相同温度下，长石与沥青的相互作用能力最强，其次是方解石，而石英最弱 [8]。不可否认的是，在集料的理化性质及其与沥青的界面关系方面已取得惊人的成就。然而，集料表面矿物与沥青相互作用微观细节仍需进一步揭示。

随着微观测试技术的蓬勃发展，包括原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）在内的微观表征进一步揭示了沥青 - 矿物界面结构的相互作用特征。Chen 利用 SEM 和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了沥青、砂浆和集料之间的界面结合关系，结果显示沥青 - 钢渣集料的界面结合优于沥青 - 玄武岩 [9]。工程师 Yao 提出了一种结合 AFM 计算沥青 - 集料界面结构结合强度的方法，结果显示改性乳化沥青（EA）具有最强的结合性能，且 EA 与新集料之间界面结合的失效是主要的开裂形式 [10]。Xu 利用 SEM 发现，经过循环冻融循环后，沥青 - 集料接触界面出现微裂纹，表明沥青 - 集料界面的粘结力已丧失，且冻融循环次数增加会导致沥青 - 集料界面剪切强度降低 [11]。

此外，表面能理论的应用可以从理论上解释集料与沥青界面之间的结构相互作用，并为界面失效提供理论依据。例如，Luo 应用表面能理论量化了石灰岩和闪长岩等集料与沥青之间的粘附，以评估沥青混合料的水敏感性 [12]。研究者 He 利用表面自由能理论评估了泡沫胶粉沥青（CRA）的结合特性，发现泡沫 CRA 粘结剂的表面自由能主要由色散分量组成，极性分量相对较小 [13]。同时，Huang 发现表面自由能（SFE）可量化集料与沥青之间的结合强度，且集料表面粗糙度越高，接触角越大，SFE 也相应增加 [14]。Bionghi 分析了由 SFE 表征的沥青结合强度和结合能参数，表明干湿条件下的失效形式与结合能之间存在良好相关性，且结合形式和结合失效高度依赖于 SFE 性质 [15]。

总之，在沥青 - 集料界面结构相互作用性能研究方面取得了丰富且重要的成果，包括集料的理化性质、界面结构微观细节以及失效破坏理论，这极大地推动了该领域的研究进展。遗憾的是，以往学者往往将研究重点放在沥青 - 集料界面结构上，未充分探索该界面结构的本质，未给予沥青 - 矿物界面结构应有的重视。因此，本研究以常见集料的主要矿物为研究对象，从表面能理论视角进一步揭示沥青 - 矿物界面结构的粘附/剥离行为，并进一步分析其对沥青混合料可持续服务性能的影响机制。

章节摘要

沥青与矿物

研究中使用的沥青材料主要包括 90# 原生沥青和 4% SBS（苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青。其中，原生沥青来自中国辽宁省，而 SBS 改性沥青可在实验室中以该原生沥青为基料制备 [16], [17]。具体而言，将原生沥青加热至 160°C-180°C，加入 4% SBS 改性剂，并进行超过 30 分钟的高速剪切搅拌进行制备

表面自由能

表面能是指材料中表面原子相对于内部原子能量变化部分的能量值 [24]。根据 Fowkes 和 Good 的研究，表面能（在恒温恒压下称为表面自由能）可表示为色散分量和极性分量之和 [25]。

对于液 - 固界面结构，固体表面的相对异质性高于液体表面，

粘附/剥离行为

在正常条件下（无水），液体沥青在集料表面的渗透行为降低了整个系统的自由能，形成沥青 - 矿物界面结构和空隙（空气） - 沥青表面结构。面对复杂外部环境（水、低温、高温等）时，界面结构可为沥青混合料提供力学性能保证。

随着界面结构耐久性的降低，界面结构

结论

基于表面能理论，研究了沥青 - 矿物界面结构的粘附与剥离关系。主要结论如下：

• (1)
  沥青润湿集料过程本质上可视为一种能量交换，即沥青表面结构和矿物表面结构转变为沥青 - 矿物界面结构。
• (2)
  沥青的表面自由能主要由色散分量（88.21%）组成，且 SBS 改性沥青

CRediT 作者贡献声明

Jinyue Lv: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，形式分析，数据整理，概念化。Yikai Zhang: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，形式分析，数据整理，概念化。Tengjiang Yu: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，监督，形式分析，数据整理，概念化。Enqing Sun: 形式分析，数据整理，概念化。Hao Liu: 形式分析，数据整理，

伦理标准合规性

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性

研究中生成或使用的所有数据、模型和代码均出现在提交的文章中。

资助

作者们感谢由 山东省自然科学基金 资助的项目“基于组分关键遗传特性的再生沥青靶向调控机制研究”（编号：ZR2024QE085），大学生创新创业训练计划项目（编号：202510451012），以及烟台市科技创新项目（编号：2022XDRH008）。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

作者们向山东省河口海岸与核环境重点实验室、山东省建筑废弃物资源化利用工程研究中心表示感激。此外，作者们向所有被引用参考文献的贡献者表示赞赏。

Jinyue Lv|Yikai Zhang|Tengjiang Yu|Enqing Sun|Hao Liu|Luzhi Tan