近些年来，沥青路面早期水损害破坏越来越引起专家学者的重视。沥青路面的水损害是指在水压或冻融循环及动态荷载的作用下，进入混合料空隙中的水分将产生动水压力或反复负压抽吸作用，致使水分进入沥青与集料的黏附界面之间，使沥青对集料的黏结力逐渐丧失，破坏沥青与集料的黏附，导致沥青膜从集料表面剥离，表现出沥青混合料整体结构的松散、混合料的强度及黏弹性能降低，继而导致沥青路面整体使用性能的衰减^[1-2]。

水损害的出现严重影响了沥青路面的使用性能，缩短了沥青路面的服役周期，给高速公路的养护带来了巨大的经济损失。如何减少或避免沥青路面水损害的出现成为道路行业研究的热点，也是重点。我国地域广阔，各区域气候环境条件差异性大，因此对沥青混合料的抗水损害性能的要求也不一样。如何选择具有较好的黏附性的沥青和集料，以及如何来评价沥青混合料的抗水损害性能是目前公路行业亟待解决的问题。

沥青路面水损害的破坏形式主要有两种：沥青胶结料自身内部的黏聚破坏和沥青与集料界面的黏附破坏^[3]。关于沥青与集料黏附性机理的研究也在不断地深入，根据这些理论而设计的评价沥青与集料黏附性的方法也有很多，这些理论和方法各有优缺点。目前得到普遍认可的黏附性理论主要有机械黏附理论、化学反应理论、表面能理论、分子定向理论等等^[4-6]，当前应用表面自由能理论来评价沥青与集料的黏附性的研究越来越多，并取得了一定的研究成果。运用表面自由能理论可以实现对沥青和集料表面性质及沥青与集料黏附性的评价，以实现从材料的选择上预防沥青路面水损害的出现。

水损害对沥青与集料黏附性的损害，表现在沥青混合料的性能就是其黏弹性能的丧失，继而引起一系列的路面病害^[7-8]。沥青与集料之间的黏附性是直接影响沥青混合料使用性能的重要因素，而沥青和集料各自的性质决定了二者的黏附性。自20世纪20年代开始，国内外学者开始认识到水对沥青与集料的黏附性有重要影响后，就开始寻找能够表征沥青混合料水损害的方法。研究者开始从黏附机理、水损害机理等微细观的角度来研究沥青与集料的黏附性，随着表面自由能理论的不断发展运用，研究者开始运用表面自由能理论来研究沥青与集料的黏附性，提出了新的评价方法和指标，取得了一定研究成果^[9-11]。

目前沥青混合料的路面施工多采用热拌的方式，施工温度条件下沥青的黏度状态是影响沥青黏附集料的重要因素，合理地选择沥青路面施工温度的目的就是能够实现沥青充分的润湿、黏附集料，使沥青均匀地裹覆在集料表面以提高沥青与集料的胶结能力，增强沥青混合料的稳定度^[12-14]。沥青的化学结构是典型的胶体结构，其流变性质具有极强的温度依赖性，在温度足够高的状态下，沥青将趋向于流动状态，接近于牛顿流体特性^[15-16]。沥青在实际工程应用中多以其黏度指标来进行施工温度的控制，对施工质量及沥青路面性能有显著的影响，在高温条件下沥青与集料的黏附过程即是沥青在集料表面润湿、铺展的过程。在高温条件下，沥青液滴在集料表面呈现不断铺展、扩散的状态，沥青在集料表面铺展过程中的接触角变化率可反映出沥青的扩散速率，扩散速率的大小反映了沥青的黏流状态及沥青对集料的黏附性能。因此，本文以沥青在集料表面接触角的变化规律为研究对象，考察高温条件下沥青的黏流特性及沥青对集料的黏附性能。

(1) 本文选用秦皇岛30^#，50^#，70^#基质沥青为研究对象，沥青的基本性质如表 1所示。

(2) 集料选取广西辉绿岩、云罗石灰岩为研究对象，本研究使用精密切割仪将大粒径的集料切成3 mm左右厚的薄片，分别用蒸馏水和酒精清洗表面，然后放入(100±5)℃真空干燥箱中烘干备用。

在高温条件下沥青呈液态时的表面张力可通过悬滴法直接测试得到。悬滴法^[17]测量表面张力的基本思想是：当液滴被静止悬挂在毛细管的管口处时，液滴的外形主要取决于重力和表面张力的平衡。因此，通过对液滴外形的测定, 即可推算出液体的表面张力^[18]，本文使用Drop Shape Analysis接触角测量仪分别测定沥青在温度110~190 ℃之间间隔20 ℃的表面张力, 如图 1所示，测定参数中沥青密度值如表 1所示，空气密度统一采用常温下密度0.001 2 g/mL(不同温度下密度差值对试验误差影响小于0.05%)。

图 1 DSA设备 Fig. 1 DSA equipment

沥青在集料表面的接触角采用躺滴法测定，躺滴法是一种光学测量方法，用该方法以接触角的大小来评估液体在固体表面局部区域的润湿性。测量时，可直接得到介于接触界面基线和液-固-气三相界面点处的气-液界面切线之间的角度，即接触角^[19]，接触角测定如图 2所示。本文使用Drop Shape Analysis接触角测量仪进行接触角测定，测定过程中对沥青滴定、铺展的过程进行录像，整个试验过程温度恒定。在测量接触角时以沥青完全滴下为起点，间隔1 s测量一次接触角，共测定10个接触角数据，每一个温度点平行测定3次，取平均值用于扩散规律的方程拟合。

图 2 接触角测量 Fig. 2 Contact angle measurement

沥青在集料表面铺展、扩散时接触角的测量数据结果如表 2所示，每个温度点的3次平行测定结果标准方差小于5%。

为说明接触角随时间的变化规律，根据表 2中数据作接触角随时间的变化曲线，拟合曲线方程。30^#沥青在辉绿岩表面接触角扩散规律如图 3所示。

图 3 30#沥青不同温度下接触角扩散规律 Fig. 3 Contact angle diffusion regularity of asphalt No. 30 at different temperatures

由接触角随时间变化拟合曲线方程可以看出，在不同的温度下，沥青在集料表面铺展时接触角随时间的变化呈幂函数曲线关系，曲线拟合系数R²均大于0.96，其拟合方程和曲线拟合系数如表 3所示。

由表 3中的拟合方程可以看出，不同沥青在不同集料表面铺展时接触角随时间的变化呈幂函数y=Ax^a的曲线关系，不同沥青在不同集料表面接触角的变化特点由幂函数的指数项a和常数项A决定。常数项A代表不同温度下沥青滴下后扩散1 s的接触角，可认为是接触角的初始状态，温度越高初始接触角越小；幂函数指数项a代表不同温度下沥青在集料表面的铺展速率，沥青在集料表面铺展过程中接触角迅速减小，温度越高接触角减小速率越快，即指数项a绝对值越大，沥青在集料表面铺展速率越快。

本文使用布洛克菲尔德黏度计测定了沥青的黏度并绘制黏温曲线，由黏温曲线求得沥青在110, 130, 150, 170，190 ℃温度下的黏度值，试验结果如表 4所示。

沥青在集料表面铺展过程中接触角变化率拟合幂函数曲线方程中常数项A表征了沥青接触集料后接触角初始状态，主要由该温度下沥青的黏度状态决定，为关联常数项A与沥青黏度的关系，作lgη与lgA关系曲线，如图 4所示。

图 4 lgη与lgA关系 Fig. 4 Relation between lg η and lg A

由图 4中lgη与lgA的关系可以看出，3种基质沥青在两种集料表面接触角铺展拟合幂函数方程常数项A与沥青的黏度η取对数后呈线性关系，线性相关性系数大于0.99，说明沥青在集料表面接触角的初始状态由沥青在该温度下的黏度状态决定，且接触角的初始大小与沥青黏度具有同样的温度敏感性；在不同温度下同种沥青与两种集料的常数项A数值接近，偏差小于6.15%，即表明沥青在集料表面接触角的初始状态受集料性质影响不明显。为比较3种标号的基质沥青在同一种集料表面接触角铺展拟合幂函数方程常数项A与沥青黏度的关系，作150 ℃温度条件下3种沥青lgη与lgA关系如图 5所示。

图 5 150 ℃下lgη与lgA关系 Fig. 5 Relation between lgη and lgA at 150 ℃

由图 5可以看出，在150 ℃下3种基质沥青lgη与lgA呈线性关系，除110 ℃下lgη与沥青在石灰岩表面的接触角初始状态的lgA不存在线性关系外，其他温度下3种基质沥青lgη与lgA均存在线性关系，同样说明沥青在集料表面接触角的初始状态大小反映沥青在该温度下的黏度状态；在温度110 ℃下存在偏差可能原因是由于温度较低，沥青黏度较大，沥青初始状态接触角测量误差较大的原因。

沥青在高温条件下呈液体状态，存在表面张力，表面张力是使液体表面缩小的力，是影响沥青在集料表面接触角大小及接触角扩散速率的重要因素。本文研究采用悬滴法测定沥青在高温条件下的表面张力，试验数据如表 5所示，每个温度点3次测量结果标准偏差小于0.5%。作沥青表面张力与温度的关系曲线如图 6所示。

图 6 沥青表面张力随温度变化关系 Fig. 6 Relation between surface tension of asphalt and temperature

由图 6可以看出，沥青的表面张力随温度的升高而减小，与温度呈线性关系，线性相关性系数大于0.99。而根据图 3及表 3中的数据可以看出，沥青在集料表面接触角的扩散速率幂函数方程的指数a随温度的升高而减小，指数a的大小代表接触角扩散速率的大小，反映沥青对集料的润湿、黏附性能的好坏。比较表 3中拟合方程的指数a可以发现，除在110 ℃条件下30^#，50^#沥青在辉绿岩表面的扩散指数小于在石灰岩表面的扩散指数外，其他温度条件下沥青在辉绿岩表面的扩散指数均大于在石灰岩表面的扩散指数，表明沥青在辉绿岩表面的扩散速率大于在石灰岩表面的扩散速率，说明3种标号基质沥青对辉绿岩的润湿、黏附性能要好于石灰岩。以下作沥青表面张力与接触角扩散方程指数a的曲线关系如图 7所示。

图 7 沥青表面张力与指数项a的关系 Fig. 7 Relation between surface tension of asphalt and index a

由图 7可以看出，随着温度的升高，沥青表面张力的减小，沥青在集料表面的接触角扩散速率增大，且沥青表面张力与接触角扩散方程指数a呈线性关系，拟合直线方程线性相关性系数大于0.98。比较图 7中拟合线性方程的斜率可以得出：沥青在辉绿岩表面扩散时，3种沥青表面张力与指数a拟合方程的斜率接近，即随温度的升高和表面张力的减小，3种沥青接触角扩散速率增大的幅度相当；沥青在石灰岩表面扩散时，3种沥青表面张力与指数a拟合方程的斜率存在明显差异，随温度的升高和表面张力的减小，30^#沥青在石灰岩表面扩散速率增大幅度最大，70^#沥青扩散速率增大幅度最小；3种沥青在辉绿岩表面扩散时表面张力与指数a拟合方程的斜率均大于沥青在石灰岩表面扩散时表面张力与指数a拟合方程的斜率。

通过以上分析可以得出，在高温条件下3种标号基质沥青对辉绿岩的润湿、黏附性能要好于石灰岩；沥青在集料表面的扩散速率受温度及该温度条件下沥青表面张力大小的影响，温度越高，沥青表面张力越小，沥青在集料表面扩散的速率越大，即表明沥青对集料的润湿、黏附性能越好；沥青标号越低，沥青黏度越大，沥青在石灰岩表面扩散速率随温度升高和表面张力的减小而增大的幅度越大，即30^#沥青对石灰岩的润湿、黏附受温度及该温度条件下沥青表面张力的大小影响较大；温度及该温度条件下沥青表面张力的大小对3种基质沥青在辉绿岩表面润湿、黏附影响程度相当。

在高温条件下，沥青在集料表面的润湿、黏附过程除受到温度、沥青黏度及沥青的表面张力的影响外，还要受到集料性质的影响，本文主要从集料的表面粗糙度、表面自由能两方面作初步的探索分析。表 6中集料表面粗糙度由SJ-210型表面粗糙度测量仪测定得到；集料表面自由能由Drop Shape Analysis接触角测量仪通过测定常温条件下已知表面能参数的蒸馏水、甲酰胺、丙三醇在集料表面的接触角数据后计算得到。

由前述分析可知，沥青在集料表面铺展、扩散时，同种沥青在两种集料表面接触角初始状态相同，但在扩散过程中其扩散速率存在明显差异，沥青在辉绿岩表面扩散速率大于石灰岩，且3种沥青扩散速率对温度的敏感性接近；而沥青在石灰岩表面扩散时，标号不同的沥青的扩散速率表现出不同的温度敏感性，即表明辉绿岩和石灰岩两种集料不同的表面性质对沥青在集料表面的铺展、黏附性能产生影响。两种集料表面粗糙度、表面自由能数值如表 6所示，辉绿岩的表面粗糙度Ra值小于石灰岩，集料表面粗糙度越小，即表面越光滑越有利于沥青在集料表面的铺展、黏附；两种集料的表面能是在常温条件下测定的，理论上表面能越大越有利于黏附过程的进行，而在高温条件下沥青在表面能较小的辉绿岩表面扩散速率较大，即在高温条件下沥青更易于润湿、黏附表面能小的辉绿岩；从表面能分量上分析，两种集料色散分量接近，辉绿岩极性分量占表面能的比例小于石灰岩，而沥青属于若极性材料，在高温条件下沥青对表面能中极性分量所占比例小的辉绿岩具有较好的润湿、黏附性能。

高温条件下沥青在集料表面的润湿、黏附过程涉及到复杂的物理化学反应，影响因素较多。本研究选取的集料为碱性石灰岩和弱碱性辉绿岩，按照酸碱理论，碱性的石灰岩与沥青的黏附性较好；另外，根据物理吸附理论，一般认为集料表面越粗糙，孔隙越多，沥青越易于吸附集料，沥青与集料黏附性能越好，与本文在高温条件下的研究结果不一致。沥青与集料在高温条件下的润湿、黏附性能与实际路面温度下的黏附强度及抗水损害性能的相关性仍需进一步的深入研究。但通过高温条件下沥青在集料表面扩散规律的研究可以得出接触角扩散规律与沥青黏度的关系，更直观地反映出沥青的高温黏流状态及在集料表面的铺展、润湿规律，对沥青高温流变特性研究及确定沥青的合理施工温度具有一定的指导意义。

本文通过对高温条件下沥青在集料表面铺展过程中接触角变化规律的研究分析，得出如下相关结论：

(1) 在不同的温度下，沥青在集料表面铺展时接触角随时间的变化呈y=Ax^a的幂函数曲线关系，曲线拟合系数R²大于0.96。

(2) 接触角随时间的变化拟合幂函数方程y=Ax^a的常数项A表征沥青初始接触角的大小，且常数项A与沥青的黏度η取对数后呈线性关系，即沥青在集料表面接触角的初始状态与沥青在该温度下的黏度状态相关；在不同温度下同种沥青与两种集料的常数项A数值接近，沥青在集料表面接触角的初始状态受集料性质影响不明显。

(3) 接触角随时间的变化拟合幂函数方程y=Ax^a的指数项a表征沥青在集料表面扩散速率的大小，指数a与沥青表面张力呈线性关系，即随着温度的升高，沥青表面张力的减小，沥青在集料表面的接触角扩散速率增大；沥青在辉绿岩表面的扩散速率大于在石灰岩表面的扩散速率，且沥青在辉绿岩表面扩散速率的温度敏感性大于在石灰岩表面的扩散速率。

(4)3种标号基质沥青对辉绿岩的润湿、黏附性能要好于石灰岩，集料表面粗糙度越小、表面自由能中极性分量越小越有利于沥青的润湿及黏附；高温条件下沥青与集料的黏附性能影响因素较多，且存在复杂的物理化学反应，高温状态下的沥青与集料黏附性能对热拌沥青混合料的路用性能的影响仍需进一步的研究论证。