CN103558124A

CN103558124A - 一种沥青材料表面能的测试方法

Info

Publication number: CN103558124A
Application number: CN201310530564.1A
Authority: CN
Inventors: 李立寒; 孙瑜
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明涉及一种沥青材料表面能的测试方法，包括以下步骤：A、准备测试所用的玻璃片；B、制备沥青试样；C、进行测试溶液的选择与校验，校验合格后才能进行后续测试；D、打开测试软件，调节样品台开始进行测试并记录测试数据，计算出接触角值。测试前对试样的处理条件为保温处理温度120℃、保温处理时间2h，25℃条件下养生时间2d，测试过程中的测试时间控制在20~60s之间。本发明所采用的测试方法前期准备过程简单，测试条件容易控制，测试用时较短，数据处理较为简单，测试的变异系数低，数据再现性较好。本发明为准确获取沥青材料的表面能参数奠定了试验基础。

Description

一种沥青材料表面能的测试方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，具体涉及一种沥青材料表面能的测试方法。

背景技术

随着沥青路面的普及，许多工程实例证明了沥青路面的水损坏会严重降低路面使用性能。目前的评价方法与指标均是从宏观层面来判断沥青混合料的水稳定性好坏，而很少从水的作用机理、影响因素及水稳定性改善措施与机理对沥青混合料水损坏过程进行研究。针对此问题，国外学者通过不断探索，发现采用表面能理论及测试方法来研究沥青混合料的水稳定性具有很好的效果。目前，国内对沥青路面水损坏问题的研究主要集中于沥青与集料粘附性和混合料水稳定性宏观测试方法与指标的探索，在微观方面对沥青混合料的水稳定性进行分析还缺少相应的测试方法与评价指标。而基于表面能理论及其测试方法，运用粘附剥落模型和评价指标，则可以从细观角度探究沥青混合料粘附剥落特性，从而分析沥青混合料水稳定性能，可以为沥青混合料水损坏问题的研究提供基础依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沥青材料表面能的测试方法，该测试方法具有测试操作简单，测试结果精确可信，评价指标力学意义明确等特点。

本发明提出的沥青材料表面能的测试方法，具体步骤如下：

（1）、准备测试所用的玻璃片，放入事先准备好的酒精溶液中浸泡20~28小时后取出；

（2）、将步骤（1）所得的玻璃片用清水冲洗后再放入蒸馏水中浸泡20~28小时；

（3）、取出步骤（2）所得的玻璃片，用纱布或擦镜纸将玻璃片上的水擦拭干净，悬挂于挂钩上，备用；

（4）、玻璃片准备完毕后，进行沥青玻璃片样品制作；先将待测沥青试样加热至融化状态，把步骤（3）所得的玻璃片浸入到沥青样品中1~3s，浸入深度为10~15mm；

（5）、取出步骤（4）所得的玻璃片，悬挂于挂钩上冷却至25℃后，再放入120℃烘箱中保温处置2h，前1h正挂使得所蘸多余沥青滴落，后1h倒置使得沥青在玻璃片上形成均匀薄层沥青膜；

（6）、取出步骤（5）所得样品放置在干燥室中冷却，在25℃条件下养生2d，以备后续测试使用，为准备完毕后沥青玻璃吊片状样品；

（7）、待测试沥青玻璃吊片状样品准备完毕后，进行测试溶液选择与校验；测试所用仪器为表面张力仪；选取蒸馏水、乙二醇和甲酰胺溶液作为已知表面能测试液体，测试前需对所述三种液体表面能进行校验，校验合格后才能进行后续测试；校验时用白金板代替待测试沥青玻璃吊片状样品；

（8）、打开测试软件，调节样品台开始进行测试，控制测试温度为25±1℃，测试时间为20~60s；测试中每种液体测试需用3个平行试样，共计9个；待所有液体测试完后，记录测试数据，根据Wilhelmy吊片法的测试原理即可求得液体与沥青的接触角。

本发明中，步骤(1)所述玻璃片尺寸为长50mm，宽24mm，厚0.15mm。

本发明中，步骤(7)所述表面张力仪为美国科诺有限公司研发的A201型全自动表面张力仪。

本发明中，步骤（8）中所述Wilhelmy吊片法测试原平衡方程如下式（1）：

（1）

式中：

为液体表面张力，F表示平衡力，θ为液体与沥青玻璃片样品的接触角，L为沥青玻璃片样品的横截面周长，s为样品横截面面积，h为样品浸入的深度，ρ为液体的密度，g为重力加速度；

式中F由重力传感器测得，ρ、s、h由仪器自身感应器测得，并传输到测试软件CPU中，通过一系列计算后，在计算机软件上显示出的值为γcosθ；使用白金板进行测试时，液体完全润湿白金板，cosθ默认值为1，计算机软件读数即为液体的表面能值γ。当用沥青玻璃片样品代替白金板进行测试，计算机显示值为γcosθ₁，用γcosθ₁除以γcosθ即可求得液体与沥青的接触角θ₁。

本发明所采用的测试方法前期准备过程简单，测试条件容易控制，测试用时较短，数据处理较为简单，测试的变异系数低，数据再现性较好。本发明为准确获取沥青材料的表面能参数奠定了试验基础。

附图说明

图1为测试用沥青玻璃吊片状样品。

图2 Wilhelmy吊片法沥青表面能测试原理图。

图3 三种液体和沥青的接触角与测试时间关系图。

图4 沥青-甲酰胺接触角随测试时间变化趋势图。

具体实施方式

实施例1：

1、准备测试所用玻璃片，尺寸为长50mm，宽24mm，厚0.15mm。放入事先准备好的酒精溶液（乙醇含量≥95%）中浸泡1d后取出。

2、将取出的玻璃片用清水冲洗后再放入蒸馏水中浸泡1d，以保证玻璃片上的活性离子完全清除。

3、取出玻璃片，用纱布或者擦镜纸将玻璃片上的水擦拭干净，悬挂于挂钩上，以备后用。注意擦拭过程中手指不要接触玻璃片，以免留下指纹。

4、玻璃片准备完毕后，进行沥青玻璃片样品制作。先将待测沥青试样加热至融化状态，把玻璃片浸入到沥青样品中1~3s，浸入深度为10~15mm，保证玻璃板充分接触沥青样品。

5、取出玻璃片，悬挂于挂钩上冷却至室温后，再放入120℃烘箱中保温处置2h，前1h正挂使得所蘸多余沥青滴落，后1h倒置使得沥青在玻璃片上形成均匀薄层沥青膜。

沥青表面能测试样品制备过程中，120℃烘箱中保温处置2h，是根据以下测试方法及结果探索得到。

测试分别选择了100℃、120℃、140℃ 3个温度处理沥青玻璃板样品，处理时间取1h、2h、3h，其中一半时间将试件正放保温，另一半时间倒置保温。试件处理完后在室温下养生1d，再进行沥青表面能测试测试，测试结果见表1。

观察表中保温温度与保温时间分别在100℃-3h、120℃-2h、140℃-1h条件下，液体与沥青表面的接触角值发现，同种液体在这三种条件的接触角数值非常接近。这一结果表明这三种条件下制备的沥青玻璃片样品相近。根据Cheng和Bhasin对Wilhelmy吊片测试的研究成果，沥青膜厚度在0.15~0.37mm范围内，测试结果稳定。对上述处理条件下沥青玻璃片样品的沥青膜厚度进行计算，数据见表2。

从表2中数据可以看出，100℃-3h、120℃-2h、140℃-1h处理条件下沥青膜的厚度均为0.33mm，在0.15~0.37mm之间。可见100℃-3h、120℃-2h、140℃-1h三种保温处理条件均可用，因此本发明的表面能测试均选择120℃-2h条件处理试件。

6、取出样品放置在干燥室中冷却，在25℃条件下养生2d，以备后续测试使用。

沥青表面能测试过程中，样品准备完毕后需进行室内养生，保证测试样品与周围环境统一性。但养生时间的长短可能会对沥青表面能测试结果有所影响。本发明中养生时间2d是根据以下测试及结果得到。

测试对样品进行养生时长为7d的室内养生，养生温度为25℃。表3为不同养生时间条件下测试液体与沥青的接触角测试结果。

从表3可以看出，随着沥青玻璃片样品室内养生时间的延长，测试液体与沥青表面的接触角会发生变化，其主要原因是室内养生条件控制不够严密，随着养生时间延长，沥青样品与外界环境接触时间增长，导致表面活性变化，使的沥青表面能测试结果误差变大。为保证测试结果的准确性，本发明建议沥青表面能测试样品室内养生时间为2d。

7、测试样品准备完毕后，进行测试溶液选择与校验。选取蒸馏水、乙二醇、甲酰胺溶液作为已知表面能测试液体，测试前需对这三种液体表面能进行校验，校验合格后才能进行后续测试。校验时用白金板代替样品。

8、打开测试软件，调节样品台开始进行测试。测试温度为25±1℃，测试过程中测试时间控制在20~60s之间。测试中每种液体测试需用3个平行试样，共计9个。待所有液体测试完后，记录测试数据，计算出接触角值。

沥青表面接触角测试过程中，液体润湿沥青需要一定的时间，即测试时间。测试过程中若测试时间太短，液体不能较好地润湿沥青表面；若测试时间太长，有机测试溶液会溶解沥青，影响测试结果。因此测试过程中，需严格控制测试时间。图3为三种液体和沥青的接触角值与测试测试时间关系图。

从图3可以看出，三种液体与沥青的接触角随着测试时间的增加，接触角值逐渐减小，经过一定时间浸润后，液体在沥青表面的接触角基本上达到稳定。蒸馏水、甲酰胺与沥青表面浸润时间比乙二醇较长，大概需10~20s时间达到稳定，乙二醇则只需要3~5s时间浸润过程基本完成。原因可能是由于蒸馏水和甲酰胺分子属于极性分子，与沥青表面接触时，会发生极性反应如氢键结合等，使得分子间作用达到稳定所用时间延长；而乙二醇是非极性分子，其与沥青界面浸润接触主要是依靠彼此间的范德华力中的色散力作用，达到稳定所需时间较短。因此，表面能测试测试时间应大于10~20s。

进一步对沥青-甲酰胺接触角值进行测试发现（见图4），随着测试时间的延长，甲酰胺在沥青表面的浸润角度逐渐变大，润湿效果变差。原因是由于沥青长时间与甲酰胺接触，有部分沥青成分逐渐溶解，最终影响测试液体在沥青表面的浸润角值。故在测试测试过程中应严格控制测试时间，建议测试时间控制在20~60s之间。

为了明确一种沥青材料表面能的测试方法，现结合一个典型的测试加以说明。

沥青材料选择中石化70#基质沥青，其基本性能指标见表4，测试液体为蒸馏水、乙二醇及甲酰胺。

不同液体的表面能与其在固体表面的接触角余弦值之积γ_lcosθ与液体的表面能γ_l存在良好的线性关系，用这一关系来对测试结果进行有效性验证。对上述沥青材料采用本发明的方法进行表面能测试，得到测试液体与该沥青的接触角值及数据有效性检验结果见表5。

表面能测试所得测试结果只是已知液体与沥青表面的接触角值，需进一步计算才能得到沥青的表面能参数。

根据表面物理化学，液体或固体的表面能γ可以表示为范德华力作用参数γ^LW和酸碱极性作用参数γ^AB之和，酸碱极性作用γ^AB可表示为酸基参数γ⁺和碱基参数γ^-，具体关系见式（2）：

γ=γ^LW+γ^AB ；

（2）

式中：γ^LW表示分子间范德华力（取向力，诱导力，色散力）作用；γ^AB表示Lewis酸碱力（离子键，共价键）作用；γ⁺ 和γ^-分别为电子受体，电子供体。

根据液固润湿特性，有机溶液与沥青的表面能参数满足以下关系式（3）：

（3）

式中：

为液体的表面能；

、

分别为沥青和液体的范德华力分量；

、

为沥青和液体的表面能参数中的酸基；

、

为沥青和液体的表面能参数中的碱基；θ为液体与沥青间的接触角。

查阅文献及测试设备数据资料库获得蒸馏水、乙二醇及甲酰胺表面能参数数据，见表6。

将三种液体的表面能参数及其与沥青的接触角，带入公式（3）得到三组方程，进一步解方程即可得到沥青表面能参数中的，

，

，再将其带入公式（2）即可求得沥青表面能和Lewis酸碱作用力，见表7。

表1 三种已知液体对沥青的接触角值

表2 不同处理条件下沥青玻璃片样品的沥青膜厚度（mm）

表3 不同养生时间沥青与测试液体接触角值

表4 测试用沥青性能指标

表5 测试液体与沥青表面接触角值

表6 25下三种液体表面能参数

液体	γ_l（mJ/m²）	γ^LW（mJ/m²）	γ^AB（mJ/m²）	γ⁺（mJ/m²）	γ^-（mJ/m²）
						蒸馏水	72.8	21.6	51.0	25.5	25.5
乙二醇	48.3	29.3	19.0	1.92	47
						甲酰胺	58.2	39.5	18.7	2.28	39.6

表7 测试沥青表面能参数计算结果

Claims

1.一种沥青材料表面能的测试方法，其特征在于采用参考Wilhelmy吊片法，具体操作步骤如下：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)所述玻璃片尺寸为长50mm，宽24mm，厚0.15mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(7)所述表面张力仪为美国科诺有限公司研发的A201型全自动表面张力仪。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（8）中所述Wilhelmy吊片法测试原平衡方程如下式（1）：

（1）

式中：

式中F由重力传感器测得，ρ、s、h由仪器自身感应器测得，并传输到测试软件CPU中，通过一系列计算后，在计算机软件上显示出的值为γcosθ；使用白金板进行测试时，液体完全润湿白金板，cosθ默认值为1，计算机软件读数即为液体的表面能值γ；当用沥青玻璃片样品代替白金板进行测试，计算机显示值为γcosθ₁，用γcosθ₁除以γcosθ即可求得液体与沥青的接触角θ₁。