CN106769663A - 一种测试沥青材料动态表面能参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试沥青材料动态表面能参数的方法。选取已知表面能参数的四种化学试剂，分别将其缓慢地滴定到沥青膜表面；在趋向下滑但处于静止的极限附近记录此时的前进接触角、后退接触角。根据沥青表面能参数，求解前进、后退过程中沥青的内聚能大小，再结合集料的表面能参数，求解前进、后退过程中沥青与集料的粘附能大小；利用前进过程的表面能评价沥青混合料的愈合性能和水稳定性能，后退过程的表面能评价沥青混合料的开裂性能，量化粘附性能，优选道路材料。本发明提出采用静滴倾斜的方法测试沥青的动态表面能参数，并将其对应沥青混合料的愈合、开裂及水稳定性能，其无论从测试方法的合理性、误差控制还是试验操作上较现有试验方法具有一定的优势。

Description

一种测试沥青材料动态表面能参数的方法

技术领域

属于道路工程领域，具体涉及一种测试沥青材料动态表面能参数的方法。

背景技术

在道路工程领域中，沥青材料的动态表面能参数对准确量化沥青与集料界面的粘附性能、研究沥青混合料开裂机理等具有重要的意义。通过表面能试验测试沥青材料的动态表面能参数，可计算得到沥青自身的内聚能以及它和集料间的粘附能，进一步比较分析可衡量并评价沥青混合料的愈合、开裂及水稳定性能等。

沥青材料动态表面能参数分为两类：(1)对应前进过程的表面能参数；(2)对应后退过程的表面能参数。已被证实：前进过程能够较好地模拟沥青与集料结合的过程，可用于评价沥青混合料的愈合性能；后退过程可以较好地模拟沥青和集料剥离的过程，可用于评价沥青混合料的抗开裂性能。因此针对前进、后退两个不同的过程，试验时可分别得到两套不同的表面能参数。就现阶段而言，普遍采用的沥青动态表面能测试方法是插板法，它的基本原理通过沥青膜浸入与撤出测试试剂分别测试得到前进与后退接触角，通过Young-Dupre方程求解得到对应前进与后退过程的接触角。但是这一试验方法存在着缺陷与不足，主要概括如下：

(1)在插板法中，后退过程测试的接触角及其对应的表面能并不可靠：沥青在撤出试剂时表面会裹覆一层液体膜，液体膜产生的扩张压力会导致沥青表面特性发生改变，从而造成明显的滞后效应并影响到后退接触角大小。因此，液体膜压力的存在将会影响插板法试验结果的准确性，此时插板法得到的沥青表面能并非对应沥青真实的表面能；

(2)插板法测试过程中需要人为测试沥青涂膜玻片的宽度和厚度，该步骤容易受肉眼观察主观判断等因素影响试验结果的准确性；

(3)插板法测试沥青-试剂接触角的方式是间接性的，它需要借助沥青膜的受力图形计算接触角，而在换算接触角的过程中将存在着计算误差。

发明内容

本发明目的在于克服插板法的不足，提供一种新的沥青材料动态表面能参数的测试方法，该测试方法可直接测试沥青-试剂的接触角大小，避免测量沥青膜尺寸造成的试验误差，同时还可减小液体膜压力对表面能结果的影响。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

测试沥青材料动态表面能参数的方法，包括以下步骤：

1)将沥青加热至流动状态，均匀涂膜到洁净的玻片上，制备成沥青涂膜玻片，置于20℃的干燥箱中养生24h～72h；

2)相对于水平线倾斜30°放置在光学接触角仪内部，调整窗口在显示屏上显示沥青膜的表面；

3)选取已知表面能参数的四种化学试剂，分别将其缓慢地滴定到沥青膜表面；滴定试剂的体积增加使得沥青膜上的液滴会趋向缓慢的下滑状态，在趋向下滑但处于静止的极限附近记录此时的临界滴定体积，使用曲线拟合液滴的外部轮廓，使用直线拟合液滴的下滑轨迹，然后采用角度工具测量出液滴边缘的两条切线与下滑直线的夹角，这两个夹角即为沥青与试剂的接触角；其中，处于斜面下方位置的接触角为前进接触角，处于斜面上方位置的接触角为后退接触角；

4)建立沥青材料分别与四种试剂的接触角θ、试剂的内聚能以及沥青与试剂的粘附能之间的平衡方程：

其中：γ_L,分别为试剂的表面能总量、表面能非极性分量、极性酸分量、极性碱分量，单位ergs/cm²；分别为沥青材料的表面能非极性分量、极性酸分量、极性碱分量，单位ergs/cm²；θ为沥青与试剂的接触角；

分别将前进、后退接触角和所对应化学试剂的表面能参数代入方程，联立方程组求解得到前进过程和后退过程中沥青的表面能非极性分量极性酸分量极性碱分量

5)根据沥青表面能参数，求解前进、后退过程中沥青的内聚能大小，再结合集料的表面能参数，求解前进、后退过程中沥青与集料的粘附能大小；进一步利用前进过程的表面能评价沥青混合料的愈合性能和水稳定性能，后退过程的表面能评价沥青混合料的开裂性能，量化粘附性能，优选道路材料。

本发明提出采用静滴倾斜的方法测试沥青的动态表面能参数，并将其对应沥青混合料的愈合、开裂及水稳定性能，其无论从测试方法的合理性、误差控制还是试验操作上较现有试验方法具有一定的优势，相对于现有技术本发明有益效果如下：

采用直接拟合和测量而非间接计算的方式来获取接触角大小，减小了换算误差，同时，采用滴定化学试剂的方式避免了液体膜压力对接触角大小的影响，防止滞后效应产生试验误差，提高了结果的准确性；

基于光学原理测量沥青-试剂形成的接触角，使得试验过程中不需要人为测定沥青涂膜玻片的宽度和厚度，避免了主观因素对表面能参数结果的影响；

相比于插板法测试沥青动态表面能参数，该方法操作方便，步骤简单，且没有沥青膜的测量过程和繁琐的接触角计算过程，因此接触角结果重复性较好，说明该方法具备较强的实用性。

附图说明

图1：采用静滴倾斜法进行沥青材料表面能参数测试的原理示意图。

其中，1-沥青膜；2-前进接触角；3-化学试剂液滴；4-滴定工具；5-后退接触角；6-洁净的玻片；7-成像系统；8-玻璃板斜槽。

具体实施方式

为了明确这种沥青材料动态表面能的测试方法，下面以一个典型的测试为例，具体介绍本发明的实施方式：

(1)准备沥青材料样品和化学试剂

选取5种来源不同的沥青作为沥青材料样品，将它们编号后置于冷藏室保存。选取蒸馏水、甲酰胺、丙三醇(甘油)和乙二醇作为液体化学试剂，将它们分别存放于小铝盒中，然后冷藏保存，20℃时4种试剂的表面能参数如表1所示。

表1液体化学试剂的表面能参数(20℃)

(2)沥青涂膜玻片的制备

设置烘箱的加热温度(基质沥青温度设定为145℃，SBS改性沥青温度设定为155℃)，将沥青样品放置到烘箱里，每隔20min使用搅拌棒将沥青搅拌一次以保证沥青受热均匀。待沥青呈现流动态时，将样品从烘箱中取出，放置到加热板上，用搅拌棒不断搅拌沥青直至它达到完全的流动状态。此时在实验台上准备好洁净玻片、蒸馏水、丙酮试剂、丙烷打火器和无绒擦拭纸，使用丙酮试剂清洗玻片的正反两面，清除玻片表面的污渍。然后立即用蒸馏水清洗玻片以消除残留的丙酮，用无绒擦拭纸擦干玻片表面。轻旋丙烷打火器的开关，将洗净擦拭后的玻片迅速放置在打火器的外焰上来回三次，以除去玻片上的水分。

将洁净干燥的玻片迅速插入加热状态的沥青大约25mm，然后迅速取出玻片并垂直翻转，使玻片倒转过来。此时可以看到沥青沿玻片表面自由流动，用事先准备好的无绒擦拭纸夹住玻片中部，防止沥青继续下流。观察玻片两面是否涂膜均匀以及表面是否存在杂质或气泡，若玻片呈均匀状态则将玻片垂直插到泡沫板上，若玻片表面不均匀则将该玻片丢弃作废。然后将插有玻片的泡沫板放置到干燥器中密封，将干燥器放入恒温恒湿箱里，设定温度为20℃，养生时间为24h～72h。

(3)测试沥青材料的表面能参数

采用静滴倾斜的方法进行沥青材料表面能参数测试的原理示意图如附图1所示。1为涂膜到洁净玻片上的沥青膜；2为沥青膜与液体化学试剂形成的前进接触角；3为滴定到沥青膜表面的化学试剂液滴；4为滴定工具包括滴定管和滴定针头；5为沥青膜与液体化学试剂形成的后退接触角；6为洁净的玻片；7为成像系统，用于清晰地呈现沥青-试剂的接触角状态；8为用于盛放沥青涂膜玻片的玻璃板斜槽。

开启光学接触角仪，将温度感应器插入到测试腔内，但不宜插入过深，同时开启水浴设备控制仪器腔体内温度为20℃。将沥青涂膜玻片倾斜30°放置在自制的玻璃斜槽上，再将玻璃槽放入仪器测试腔，开启显示屏，将成像窗口打开，手动调整使窗口呈现清楚的成像状态。

如果采用仪器滴定，则需要在滴定系统中选取对应的液体试剂，先调大试剂的释放速度，然后释放液滴，直至针头有液滴冒出后停止释放，并用纸巾轻轻擦拭掉针头的液滴，这样操作的目的是使滴定管在滴定之前处于充满液体的状态以减小试验误差。开始测试时，调整针头位置使得针头对准沥青膜的均匀部位，降低针头逼近沥青膜但不能使它们相互接触。然后选取较缓的滴定速度(5微升/分钟)释放液滴(如果因液体化学试剂粘稠度较高而必须采用人工滴定时，则滴定速率需要控制到人眼能够清楚辨别液滴从针头到沥青膜的过程)，随着液体在沥青膜上的累积，接触角会逐渐形成。当滴定的体积量使沥青膜表面的液体呈现明显的接触角且液滴呈现下滑的趋势时，确定该滴定的体积量为临界状态的体积量。在液滴达到临界状态后停止滴定，并使用曲线拟合液滴的外部轮廓，使用直线拟合液滴的下滑轨迹，然后采用角度工具测量出液滴边缘的两条切线与下滑直线的夹角，即为沥青-试剂的接触角。

每种液体化学试剂使用5片沥青涂膜玻片测试，然后将得到的接触角数据取平均值作为试验结果。其中，前进过程和后退过程中的接触角测试结果如表2和表3所示，可以看出，所有计算结果的变异系数CV(％)均小于5％，说明试验的可重复性非常好。且该接触角未受到液体膜压力的影响，因此结果的准确性将会更高。

表2前进过程中所测的接触角(单位：°)

表3后退过程中所测的接触角(单位：°)

(4)处理试验数据，汇总计算结果

本试验中采用了4种液体试剂，结合试剂已知的三个表面能基本参数(分别用 表示)，可运用vOGC(van Oss-Good-Chaudhury)组合公式形成超静定方程组。采用规划求解的方法，以误差之和达到最小为目标，可求解出沥青样品的三个表面能基本参数(分别用表示)。具体求解思路如下所示：

其中i取1～4，分别代表4种已知表面能参数的液体试剂。

令 将公式(1)整理为矩阵形式Mx＝n：

建立矩阵形式的Young-Dupre方程，如公式(2)所示：

借助Excel软件的规划求解功能计算x＝M^-1n，即可解算前进过程及后退过程中沥青材料的表面能参数。

表面能计算结果如表4和表5所示。由于开裂速率与后退过程的内聚能呈负相关关系，短期愈合速率与前进过程的内聚能色散分量呈负相关关系，长期愈合速率与前进过程的内聚能酸碱分量呈正相关关系，因此可以通过沥青样品的内聚能来反映它们性能的好坏，内聚能结果如表6所示，沥青性能的排序如表7所示，从表中可看出3号和1号样品的愈合性能相对较好，2号和5号样品的抗开裂性能相对较好。

表4前进过程计算的沥青表面能参数(单位：ergs/cm²)

沥青编号	γLW	γ+	γ-	γAB	γ
						1	7.00	4.65	1.04	4.40	11.40
2	8.47	4.15	0.26	2.08	10.54
						3	6.26	2.52	3.01	5.51	11.78
4	12.11	2.12	1.14	3.11	15.23
						5	9.90	2.58	1.33	3.71	13.61

表5后退过程计算的沥青表面能参数(单位：ergs/cm²)

编号	γLW	γ+	γ-	γAB	γ
						1	15.31	4.44	19.69	18.70	34.01
2	14.12	7.83	32.17	31.75	45.87
						3	16.93	4.22	24.85	20.49	37.42
4	16.52	4.04	22.23	18.96	35.48
						5	24.60	2.85	20.74	15.37	39.97

表6沥青材料的内聚能(单位：ergs/cm²)

表7沥青样品性能的排序

Claims (1)

1.测试沥青材料动态表面能参数的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将沥青加热至流动状态，均匀涂膜到洁净的玻片上，制备成沥青涂膜玻片，置于20℃的干燥箱中养生24h～72h；

2)相对于水平线倾斜30°放置在光学接触角仪内部，调整窗口在显示屏上显示沥青膜的表面；

3)选取已知表面能参数的四种化学试剂，分别将其缓慢地滴定到沥青膜表面；滴定试剂的体积增加使得沥青膜上的液滴会趋向缓慢的下滑状态，在趋向下滑但处于静止的极限附近记录此时的临界滴定体积，使用曲线拟合液滴的外部轮廓，使用直线拟合液滴的下滑轨迹，然后采用角度工具测量出液滴边缘的两条切线与下滑直线的夹角，这两个夹角即为沥青与试剂的接触角；其中，处于斜面下方位置的接触角为前进接触角，处于斜面上方位置的接触角为后退接触角；

4)建立沥青材料分别与四种试剂的接触角θ、试剂的内聚能以及沥青与试剂的粘附能之间的平衡方程：

$(1+cos\mathrm{\θ}){\mathrm{\γ}}_L=2\sqrt{{\mathrm{\γ}}_S^{LW}{\mathrm{\γ}}_L^{LW}}+2\sqrt{{\mathrm{\γ}}_S^{+}{\mathrm{\γ}}_L^{-}}+2\sqrt{{\mathrm{\γ}}_S^{-}{\mathrm{\γ}}_L^{+}}$

其中：γ_L,分别为试剂的表面能总量、表面能非极性分量、极性酸分量、极性碱分量，单位ergs/cm²；分别为沥青材料的表面能非极性分量、极性酸分量、极性碱分量，单位ergs/cm²；θ为沥青与试剂的接触角；

分别将前进、后退接触角和所对应化学试剂的表面能参数代入方程，联立方程组求解得到前进过程和后退过程中沥青的表面能非极性分量极性酸分量极性碱分量

5)根据沥青表面能参数，求解前进、后退过程中沥青的内聚能大小，再结合集料的表面能参数，求解前进、后退过程中沥青与集料的粘附能大小；进一步利用前进过程的表面能评价沥青混合料的愈合性能和水稳定性能，后退过程的表面能评价沥青混合料的开裂性能，量化粘附性能，优选道路材料。