CN111855497A - 一种热熔态沥青表面能参数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热熔态沥青表面能参数测试方法，包括以下步骤：步骤S100，获取待测热熔态沥青与3种已知集料之间的接触角；步骤S200，求解线性方程组，获得热熔态沥青的表面能参数。本发明属于沥青混合料参数测定技术领域，本发明的目的在于解决现有技术中缺少研究热熔态沥青表面能参数测试方法的问题。本发明借助表面能理论，较好实现了热熔态沥青表面能参数的获得,填补了研究热熔态沥青表面能参数测试领域的空白。

Description

一种热熔态沥青表面能参数测试方法

技术领域

本发明涉及沥青混合料参数测定技术领域，具体涉及一种热熔态沥青表面能参数测试方法。

背景技术

在现有研究中用于沥青、集料表面能参数测试的方法主要有接触角法、吸附法、原子力显微镜法(AFM)、核磁共振法(NMR)，其中应用最广泛的为接触角法，根据获取接触角方法的不同又可分为躺滴法、Wilhelmy吊板法、柱状灯芯法。而NMR法与AFM法均为近期出现的比较新颖的表界面科学测试手段，由于AFM法需要根据测试需求进行特殊修饰或者定制测试探针，且设备昂贵，从而增加了测试成本，NMR法测试周期往往长达数周，并且这两种方法对测试人员要求较高，因而均未得到广泛应用。

目前，关于表面能理论应用于沥青混合料领域方面的研究往往忽略了热拌沥青混合料中沥青与集料发生粘附与剥落过程所处状态的差异，仅测试常温固态沥青的表面能参数；借助表面能理论，对热拌沥青混合料的常规工艺进行优化，因而热熔态沥青表面能参数的测试就显得尤为关键；常规的躺滴法通常适用于测试固态沥青的表面能参数，很少有研究热熔态沥青表面能参数测试。

发明内容

为此，本发明提供一种热熔态沥青表面能参数测试方法，以解决现有技术中缺少研究热熔态沥青表面能参数测试方法的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，一种热熔态沥青表面能参数测试方法，包括以下步骤：

步骤S100，获取待测热熔态沥青与3种已知集料之间的接触角；

步骤S200，求解线性方程组，获得热熔态沥青的表面能参数：

其中，γ_s、γ_l分别表示固体、液体的表面能，单位mJ·m^-2；γ_sl表示固液界面能，单位mJ·m^-2；s表示已知集料；a表示待测热熔态沥青；θ表示待测热熔态沥青与已知集料之间的接触角；1、2、3分别代表三种已知集料。

进一步地，步骤S100中获得待测热熔态沥青与已知集料之间的接触角的具体实验步骤包括：

步骤S110、挑选形状规则的已知表面能参数的粗集料送至石料切割厂，采用水锯的方法对石块进行双面切割，得到表面平整的小石块，控制小石块的厚度值；

步骤S120、将切割后的小石块用清水冲洗后晾干，然后用水砂纸对小石块进行磨光处理，以获得平整光滑的表面；

步骤S130、用蒸馏水浸泡石块5h，随后反复冲洗小石片2-3次，以去除其表面以及微孔隙中的污渍；然后放入175℃的烘箱中烘干5h后取出，并置于干燥的环境下冷却至常温，得到干燥、洁净、表面平整的小石片试样；

步骤S140、将待测沥青加热至热熔态，用注射器吸取8ml的待测沥青，并用抹布将注射吸嘴以及管壁上的沥青擦拭干净；然后在干净、温度控制准确的烘箱中，按照试验所需的温度将沥青试样与已知集料保温2h；

步骤S150、打开接触角仪及其配套的软件系统，调整滴液器针管至合适的位置，使之滴出的液体在高倍相机视野的中央；通过旋转滴液器上部的旋钮，滴出一滴液体在载物台上，随后调节光源亮度、载物台位置以及高倍相机的焦距，使得采集的液体轮廓图像清晰度达到最高；最后，用洁净、干燥的抹布将载物台上的液滴擦拭干净，并将载物台下调；

步骤S160、将待测沥青试样从烘箱中拿出，迅速放置于接触角仪的滴液器处，同时将集料小石片置于载物台上，缓慢推动注射器的活塞柄，将待测沥青滴至集料表面，若液滴轮廓图在高倍相机视野的中央且图形清晰、液滴轮廓明显，则迅速采集图像，否则试验作废，重新开始；

步骤S170、借助配套的软件系统进行固液接触角分析，获取接触角值，取液滴轮廓图的左、右接触角的均值作为每次的试验结果，每种集料进行3次平行试验，取平均值作为最终结果。

进一步地，步骤S110中的小石块的厚度值控制在2mm至4mm之间。

进一步地，步骤S120中的水砂纸的目数为240。

进一步地，步骤S140中的注射器为耐高温玻璃制品。

进一步地，步骤S150中将载物台下调的间距为小石块的厚度值。

进一步地，步骤S160的整个试验过程不超过10s，否则试验作废，重新开始。

进一步地，步骤S170中采取切线法获取接触角值。

进一步地，3种已知集料分别为石灰石、玄武岩以及花岗岩。

进一步地，获得待测热熔态沥青与已知集料之间的接触角的具体实验中的温度梯度为20℃。

本发明具有如下优点：通过本发明的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，填补了研究热熔态沥青表面能参数测试领域的空白，能够快速精准的获得热熔态沥青的表面能参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明一些实施例提供的一种热熔态沥青表面能参数测试方法的剖面流程图。

图2为本发明一些实施例提供的一种热熔态沥青表面能参数测试方法的固态沥青表面能参数测试示意图。

图3为本发明一些实施例提供的一种热熔态沥青表面能参数测试方法的热熔态沥青表面能参数测试示意图。

图4为本发明一些实施例提供的一种热熔态沥青表面能参数测试方法的3种集料与70#沥青之间的接触角(125℃)示意图。

图5为本发明一些实施例提供的一种热熔态沥青表面能参数测试方法的70#沥青与不同集料之间接触角随温度变化示意图。

图6为本发明一些实施例提供的一种热熔态沥青表面能参数测试方法的SBS沥青与不同集料之间接触角随温度变化示意图。

图7为本发明一些实施例提供的一种热熔态沥青表面能参数测试方法的接触角仪基本组成示意图。

图8为本发明一些实施例提供的一种热熔态沥青表面能参数测试方法的θ/2法计算示意图。

图9为本发明一些实施例提供的一种热熔态沥青表面能参数测试方法的柱状灯芯法装置示意图。

图10为本发明一些实施例提供的一种热熔态沥青表面能参数测试方法的吊板法示意图。

图中：1、溶液槽内溶液，2、玻璃管内粉体柱，3、溶液浸渍高度。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例中的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，包括以下步骤：步骤S100，获取待测热熔态沥青与3种已知集料之间的接触角；步骤S200，求解线性方程组，获得热熔态沥青的表面能参数：

其中，γ_s、γ_l分别表示固体、液体的表面能，单位mJ·m^-2；γ_sl表示固液界面能，单位mJ·m^-2；s表示已知集料；a表示待测热熔态沥青；θ表示待测热熔态沥青与已知集料之间的接触角；1、2、3分别代表三种已知集料。

由于上述方程组并非常规的三元一次线性方程组，故相比于固态沥青常规躺滴法的求解方程(三元一次线性方程组)，热熔态沥青的表面能参数求解过程相对复杂，往往需要借助相关数据分析软件，如Matlab等。

本实施例达到的技术效果为：通过本实施例的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，填补了研究热熔态沥青表面能参数测试领域的空白，能够快速精准的获得热熔态沥青的表面能参数。

实施例2

如图1至图3所示，本实施例中的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，包括实施例1中的全部技术特征，除此之外，步骤S100中获得待测热熔态沥青与已知集料之间的接触角的具体实验步骤包括：

步骤S110、获得表面平整的小石片：挑选形状规则的已知表面能参数的粗集料送至石料切割厂，采用水锯的方法对石块进行双面切割，得到表面平整的小石块，控制小石块的厚度值；

步骤S120、对小石片进行磨光处理，获得平整光滑的表面：将切割后的小石块用清水冲洗后晾干，然后用水砂纸对小石块进行磨光处理，以获得平整光滑的表面；

步骤S130、小石片表面清理：用蒸馏水浸泡石块5h，随后反复冲洗小石片2-3次，以去除其表面以及微孔隙中的污渍；然后放入175℃的烘箱中烘干5h后取出，并置于干燥的环境下冷却至常温，得到干燥、洁净、表面平整的小石片试样；

步骤S140、待测沥青试样与已知集料的保温：将待测沥青加热至热熔态，用注射器吸取8ml的待测沥青，并用抹布将注射吸嘴以及管壁上的沥青擦拭干净；然后在干净、温度控制准确的烘箱中，按照试验所需的温度将沥青试样与已知集料保温2h，即试验过程中控制已知集料的温度与待测沥青的温度相等；

步骤S150、调试设备：打开接触角仪及其配套的软件系统，调整滴液器针管至合适的位置，使之滴出的液体在高倍相机视野的中央；通过旋转滴液器上部的旋钮，滴出一滴液体在载物台上，随后调节光源亮度、载物台位置以及高倍相机的焦距，使得采集的液体轮廓图像清晰度达到最高；最后，用洁净、干燥的抹布将载物台上的液滴擦拭干净，并将载物台下调；

步骤S160、开始测试：将待测沥青试样从烘箱中拿出，迅速放置于接触角仪的滴液器处，同时将集料小石片置于载物台上，缓慢推动注射器的活塞柄，将待测沥青滴至集料表面，若液滴轮廓图在高倍相机视野的中央且图形清晰、液滴轮廓明显，则迅速采集图像，否则试验作废，重新开始；

步骤S170、结果分析：借助配套的软件系统进行固液接触角分析，获取接触角值，取液滴轮廓图的左、右接触角的均值作为每次的试验结果，每种集料进行3次平行试验，取平均值作为最终结果。

本实施例的图2和图3示出了不同相态下沥青材料的表面能参数测试方法的基本原理示意图。

实施例3

如图1所示，本实施例中的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，包括实施例1中的全部技术特征，除此之外，步骤S110中的小石块的厚度值控制在2mm至4mm之间；步骤S120中的水砂纸的目数为240；步骤S140中的注射器为耐高温玻璃制品；步骤S150中将载物台下调的间距为小石块的厚度值；为防止沥青试样以及已知集料降温过多，步骤S160的整个试验过程不超过10s，否则试验作废，重新开始；步骤S170中采取切线法获取接触角值；3种已知集料分别为石灰石、玄武岩以及花岗岩；获得待测热熔态沥青与已知集料之间的接触角的具体实验中的温度梯度为20℃。

在一个具体的实施例中的热熔态沥青表面能参数测试结果：确定本试验的温度梯度为20℃，70#基质沥青、SBS改性沥青测试温度区间分别为125-185℃、145-205℃；为防止热熔态沥青与集料降温过多，待液滴稳定后，立即进行图像采集，获取接触角值，从烘箱里拿出沥青试样至试验接触，持续的时间间隔不大于10s；其中125℃时，70#基质沥青与3种集料表面的接触图像采集如图4所示。

得到热熔态沥青与不同集料表面的接触角如表1。

为了更直观地比较，将上述表格中接触角测试结果绘制成柱形图，如图5和图6所示。

由热熔态沥青与不同集料表面的接触角测试结果可知，随着温度的升高，沥青与集料的接触角逐渐减小，说明升高温度，增大热沥青的流动性，有利于改善沥青在集料表面的润湿效果；同一温度下，热熔态沥青与集料表面的接触角大小顺序为：石灰岩<玄武岩<花岗岩，这与3种集料与沥青粘附性好坏的顺序：石灰岩>玄武岩>花岗岩的事实相符。

根据表1中的接触角数据，进一步计算求解，可得不同温度条件下热熔态沥青的表面能参数如表2所示。

根据液体的表面能γ_l与固液接触角θ的余弦的乘积γ_lcosθ和γ_l的线性关系检验表2中测试结果的有效性，即验证不同温度下热熔态沥青的表面能γ_l与特定集料表面接触角余弦的乘积γ_lcosθ与γ_l的线性相关关系R²，结果如表3所示。

由表3中检验结果可知，不同温度下热熔态沥青的表面能γ_l与特定集料表面接触角余弦的乘积γ_lcosθ与γ_l的线性相关关系R²均在0.9以上，说明γ_lcosθ与γ_l的线性相关关系良好，即表3中热熔态沥青表面能参数测试结果较可靠。

为便于理解，以下为集料表面能参数测试方法，具体包括三种。

1、躺滴法(Sessile Drop Method)

接触角法的理论基础为杨氏方程，将其与LW-AB模型中界面能γ_sl的表达式联立，可得：

式中，s表示待测固体；l表示已知液体；其余各符号含义同上文。

常规的接触角法均是通过获取待测固体与已知液体之间的接触角，即将固液体系内的固体视为待测对象。通过增加已知液体的数量，可得线性方程组如下式所示，通过求解线性方程组即可得到待测固体的三个表面能参数。

式中，1、2、3分别代表三种已知液体；其余各符号含义同上文。

美国NCHRP研究报告中给出了5种适用于测试沥青、集料表面能参数的已知液体，液体名称及其表面能参数如下表4所示。

液体名称	γ<sup>LW</sup>/mJ·m<sup>-2</sup>	γ<sup>+</sup>/mJ·m<sup>-2</sup>	γ-/mJ·m<sup>-2</sup>	γ/mJ·m<sup>-2</sup>
					蒸馏水	21.8	25.5	25.5	72.8
二碘甲烷	50.8	0	0	50.8
					乙二醇	29	1.92	47	48
甲酰胺	39	2.28	39.6	58
					甘油	34	3.92	57.4	64

躺滴法是一种基于光学影像分析的测量方法，可直接测量介于液滴基线和液-固-气三相接触点处的液-气界面切线间的接触角，是最直接的接触角法。影像分析基本原理是滴出一定体积的液体于固体表面，通过影像分析技术，测量或计算出不同液体在固体表面的接触角值。其测量仪器基本组成包括光源、样品台、镜头、图像采集系统、进样系统，如图7所示。

该方法基于两个基本假设：液滴为中心垂直对称，即从任何角度观察，该液滴的形状都是相同的；液滴在固体表面润湿的形状仅与界面张力和液滴重力相关。其固液接触角计算方法通常可分为θ/2法(量高法)与切线法两种。θ/2法计算示意图如图8所示，认为由于液体表面分子和固体表面分子间的相互作用，液体会形成1个弧形球冠。借助影像分析系统，并结合相关辅助软件，得到圆球冠轮廓的直径2r以及高度h，再运用图8所列公式即可得出接触角θ。

切线法则是通过接触角仪配套的软件系统，在固-液-气三相接触点处绘制液滴轮廓的切线，然后软件自动计算出左右接触角值，取其平均值作为接触角的测试结果。该法并没有对液滴轮廓的形状做任何假设，实际上液体在固体的轮廓往往是椭球面，并不是标准的圆球面。而θ/2法假设液滴在固体表面的轮廓为弧形球冠，与事实情况显然不符，使得测量结果存在较大偏差。

2、柱状灯芯法(ColumnWicking Method)

柱状灯芯法又称毛细管上升法，适用于细小固体颗粒的表面能参数的测试，其理论基础为Washburn浸渍方程，如下式所示：

式中，h为浸渍高度，单位：mm；t为浸渍时间，单位：s；γ为浸渍液体的表面张力，单位：mN.m^-1；η为浸渍液体的粘度，单位：mPa.s；R为毛细管半径，单位：mm；θ为液体与固体颗粒材料间的接触角。

柱状灯芯法作为接触角法的一种，是通过分析已知液体在待测固体颗粒间浸渍过程中浸渍高度随时间的变化规律，得到不同液体与待测固体的接触角θ，进而求解形如躺滴法中的第二个线性方程组，即可得到待测固体的各个表面能分量，其试验装置如图9所示。

该方法成本低、易操作以及理论基础简单，在目前的研究中得到一定的应用。常用于测量细集料和矿粉等粉体颗粒的表面能参数，也有研究通过将粗集料击碎，过筛获取0.3-0.6mm粒径范围集料，将其应用于粗集料的表面能参数的测试；当使用低表面能的溶液时，由于溶液完全浸润矿料，溶液与矿料之间的接触角为0°，即cosθ＝1，由此可计算得到不同固体颗粒形成的毛细管有效半径R，其中表面张力γ与液体粘度η均可通过查阅化学手册或者文献资料获得。

3、吸附法(USD、IGC)

吸附法是常用的集料表面能参数的测试方法，主要包括万能吸附法(UniversalSorption Device，USD)、反气相色谱法(Inverse Gas Chromatography，IGC)。USD法是一种静态吸附法，通过磁悬浮天平精确测量由于集料的吸附作用而导致的体系质量变化，得到不同压强下集料吸收的气体质量、压强等温线、集料比表面积、饱和蒸汽压下的扩张压力，经计算得到某种液体与固体的粘附功，进而得到该固体的表面能参数。而IGC法则是一种动态吸附技术。每种溶质都在色谱柱中与某一种物体(固态相)有着不同的交互，这就导致惰性气体携带的不同的溶质需要不同的时间穿过色谱柱，惰性气体携带已知特性的溶质或者是示踪分子通过充满待研究材料的管道时，通过溶质的保存时间能够得到待研究材料的热力学特性。静态吸附USD技术测量某些材料表面能时，试验周期相当长，可能需要长达数天的时间。相比之下，动态吸附IGC技术，克服了USD法试验周期长的缺点，而且IGC试验不需要获得真空环境。因此，IGC法因其简单快速的特点在固体材料表面能参数的测试中得到一定的应用。

另外，固态沥青的表面能参数测试方法仍以接触角法为主，其中应用最多的为躺滴法与Wilhelmy吊板法，关于躺滴法的基本原理与方法上一小节集料的表面能参数测试方法中已有介绍，此处不再赘述，本小节重点介绍Wilhelmy吊板法获取固态沥青表面能参数的基本原理与方法。吊片法同样通过测量待测固体与几种已知表面能参数的液体之间的接触角，得到待测固体的表面能参数。其测试大致过程为：将固体试样制成吊片状，以沥青为例，将热熔态的沥青材料均匀涂抹在玻璃片或铝片上，冷却至室温。吊片的一端悬挂于连接重力传感器的吊钩上，另一端慢慢浸入已知表面能参数的测试液体中，当试样达到平衡状态时，其与测试液体的接触角为定值，具体如图10及下式所示。

γcosθ＝(F+shρg)/L

式中，γ为已知液体表面张力，单位：mN·m^-1；F为平衡力，单位：mN；L为沥青玻璃片样品的横截面周长，单位：m；s为样品横截面面积，单位：m²；h为样品浸入深度，单位：m；ρ为液体密度，单位：kg·m^-3；g为重力加速度，单位：m·s^-2。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (10)

1.一种热熔态沥青表面能参数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100，获取待测热熔态沥青与3种已知集料之间的接触角；

步骤S200，求解线性方程组，获得热熔态沥青的表面能参数：

其中，γ_s、γ_l分别表示固体、液体的表面能，单位mJ·m^-2；γ_sl表示固液界面能，单位mJ·m^-2；s表示已知集料；a表示待测热熔态沥青；θ表示待测热熔态沥青与已知集料之间的接触角；1、2、3分别代表三种已知集料。

2.根据权利要求1所述的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，其特征在于，步骤S100中获得待测热熔态沥青与已知集料之间的接触角的具体实验步骤包括：

步骤S110、挑选形状规则的已知表面能参数的粗集料送至石料切割厂，采用水锯的方法对石块进行双面切割，得到表面平整的小石块，控制小石块的厚度值；

步骤S120、将切割后的小石块用清水冲洗后晾干，然后用水砂纸对小石块进行磨光处理，以获得平整光滑的表面；

步骤S130、用蒸馏水浸泡石块5h，随后反复冲洗小石片2-3次，以去除其表面以及微孔隙中的污渍；然后放入175℃的烘箱中烘干5h后取出，并置于干燥的环境下冷却至常温，得到干燥、洁净、表面平整的小石片试样；

步骤S140、将待测沥青加热至热熔态，用注射器吸取8ml的待测沥青，并用抹布将注射吸嘴以及管壁上的沥青擦拭干净；然后在干净、温度控制准确的烘箱中，按照试验所需的温度将沥青试样与已知集料保温2h；

步骤S150、打开接触角仪及其配套的软件系统，调整滴液器针管至合适的位置，使之滴出的液体在高倍相机视野的中央；通过旋转滴液器上部的旋钮，滴出一滴液体在载物台上，随后调节光源亮度、载物台位置以及高倍相机的焦距，使得采集的液体轮廓图像清晰度达到最高；最后，用洁净、干燥的抹布将载物台上的液滴擦拭干净，并将载物台下调；

步骤S160、将待测沥青试样从烘箱中拿出，迅速放置于接触角仪的滴液器处，同时将集料小石片置于载物台上，缓慢推动注射器的活塞柄，将待测沥青滴至集料表面，若液滴轮廓图在高倍相机视野的中央且图形清晰、液滴轮廓明显，则迅速采集图像，否则试验作废，重新开始；

步骤S170、借助配套的软件系统进行固液接触角分析，获取接触角值，取液滴轮廓图的左、右接触角的均值作为每次的试验结果，每种集料进行3次平行试验，取平均值作为最终结果。

3.根据权利要求2所述的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，其特征在于，步骤S110中的小石块的厚度值控制在2mm至4mm之间。

4.根据权利要求2所述的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，其特征在于，步骤S120中的水砂纸的目数为240。

5.根据权利要求2所述的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，其特征在于，步骤S140中的注射器为耐高温玻璃制品。

6.根据权利要求2所述的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，其特征在于，步骤S150中将载物台下调的间距为小石块的厚度值。

7.根据权利要求2所述的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，其特征在于，步骤S160的整个试验过程不超过10s，否则试验作废，重新开始。

8.根据权利要求2所述的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，其特征在于，步骤S170中采取切线法获取接触角值。

9.根据权利要求1所述的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，其特征在于，3种已知集料分别为石灰石、玄武岩以及花岗岩。

10.根据权利要求2所述的一种热熔态沥青表面能参数测试方法，其特征在于，获得待测热熔态沥青与已知集料之间的接触角的具体实验中的温度梯度为20℃。

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