基于表面能理论的沥青‒集料界面黏附特性研究

Adhesion characteristics of asphalt-aggregate interfaces based on surface energy theory

摘要

为定量表征常温沥青、热拌沥青与集料体系的界面黏附与水稳定性能，该文基于表面能理论，采用静滴接触角测试法，测定乳化沥青、水激活沥青、聚氨酯沥青、PG 76改性沥青和70^#基质沥青5种沥青，以及花岗岩、玄武岩、辉绿岩和石灰岩4种集料的接触角，求解各材料表面能参数、黏聚功、黏附功及剥落功。试验结果表明：聚氨酯沥青总表面能最高，石灰岩集料表面能最大；同种集料下，沥青‒集料黏附功大小依次为聚氨酯沥青>水激活沥青>PG 76改性沥青>乳化沥青>70^#基质沥青，其中聚氨酯沥青‒石灰岩组合的黏附功最高；剥落功变化规律与黏附功基本一致，聚氨酯沥青仍表现最佳。借助SPSS开展显著性分析可知，沥青种类是决定界面黏附功的主控因素。通过水稳定性指标I_{\mathrm{E}{\mathrm{R}}_{\mathrm{1}}}进一步验证，聚氨酯沥青‒石灰岩组合的抗水损害能力最优。

Abstract

Based on surface energy theory, the sessile drop contact angle testing method was employed to measure the contact angles of five asphalt types (emulsified asphalt, water-activated asphalt, polyurethane asphalt, PG 76 modified asphalt, and 70^# base asphalt) and four aggregates (granite, basalt, diabase and limestone) to quantitatively characterize the interfacial adhesion and water stability of constant temperature asphalt, hot mix asphalt, and aggregate systems. Surface energy parameters, cohesive work, adhesive work, and debonding work were calculated. The test results indicate that polyurethane asphalt exhibits the highest surface energy, while limestone aggregate shows the maximum surface energy. For the identical aggregate, the adhesive work of asphalt-aggregate combinations follows the order: polyurethane asphalt > water-activated asphalt > PG 76 modified asphalt > emulsified asphalt > 70^# base asphalt, with the polyurethane asphalt-limestone combination demonstrating the highest adhesive work. The debonding work follows a basically consistent order, with polyurethane asphalt still yielding the best performance. SPSS significance analysis reveals that the asphalt type is the dominant factor influencing interfacial adhesive work. Further verification by the water stability indicator I_{\mathrm{E}{\mathrm{R}}_{\mathrm{1}}} confirms that the polyurethane asphalt-limestone combination possesses the strongest resistance to water damage.

Graphical abstract

关键词

表面能理论 / 常温沥青 / 集料 / 沥青‒集料界面黏附 / 水稳定性

Key words

surface energy theory / constant temperature asphalt / aggregate / asphalt-aggregate interfacial adhesion / water stability

0 引言

沥青与集料界面的黏附性，是决定沥青混合料路用性能的核心因素。在混合料服役的过程中，水分侵蚀是导致界面黏附失效的关键外因。当水分子渗透至沥青‒集料界面时，会削弱沥青与集料的物理化学结合力，导致沥青膜剥离、集料裸露，最终出现路面剥落、松散等早期病害^［1-2］。因此，界面黏附性能是决定沥青混合料水稳定性的核心因素，其评价方法的科学性与准确性直接影响材料设计与工程应用效果。传统黏附性评价方法（如水煮法）主要依赖宏观现象定性判断，存在主观性强、定量化不足等固有缺陷，尤其是对改性沥青黏附性的评价失效明显，因改性沥青黏度更高，表面油膜更厚，在煮沸过程中难以剥落，导致传统方法无法有效区分不同改性沥青的黏附等级^［3-4］。

基于热力学原理的界面行为分析引入表面能理论，为黏附特性研究提供了新思路。该理论认为，沥青与集料的黏附过程本质上是两相界面自由能降低的驱动过程，通过测定沥青、集料及水的表面能参数（如色散分量、极性分量），可定量计算黏聚功（沥青自身内聚力）、黏附功（沥青‒集料结合力）及剥落功（水侵蚀下的抗剥离能力），从而建立界面黏附性能与水稳定性的直接关联^［5-7］。近年来，表面自由能理论被广泛应用于沥青‒集料界面黏附性的研究。孙瑜等^［8］采用表面能理论和黏附‒剥落模型评价沥青混合料的剥落性与水稳定性，并探究了抗剥落剂对水稳定性的改善效果；罗蓉等^［9］基于Owens-Wendt模型构建表面能匹配性指标，揭示了不同温度/湿度条件下界面黏附行为的规律性；豆莹莹等^［10］探究不同种类的再生剂对沥青‒集料界面黏附的改善机制，发现再生沥青因极性组分调整而显著提升了黏附功与抗剥落能力。这些研究证实，表面能理论可为材料优选与配伍设计提供科学量化依据。

近年来，随着常温沥青技术的发展，乳化沥青、聚氨酯沥青及水激活沥青等新型胶结料因其节能环保广受关注，逐渐应用于工程^［11-13］。然而，新型胶结料的组成、固化机制与热拌沥青存在本质差异，导致界面黏附行为可能呈现独特规律。现有文献中，谢洪胜等^［14］采用数显全自动拉脱法附着力测试仪测试了水性环氧乳化沥青的黏结强度；王鑫洋等^［15］基于表面能理论和改进拉拔试验对比了乳化沥青与改性沥青的失效模式；李秀君等^［16］结合表面能理论与改进水煮法，验证了水性环氧改性乳化沥青黏附性的提升效果。但这些研究多局限于单一类型常温沥青或特定工况，缺乏多类型常温沥青与多类典型集料组合的系统性对比分析，尤其在表面能理论下，不同常温沥青的表面能参数特征、关键参数（如极性分量占比）对黏附功的敏感性、剥落功与水稳定性的定量关联等问题尚未明确。

针对上述研究缺口，本研究选取3类常温沥青（乳化沥青、水激活沥青、聚氨酯沥青）及两类典型热拌沥青（70^#基质沥青、PG 76改性沥青），结合4种集料（花岗岩、玄武岩、辉绿岩、石灰岩），系统展开基于表面能理论的界面黏附特性基础研究。通过静滴法测定接触角，结合Owens-Wendt模型计算表面能参数，定量评价沥青黏聚功、沥青‒集料黏附功及剥落功。本研究旨在揭示不同类型沥青及集料的表面能特性差异，定量评价不同沥青‒集料组合的界面黏附性能与抗水损害能力，分析沥青类型与集料类型对界面黏附特性的影响，以及基于黏附功与剥落功计算水稳定性指标，筛选最优抗水损害材料组合。研究成果为常温沥青混合料的材料设计优化（如胶结料选型、集料适配）提供理论支撑与量化依据，同时验证表面能理论在常温沥青体系中的适用性，填补该方向的研究空白。

1 材料与试验

1.1 原材料

（1） 沥青

选用乳化沥青、自制聚氨酯改性常温液体沥青及市售水激活常温液体沥青3种常温液体沥青。其中，自制聚氨酯改性常温液体沥青主要由66%的单组分聚氨酯、27%基质沥青及7%的助剂（含偶联剂与增韧剂）组成，其制备工艺为：将基质沥青加热至135 ℃，使其具有较好的流动状态，再将机械搅拌速度设置为1 500 r/min，然后依次加入单组分聚氨酯与其他助剂。当所有组分加入完毕后，继续搅拌10 min即可制得试验样品；市售水激活常温液体沥青由基质沥青、特殊活性树脂沥青稀释剂、水反应固化剂、相容剂及除水剂等材料组成。这两种常温液体沥青均靠与水反应形成强度。乳化沥青、基质沥青及PG 76改性沥青基本性能技术指标见表1，聚氨酯改性常温液体沥青和水激活常温液体沥青基本性能技术指标见表2。

（2） 集料

选用路面常用的花岗岩、石灰岩、玄武岩及辉绿岩4种岩性集料。采用X射线衍射仪对集料的矿物成分进行分析，测试结果见表3。

1.2 接触角测试

（1） 测试方法

以蒸馏水、甲酰胺和丙三醇作为本次试验所采用的探针液体（其相关参数见表4），采用全自动接触角测量仪［图1（a）］对5种沥青和4种集料进行静态接触角测定。每组测试重复5次并取平均值，确保相对误差小于3%。

（2） 试件制备与处理

沥青玻片制备步骤为：① 使用丙酮和蒸馏水依次清洗盖玻片正反面，去除表面污染物；② 用无屑擦镜纸擦拭干净，清除表面残留杂质和水分；③ 用喷火枪使玻片快速通过火焰外焰3~5次；④ 将玻片插入到沥青中，注意插入和取出过程要慢，确保形成均匀的薄膜且避免气泡产生；⑤ 将涂覆完成的玻片垂直悬挂于室温中固化24 h后放真空干燥箱中备用。制备成品如图1（b）所示。

集料预处理：选取4种代表性岩性集料样品切割成20 mm×20 mm×10 mm的标准试样。为消除表面形貌对测试的影响，遵循逐级抛光流程，依次使用400^#、800^#和1 200^#砂纸处理试件，再使用无水乙醇和蒸馏水依次清洗抛光后的试件，随后转移至105 ℃烘箱进行干燥，直至达到恒重，最后放入干燥的储物盒中待用，如图1（c）所示。

1.3 表面能计算模型

根据Fowkes、Owens、Wendt理论及固‒液界面表面能（{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}}）［式（1）］，结合Young方程［式（2）］，联立得公式（3）。通过3种液体测试数据建立方程组，即可求解固体表面能的色散分量（{\gamma }_{\mathrm{S}}^{\mathrm{d}}）、极性分量（{\gamma }_{\mathrm{S}}^{\mathrm{p}}）及总表面能（\gamma）。

{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}}={\gamma }_{\mathrm{S}}+{\gamma }_{\mathrm{L}}-\mathrm{2}\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{S}}^{\mathrm{d}}{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{d}}}-\mathrm{2}\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{S}}^{\mathrm{p}}{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{p}}}（1）

{\gamma }_{\mathrm{L}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta ={\gamma }_{\mathrm{S}}-{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}}（2）

\left(\mathrm{1}+\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \right)=\mathrm{2}\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{S}}^{\mathrm{d}}{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{d}}}+\mathrm{2}\sqrt[]{{\mathrm{\gamma }}_{\mathrm{S}}^{\mathrm{p}}{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{p}}}（3）

式中：{\gamma }_{\mathrm{S}\mathrm{L}}为固‒液界面表面能（mJ/m²）；{\gamma }_{\mathrm{S}}为固体表面自由能（mJ/m²）；{\gamma }_{\mathrm{L}}为液体表面自由能（mJ/m²）；{\gamma }_{\mathrm{S}}^{\mathrm{d}}为固体表面自由能的色散分量（mJ/m²）；{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{d}}为液体表面自由能的色散分量（mJ/m²）；{\gamma }_{\mathrm{S}}^{\mathrm{p}}为固体表面自由能的极性分量（mJ/m²）；{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{p}}为液体表面自由能的极性分量（mJ/m²）；θ为固体与液体间的接触角。

将公式（3）表示为y=mx+b的形式，即：\frac{{\gamma }_{\mathrm{L}}\left(\mathrm{1}+\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \right)}{\mathrm{2}\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{d}}}}=\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{S}}^{\mathrm{p}}}\sqrt[]{\frac{{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{p}}}{{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{d}}}}+\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{S}}^{\mathrm{d}}}，对不同的液体，将\frac{{\gamma }_{\mathrm{L}}\left(\mathrm{1}+\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \right)}{\mathrm{2}\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{d}}}}对\sqrt[]{\frac{{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{p}}}{{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{d}}}}作图，然后进行线性拟合。根据拟合直线的相关系数大小判断试验数据是否可靠，如果得到的曲线不呈线性关系，说明测试的接触角不够准确，需要重新测试，极性分量与色散分量可分别由拟合直线斜率的平方和截距的平方求得。

1.4 沥青与集料关系模型

（1） 黏聚模型

当沥青在无水条件下发生黏聚破坏时，基于表面能理论的沥青黏聚功表达式如式（4）所示；当沥青在有水条件下发生黏聚破坏时，沥青界面发生分离，同时生成两个新的沥青‒水界面，表达式如式（5）所示。

W_{\mathrm{a}}=\mathrm{2}{\gamma }_{\mathrm{a}}（4）

W_{\mathrm{a}}^{\mathrm{w}}=\mathrm{2}{\gamma }_{\mathrm{a}\mathrm{w}}=\mathrm{2}({\gamma }_{\mathrm{a}}+{\gamma }_{\mathrm{w}}-\mathrm{2}\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{a}}^{\mathrm{p}}}{\gamma }_{\mathrm{w}}^{\mathrm{p}}-\mathrm{2}\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{a}}^{\mathrm{d}}}{\gamma }_{\mathrm{w}}^{\mathrm{d}})（5）

式中：W_{\mathrm{a}}为沥青的无水黏聚功；{\gamma }_{\mathrm{a}}为沥青的表面能；W_{\mathrm{a}}^{\mathrm{w}}为沥青的有水黏聚功；{\gamma }_{\mathrm{a}}^{\mathrm{d}}为沥青表面能的色散分量；{\gamma }_{\mathrm{a}}^{\mathrm{p}}为沥青表面能的极性分量；{\gamma }_{\mathrm{w}}^{\mathrm{d}}为水的表面能的色散分量；{\gamma }_{\mathrm{w}}^{\mathrm{p}}为水的表面能的极性分量；γ_aw为沥青和水之间的界面能；γ_w为水的表面能。

（2） 黏附模型

黏附功是评价液体在固体表面润湿性好坏的指标，沥青与集料黏附功计算如式（6）所示。

W_{\mathrm{a}\mathrm{s}}={\gamma }_{\mathrm{a}}+{\gamma }_{\mathrm{s}}-{\gamma }_{\mathrm{a}\mathrm{s}}=\mathrm{2}\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{s}}^{\mathrm{d}}{\gamma }_{\mathrm{a}}^{\mathrm{d}}}+\mathrm{2}\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{a}}^{\mathrm{p}}{\gamma }_{\mathrm{s}}^{\mathrm{p}}}（6）

式中：W_{\mathrm{a}\mathrm{s}}为沥青和集料界面的黏附功；{\gamma }_{\mathrm{s}}^{\mathrm{d}}为集料表面能的色散分量；{\gamma }_{\mathrm{s}}^{\mathrm{p}}为集料表面能的极性分量；γ_s为集料的表面能；γ_as为沥青和集料间的界面能；其他参数意义同前文。

（3） 剥落模型

在环境与荷载作用下水分侵入服役中的沥青路面，取代了原有沥青‒集料的黏结界面，形成新的水‒集料与水‒沥青界面，继而削弱黏附力，引发集料表面沥青膜的剥离。因此，需建立沥青‒集料‒水三相体系的剥落模型，其剥落功表达式如式（7）所示。

\begin{array}{c}{W}_{\mathrm{a}\mathrm{w}\mathrm{s}}=W_{\mathrm{a}\mathrm{w}}+W_{\mathrm{s}\mathrm{w}}-W_{\mathrm{a}\mathrm{s}}=\\ \mathrm{2}(\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{a}}^{\mathrm{p}}}{\gamma }_{\mathrm{w}}^{\mathrm{p}}+\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{a}}^{\mathrm{d}}}{\gamma }_{\mathrm{w}}^{\mathrm{d}}+\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{s}}^{\mathrm{p}}}{\gamma }_{\mathrm{w}}^{\mathrm{p}}+\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{s}}^{\mathrm{d}}}{\gamma }_{\mathrm{w}}^{\mathrm{d}}-\\ \sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{s}}^{\mathrm{d}}{\gamma }_{\mathrm{a}}^{\mathrm{d}}}-\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{a}}^{\mathrm{p}}{\gamma }_{\mathrm{s}}^{\mathrm{p}}})\end{array}（7）

式中：W_{\mathrm{a}\mathrm{w}}为沥青与水的黏附功；W_{\mathrm{s}\mathrm{w}}为集料和水的黏附功；W_{\mathrm{a}\mathrm{w}\mathrm{s}}为沥青与集料有水条件下的剥落功；W_as为沥青和集料界面的黏附功；其他参数意义同前文。

2 试验结果分析与讨论

2.1 表面能特性分析

采用3种探针液体分别测定其与乳化沥青、水激活沥青、聚氨酯沥青、PG 76改性沥青和70^#基质沥青5种沥青及花岗岩、玄武岩、辉绿岩、石灰岩4种集料的接触角，试验结果见表5、表6。

根据表面能理论，通过线性拟合\sqrt[]{\frac{{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{p}}}{{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{d}}}}与\frac{{\gamma }_{\mathrm{L}}\left(\mathrm{1}+\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \right)}{\mathrm{2}\sqrt[]{{\gamma }_{\mathrm{L}}^{\mathrm{d}}}}的关系，可验证接触角的可靠性。本文对3种探针液体的测试数据进行拟合，结果如图2所示，R²>0.92，表明试验结果满足线性要求。

经计算得出沥青与集料的表面能、色散分量及极性分量结果见表7、表8。

沥青的表面能中色散分量占主导地位。对于非极性分子，色散力是着色力的主要构成，较高的色散分量占比说明沥青主要由非极性分子组成。若集料极性分量高于色散分量，则说明该集料属于极性材料。由表7可知：聚氨酯沥青最大，其次是水激活沥青和PG 76改性沥青，乳化沥青和70^#基质沥青相对较小，聚氨酯沥青与水激活沥青两者表面能相近。集料的表面能总体表现为石灰岩最大，其次是玄武岩、辉绿岩，最小的是花岗岩。

2.2 黏附特性评价

2.2.1 黏聚功

沥青在有水和无水条件下的内聚功，结果如图3所示。

从图3可以看出：① 5种沥青中，在无水条件下，黏聚功从大到小依次为：聚氨酯沥青>水激活沥青>PG 76改性沥青>基质沥青>乳化沥青，其中聚氨酯沥青的黏聚性最好，这是因为聚氨酯的分子链结构中富含诸如氨基甲酸酯基（—NH—CO—O—）与异氰酸酯基（—NCO）等强极性且具有高反应活性的官能团。因此，当其作为胶结料使用时，表现出优异的黏结性；在有水条件下，黏聚功从大到小依次为：基质沥青>PG 76改性沥青>乳化沥青>水激活沥青>聚氨酯沥青，其中聚氨酯沥青的黏聚性最低，这是因为聚氨酯会与水发生反应产生水解和增塑作用，而水解作用的影响是不可逆的，增塑作用造成的性能损失是可逆的，水分蒸发后可恢复部分性能^［17-18］。因此，对于聚氨酯沥青，在有水条件下计算得到的黏聚功，无法真实表征材料实际工作性能。② 水分的介入使沥青（基质沥青/PG 76改性沥青/乳化沥青）的黏聚功较无水条件略有提高。这是因为水为极性分子，而沥青中的胶质部分富含稠环芳香结构和杂原子^［19］，这些成分也是强极性分子。极性分子间的静电引力相互作用，强化了沥青内部结构的致密程度，使其抗外力变形能力得到增强，表现为有水环境下沥青断裂需克服更大的黏聚功。

2.2.2 黏附功

5种沥青与4种集料之间的黏附功见表9。对比同种集料和不同沥青的黏附功，沥青‒集料黏附功的排序从大到小依次为：聚氨酯沥青>水激活沥青>PG 76改性沥青>乳化沥青>基质沥青。这是由于聚氨酯沥青中的特殊化学结构与集料表面的极性基团可形成较强的氢键作用或者化学键合作用，这种化学结构使得聚氨酯沥青与集料之间的黏附性得到显著提高。在相同沥青条件下，不同集料与沥青的黏附性能存在明显差异：石灰岩表现出最强的黏附功，其次为玄武岩、辉绿岩，花岗岩的黏附功最低。这表明石灰岩与玄武岩与沥青形成了更稳定的黏附界面，从而具备更优异的黏附力。该现象与两类岩石的表面特性及较高CaO含量相关。花岗岩的黏附性能最差，该规律与现有多数研究结果相符，原因可能在于花岗岩中SiO₂含量最高。

2.2.3 剥落功

5种沥青与4种集料在有水条件下的剥落功见表10。对于同种集料，不同沥青的剥落功排序从大到小依次为：聚氨酯沥青>水激活沥青>乳化沥青>PG 76改性沥青>基质沥青。根据界面黏结理论，剥落功通常表征为负值（即水侵入沥青‒集料界面时释放能量），其绝对值越大，表明系统自发剥落倾向越强，抗水损害能力越弱。但本研究中所有剥落功数据均为正值，这与理论预期存在差异。这可能源于所选集料的表面能极性分量较低，导致其与强极性水分子的相互作用较弱。因此，分离沥青‒集料界面仍需额外输入能量。剥落功正值越大，表明界面黏结越强，抗剥落性能越优。聚氨酯沥青剥落功最高，抗水损害能力最强，70^#基质沥青剥落功最低，抗剥落性能最差。在不同集料与同种沥青的相互作用中，界面抗剥落功整体呈现石灰岩最高、辉绿岩次之，玄武岩与花岗岩较低且数值相近，这主要是石灰岩的高表面能（特别是高极性分量）、发达的微观粗糙度以及优异的酸碱配伍性，与沥青形成了最强韧的界面黏结，故抗剥落性能优异。玄武岩与辉绿岩次之，而花岗岩由于表面化学惰性（低极性、酸性）及致密的物理结构，界面黏结最弱，剥落功最低。但4类集料的剥落功差异较小（极差<6%），表明集料类型对界面黏结的敏感性相对低于沥青类型。

2.3 影响因素显著性分析

为探究集料类型和沥青类型对黏附功及剥落功的影响，并确定沥青与集料间是否存在交互作用，进而对沥青与集料的组合适配性进行科学优化。本文利用SPSS软件开展显著性检验分析，结果见表11。

由表11可知：P值小于0.001，表明沥青类型、集料类型均对黏附功有极为显著的影响。偏{\eta }^{\mathrm{2}}表示每个因素对黏附功变异的解释比例，沥青类型的偏{\eta }^{\mathrm{2}}=0.993，集料类型的偏{\eta }^{\mathrm{2}}=0.985，说明沥青类型对黏附功的影响更大。

图4为方差分析的轮廓图，展示了因素之间的交互效应，可用于比较模型中的边际均值。从图4可以看出：两条轮廓线呈现平行分布特征，这一形态表明因素间不存在显著的交互效应。

2.4 水稳定性评价

Bhasin经系列试验验证，建立了水敏感性指标I_{\mathrm{E}{\mathrm{R}}_{\mathrm{1}}}，这是基于黏附功与剥落功的水稳定性综合评价指标^［20］。该指标数值越大，水稳定性越优，数值越小，水稳定性越差，为沥青混合料抗水损害性能提供了直接评估依据^［21］，其表达式见式（8）。不同沥青与集料的水稳定性指标计算结果见表12。

I_{\mathrm{E}{\mathrm{R}}_{\mathrm{1}}}=\frac{W_{\mathrm{a}\mathrm{s}}}{W_{\mathrm{a}\mathrm{w}\mathrm{s}}}（8）

由表12可知：通过对比同种沥青与不同集料组合的I_{\mathrm{E}{\mathrm{R}}_{\mathrm{1}}}值可知：沥青‒石灰岩体系的I_{\mathrm{E}{\mathrm{R}}_{\mathrm{1}}}值显著高于其他集料类型，而沥青‒花岗岩体系的I_{\mathrm{E}{\mathrm{R}}_{\mathrm{1}}}值最低，表明石灰岩与沥青的界面结合具有最优的水稳定性；当固定集料类型对比不同沥青时，可观察到聚氨酯沥青与集料的I_{\mathrm{E}{\mathrm{R}}_{\mathrm{1}}}值最大，与70^#基质沥青的I_{\mathrm{E}{\mathrm{R}}_{\mathrm{1}}}值最小，说明聚氨酯沥青与集料的水敏感性较弱，水稳定性较好。因此，聚氨酯沥青与石灰岩的水敏感性最小，水稳定性最好。

3 结论

本文基于表面能理论，分析了5种沥青与4种集料的界面黏附性能，通过接触角和表面能参数计算黏附功与剥落功，得出以下主要结论：

（1） 对比乳化沥青、水激活沥青、聚氨酯沥青、PG 76改性沥青及70^#基质沥青，聚氨酯沥青的总表面能最高，其极性组分占比可达46.5%，表明其分子结构含有大量强极性基团；针对花岗岩、玄武岩、辉绿岩、石灰岩集料中，石灰岩表面能最大，花岗岩最小，各类集料表面能以极性分量为主导，极性组分占比区间为50.5%~66.1%。

（2） 不同沥青与同种集料的界面黏附功排序从大到小依次为：聚氨酯沥青>水激活沥青>PG 76改性沥青>乳化沥青>基质沥青，抗剥落功排序从大到小依次为：聚氨酯沥青>水激活沥青>乳化沥青>PG 76改性沥青>基质沥青。其中，聚氨酯沥青‒石灰岩组合黏附功最高，较70^#基质沥青‒花岗岩组合提升95.8%；采用同种沥青搭配不同集料时，界面黏附功与抗剥落功由高至低依次为：石灰岩、玄武岩、辉绿岩、花岗岩，这与集料中CaO含量呈正相关，高SiO₂含量的花岗岩界面黏附效果最差。

（3） 聚氨酯沥青‒石灰岩体系的I_{\mathrm{E}{\mathrm{R}}_{\mathrm{1}}}为所有组合中最大值，抗水损害能力最优；与性能最差的70^#基质沥青‒花岗岩体系相比，该指标提升62.5%，优势显著。

（4） 沥青类型对界面黏附功的影响程度显著高于集料种类，二者交互作用不显著。因此，优化沥青性能是提升沥青‒集料界面黏附性的关键。

参考文献

[1] 王玉林, 徐宁, 卢东. 提升沥青路面抗水损害能力措施综述[J]. 中外公路, 2022, 42(1): 66-72.

[2] Wang Yulin, Xu Ning, Lu Dong. Summary of measures to improve water damage resistance of asphalt pavement[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2022, 42(1): 66-72.

[3] 钟超, 杨浩, 林俊涛, 等. 地聚物乳化沥青胶浆与集料界面的黏附机理研究[J]. 中外公路, 2025, 45(4): 77-85，94.

[4] Zhong Chao, Yang Hao, Lin Juntao, et al. Adhesion mechanism of geopolymer-modified emulsified asphalt slurry at interface with aggregate[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2025, 45(4): 77-85，94.

[5] 吴倩, 童戴舟, 陈松强, 等. 基于旋转瓶试验的多源集料黏附性能评价[J]. 中外公路, 2025, 45(2): 83-89.

[6] Wu Qian, Tong Daizhou, Chen Songqiang, et al. Evaluation of multi-source aggregate adhesion performance based on rotary bottle test[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2025, 45(2): 83-89.

[7] 王欣宇. 钢渣-SBS/胶粉复合改性沥青粘附机理研究[D]. 银川: 宁夏大学, 2024.

[8] Wang Xinyu. Research on adhesion mechanism of steel slag-SBS/CR composite modified asphalt[D]. Yinchuan: Ningxia University, 2024.

[9] 马祥辉, 杨振宇, 樊亮, 等. 基于界面黏附理论的沥青与集料黏附特性研究进展[J]. 合成材料老化与应用, 2021, 50(6): 108-111，33.

[10] Ma Xianghui, Yang Zhenyu, Fan Liang, et al. Research progress on adhesion characteristics of asphalt and aggregate based on interfacial adhesion theory[J]. Synthetic Materials Aging and Application, 2021, 50(6): 108-111，33.

[11] 何炎恋. 基于表面自由能理论的沥青与集料匹配性分析[J]. 福建交通科技, 2021(7): 40-42.

[12] He Yanlian. Matching analysis of asphalt and aggregate based on surface free energy theory[J]. Fujian Traffic Science and Technology, 2021(7): 40-42.

[13] 易昭. 基于表面能理论的沥青与集料体系粘附性能定量表征技术研究[D]. 兰州: 兰州交通大学, 2022.

[14] Yi Zhao. Quantitative characterization of adhesion property between asphalt and aggregate system based on surface energy theory[D]. Lanzhou: Lanzhou Jiatong University, 2022.

[15] 孙瑜, 李立寒. 基于表面能理论的沥青混合料抗剥落性能[J]. 建筑材料学报, 2016, 19(2): 285-291.

[16] Sun Yu, Li Lihan. Anti-stripping of asphalt mixture based on surface energy theory[J]. Journal of Building Materials, 2016, 19(2): 285-291.

[17] 罗蓉, 郑松松, 张德润, 等. 基于表面能理论的沥青与集料黏附性能评价[J]. 中国公路学报, 2017, 30(6): 209-214.

[18] Luo Rong, Zheng Songsong, Zhang Derun, et al. Evaluation of adhesion property in asphalt-aggregate systems based on surface energy theory[J]. China Journal of Highway and Transport, 2017, 30(6): 209-214.

[19] 豆莹莹, 李晓民, 姚志杰, 等. 基于表面自由能的再生沥青粘附性及其水稳定性[J]. 材料科学与工程学报, 2020, 38(4): 648-653.

[20] Dou Yingying, Li Xiaomin, Yao Zhijie, et al. Adhesion and water stability of regenerated asphalt based on surface free energy[J]. Journal of Materials Science and Engineering, 2020, 38(4): 648-653.

[21] 许龙, 彭馨彦, 洪晶, 等. 水反应型高耐久沥青常温修补料性能试验评价[J]. 中国公路, 2023(7): 103-105.

[22] Xu Long, Peng Xinyan, Hong Jing, et al. Experimental evaluation on properties of water-reactive high-durability asphalt patching material at room temperature[J]. China Highway, 2023(7): 103-105.

[23] 庄伟, 颜卓然, 孙敏. 冷拌冷铺型聚氨酯混合料性能研究[J]. 山东化工, 2024, 53(12): 9-12.

[24] Zhuang Wei, Yan Zhuoran, Sun Min. Study on the performance of cold-mixing and cold-laying polyurethane mixture[J]. Shandong Chemical Industry, 2024, 53(12): 9-12.

[25] 姚凯文, 张燕, 李昊昌, 等. 冷拌环氧沥青及其混合料性能研究进展[J]. 化工新型材料, 2024, 52(): 51-57.

[26] Yao Kaiwen, Zhang Yan, Li Haochang, et al. Properties of cold-mixed epoxy asphalt binder and its mixtures: A review[J]. New Chemical Materials, 2024, 52(S1): 51-57.

[27] 谢洪胜, 张应国, 段绍帆. 水性环氧树脂乳化沥青复合材料与集料粘结强度研究[J]. 山东化工, 2021, 50(1): 35-36.

[28] Xie Hongsheng, Zhang Yingguo, Duan Shaofan. Study on bond strength between waterborne epoxy resin emulsified asphalt composite and aggregate[J]. Shandong Chemical Industry, 2021, 50(1): 35-36.

[29] 王鑫洋, 苏纪壮, 祁冰. 基于表面能理论和拉拔试验的铁尾矿与沥青黏附性研究[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2023, 47(2): 338-342.

[30] Wang Xinyang, Su Jizhuang, Qi Bing. Investigation on the adhesion of iron tailings and asphalt based on surface energy theory and pull-off test[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science & Engineering), 2023, 47(2): 338-342.

[31] 李秀君, 高世柱, 叶锫锫, 等. 水性环氧树脂对SBR改性乳化沥青与集料黏附性的影响[J]. 材料科学与工程学报, 2022, 40(1): 116-122.

[32] Li Xiujun, Gao Shizhu, Ye Peipei, et al. Effect of waterborne epoxy resin on adhesion of SBR modified emulsified asphalt to aggregate[J]. Journal of Materials Science and Engineering, 2022, 40(1): 116-122.

[33] 李昀泽. 大孔隙聚氨酯混合料水稳定性改善研究[D]. 北京: 北京建筑大学, 2021.

[34] Li Yunze. Improvement of water stability of macroporous polyurethane mixture[D]. Beijing: Beijing University of Civil Engineering and Architecture, 2021.

[35] 杨世华. 基于聚氨酯‒矿料黏附特性的高韧性降噪混合料开发[D]. 济南: 山东交通学院, 2025.

[36] Yang Shihua. Development of high-toughness noise-reducing mixture based on polyurethane-aggregate adhesion properties[D]. Jinan: Shandong Jiaotong University, 2025.

[37] 汪海年, 许卉, 王江峰, 等. 集料理化特性对沥青-集料界面黏附性能的影响[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2022, 42(3): 52-61.

[38] Wang Hainian, Xu Hui, Wang Jiangfeng, et al. Influence of aggregate physicochemical properties on interfacial adhesion performance of asphalt-aggregate[J]. Journal of Chang’an University (Natural Science Edition), 2022, 42(3): 52-61.

[39] Bhasin A, Little D N, Vasconcelos K L, et al. Surface free energy to identify moisture sensitivity of materials for asphalt mixes[J]. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2007, 2001(1): 37-45.

[40] 王岚, 罗学东, 张琪, 等. 温拌胶粉改性沥青-集料粘附性及其体系水稳定性分析[J]. 材料导报, 2022, 36(8): 119-126.

[41] Wang Lan, Luo Xuedong, Zhang Qi, et al. Analysis of adhesion of warm mix rubber powder modified asphalt aggregates and water stability of the system[J]. Materials Review, 2022, 36(8): 119-126.