CN113567306B - 一种集料表面能的预测计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集料表面能的预测计算方法，其步骤包括：(1)原始集料筛选及打磨；(2)获取打磨集料和原始集料的表面纹理指数；(3)粉末集料进行毛细上升法试验；(4)打磨集料进行静滴法试验；(5)拟合获得函数关系式；(6)计算原始集料的表面能。本发明方法计算集料表面能的过程中不仅考虑了集料自身成分对表面能的影响，同时也考虑了磨平处理对集料表面纹理的影响，分析了集料的实际表面纹理条件，采用静滴法和毛细上升法相结合的方式显著提高了测试准确度，并且能够代替蒸汽吸附法进行集料表面能测试，大大降低了测试成本和操作难度。

Description

一种集料表面能的预测计算方法

技术领域

本发明涉及道路工程领域，特别是一种集料表面能的预测计算方法。

背景技术

目前，沥青路面由于具有适应地质条件强、行车舒适、维护方便等特征，作为高速公路路面的主要形式一直被广泛应用。但工程实践中发现，沥青路面在服役过程中易出现松散、剥落、开裂等病害，这无疑降低了沥青路面的行车舒适性且增加了养护费用。相关研究表明：此类病害与沥青与集料之间黏附性不足有关，黏附性直接关系到沥青混合料疲劳寿命、自愈合能力，以及水稳定性等路用性能。也正是由于不同沥青和集料之间存在一定的配伍性，导致不同沥青和集料间黏附性存在差异。

为了减少路面病害，选择合适的沥青、集料组合，需要对沥青与集料间黏附性进行评价。国际上常用的表面能理论，可以从分子间作用力的微观角度准确定量评估沥青与集料的黏附能力，并应用到沥青混合料路用性能评价中；通过试验分别测得沥青、集料的表面能，运用表面能理论法则计算内聚结合能、黏附结合能等指标用以评价沥青混合料的各项性能，进一步计算沥青-集料匹配性指标，从而为选用配伍性较好的沥青与集料组合提供合理有效的参考依据。

评价沥青混合料路用性能之前，需要通过试验分别测得沥青与集料表面能。针对集料而言，蒸气吸附法是一种较为精确的试验方法，蒸气吸附法试验结果准确且自动化程度高，但对集料的粒径有严格要求，且仪器价格十分昂贵，使得试验条件要求高，试验资源稀缺，耗费大量工程成本。相比之下，静滴法与毛细上升法两种集料表面能测试方法，试验原理简单，试验仪器更加常规且试验操作简便易行。

相关研究表明，集料的化学组分及表面纹理特性均会影响集料表面能，进而影响沥青与集料间黏附性。蒸气吸附法既能表征材料自身的成分属性，又不改变其原始表面纹理，但测试成本高昂。相比之下，静滴法试验可以量化表面纹理对集料表面能的影响，却难以表征集料成分对其表面能的影响；毛细上升法将集料磨成粉末方可试验，侧重点为集料成分，却忽略了表面纹理对集料表面能的影响。为了选择更为简单、成本更低的试验方法代替价格昂贵的蒸气吸附法试验设备，并能兼顾考虑集料的成分和表面纹理两个影响因素，因此需要提出一种新的集料表面能预测方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种集料表面能的预测计算方法，用于解决传统蒸汽吸附法测试成本昂贵，且传统静滴法和毛细上升法两种方法难以兼顾集料成分和表面纹理两个影响因素的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种集料表面能的预测计算方法，其特征在于，其步骤包括：

(1)原始集料筛选及打磨：将原始集料筛选后分为依次经过表面打磨、预处理的打磨集料，未处理的原始集料，以及磨至粉末状的粉末集料；

(2)获取打磨集料和原始集料的表面纹理指数：通过试验观测原始集料和打磨集料的表面纹理，分别得到原始集料的表面纹理指数和打磨集料的表面纹理指数；

(3)粉末集料进行毛细上升法试验：对粉末集料进行毛细上升法试验，并得到无表面纹理因素影响的粉末集料表面能；

(4)打磨集料进行静滴法试验：采用静滴法测试打磨集料的接触角，并计算得到打磨集料的表面能；

(5)拟合获得函数关系式：基于打磨集料的表面纹理指数、粉末集料表面能以及打磨集料的表面能进行拟合，获得关于表面纹理指数与表面能的函数关系式；

(6)计算原始集料的表面能：将原始集料的表面纹理指数带入表面纹理指数与表面能的函数关系式，得到原始集料考虑表面纹理影响因素的表面能。

其中，原始集料和打磨集料中均包含若干颗筛选后粒径为13.2～16mm的集料样品；打磨集料的表面打磨方式为切割锯打磨、砂轮打磨、砂纸打磨中任意一种或多种，每种表面打磨方式的打磨时间均大于30s，且对于每种打磨方式，打磨集料中每一颗集料样品的打磨程度相同。

其中，粉末集料的制备步骤为：称取粒径为2.36～4.75mm的原始集料进行粉碎，过筛后获得粒径小于0.075mm的粉体，即为粉末集料。

其中，获取表面纹理指数的具体步骤为：将原始集料的集料样品固定在集料盘上，使用集料图像测量系统(简称AIMS)仪器对原始集料的集料样品进行表面纹理图像采集，将采集结果取平均值后计算得到原始集料的表面纹理指数；将打磨集料的集料样品固定在集料盘上，使用AIMS仪器分别对每一种表面打磨方式的集料样品的打磨面进行表面纹理图像采集，将采集结果取平均值后分别计算得到每一种表面打磨方式的打磨集料的表面纹理指数。

其中，粉末集料进行毛细上升法试验的具体步骤为：采用甲苯试剂对粉末集料进行饱和养生，以2-戊酮、甲酰胺、正己烷为测试试剂，通过毛细上升试验计算得到毛细管合成有效半径；基于毛细上升法使用表面张力仪分别在不同测试试剂下测试，结合毛细管合成有效半径，计算得到不同测试试剂下的扩散压力，进而根据Young-Dupre方程计算得到无表面纹理因素影响的粉末集料表面能。

其中，扩散压力的计算公式为：

其中，π_e(ML)为扩散压力，m为粉末集料的质量变化量，t为时间，ρ_L为测试试剂密度，R_e为毛细管合成有效半径，η为扩散压力系数。

其中，采用静滴法测试打磨集料的接触角的具体步骤为：启动光学接触角仪并预热，将打磨集料放置在仪器试验腔中，使打磨集料中每一集料样品的打磨面呈水平状态且正对光学接触角仪的摄像头设置；调整试剂针头至预设位置，并释放不同测试试剂的液滴；移动试验腔，使每一集料样品对应承接一个所释放的液滴；在预设测试时间内测试每一集料样品与所承接液滴之间的接触角。

其中，调整试剂针头至预设位置的具体步骤为：将测试试剂抽至针管中，移动试剂针头位置，直至针头与集料样品之间保持一个液滴的距离，且使针头与集料样品均出现在摄像画面中；释放不同测试试剂的液滴的具体步骤为：控制针管的压力，使不同测试试剂释放出相同体积的液滴，且所释放的液滴附着于针头尖端处；不同测试试剂包括蒸馏水、甲酰胺和乙二醇，分别使用三个不同的针管抽取，且每一针头对应释放一种测试试剂的液滴。

其中，计算得到打磨集料的表面能的具体步骤为：将打磨集料与不同测试试剂之间的接触角带入Young-Dupre方程中，利用规划求解得到表面能参数，根据表面能参数计算得到采用不同表面打磨方式处理后打磨集料的表面能，打磨集料的表面能计算式为：

该式中，表面能参数包括

以及γ_L，

为固体材料表面能的非极性分量，

为液体材料表面能的非极性分量，

为固体材料表面能的极性酸分量，

为固体材料表面能的极性碱分量，

为液体材料表面能的极性酸分量，

为液体材料表面能的极性碱分量，γ_L为液体的表面张力，即表面能总量，单位均为erg/cm²，θ为固-液-气三相之间的接触角。

其中，拟合获得关于表面纹理指数与表面能的函数关系式具体步骤为：将打磨集料的表面能与打磨集料的表面纹理进行指数拟合，获得关于表面纹理指数与表面能的函数关系式，具体函数关系式为：

γ＝Ae^Kx；

该式中，γ为考虑表面纹理影响因素的集料表面能，单位为erg/cm²；x为集料的表面纹理指数；A为无表面纹理因素影响的粉末集料表面能，单位为erg/cm²；K是决定表面纹理对表面能影响程度的常数；指数拟合过程中得到参数A与K，并确定关于表面纹理指数与表面能的函数关系式，将原始集料的表面纹理指数带入表面纹理指数与表面能的函数关系式中，得到原始集料考虑表面纹理影响因素的表面能。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种集料表面能的预测计算方法，该方法计算集料表面能的过程中不仅考虑了集料自身成分对表面能的影响，同时也考虑了磨平处理对集料表面纹理的影响，分析了集料的实际表面纹理条件，采用静滴法和毛细上升法相结合的方式显著提高了测试准确度，并且能够代替蒸汽吸附法进行集料表面能测试，大大降低了测试成本和操作难度。

附图说明

图1是本发明的集料表面能的预测计算方法一实施方式的流程图；

图2是本发明的集料表面能的预测计算方法一实施方式中毛细上升法原理图；

图3是本发明的集料表面能的预测计算方法中所采用全自动表面张力仪的示意图；

图4是本发明的集料表面能的预测计算方法中所采用光学接触角仪的示意图；

图5是本发明实施例1中两种集料关于表面纹理指数与表面能的拟合曲线及函数关系式。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，均属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1是本发明中集料表面能的预测计算方法一实施方式的流程图。本发明中集料表面能的预测计算方法，其特征在于，其步骤包括：

(1)原始集料筛选及打磨。本步骤中，将原始集料筛选后分为依次经过表面打磨、预处理的打磨集料，未处理的原始集料，以及磨至粉末状的粉末集料，原始集料和打磨集料中均包含若干颗筛选后粒径为13.2～16mm的集料样品；打磨集料的表面打磨方式为切割锯打磨、砂轮打磨、砂纸打磨中任意一种或多种，每种表面打磨方式的打磨时间均大于30s，且打磨集料中每一颗集料样品的打磨程度相同，但由于采用打磨工具的差异，使打磨集料呈现出三种不同粗糙度的表面，使后续对打磨集料的表面纹理指数数据呈现差异化。本实施方式中，粉末集料的制备步骤为：称取粒径为2.36～4.75mm的原始集料进行粉碎，过筛后获得粒径小于0.075mm的粉体，即为粉末集料，由于粉末集料是对原始集料的粉碎处理，表面纹理对集料表面能的影响可以忽略，此时集料的表面纹理可看作0。此外，打磨集料完成表面打磨后，还可以用蒸馏水冲洗至表面无泥沙附着，在110～120℃下将洗净的集料样品烘干，以确保打磨后集料样品颗粒表面洁净，有利于后续表面纹理数据采集。

(2)获取表面纹理指数。本步骤中，需要获取原始集料的表面纹理指数和打磨集料的表面纹理指数；一方面，将原始集料的集料样品固定在集料盘上，对原始集料样品进行表面纹理数据采集，将采集结果取平均值后计算得到原始集料的表面纹理指数；另一方面，将打磨集料的集料样品固定在集料盘上，分别对每一种表面打磨方式的集料样品的打磨面进行表面纹理数据采集，将采集结果取平均值后分别计算得到每一种表面打磨方式的打磨集料的表面纹理指数。本实施方式中，采用橡皮泥一类的粘性材料对集料样品进行固定，确保数据采集时集料样品的稳定；采用集料图像测量系统(简称AIMS)仪器进行表面纹理的图像数据采集，将AIMS所获取到的同一种表面打磨方式下多个集料样品的表面纹理指数取平均值，同时也对原始集料中多个集料样品的表面纹理指数取平均值，分别得到切割锯打磨、砂轮打磨、砂纸打磨三种方式下打磨集料的表面纹理指数，以及原始集料的表面纹理指数；此时，三种打磨方式下打磨集料的表面纹理指数所表征的是不同粗糙度下的集料表面纹理状态，而原始集料的表面纹理指数所表征的是处于原始粗糙度下的集料表面纹理状态。

(3)粉末集料进行毛细上升法试验。如图2所示，本步骤中，对粉末集料进行毛细上升法试验，并得到无表面纹理因素影响的粉末集料表面能，具体步骤如下：

i.采用甲苯试剂对粉末集料进行饱和养生，以2-戊酮、甲酰胺、正己烷为测试试剂，通过毛细上升试验计算得到毛细管合成有效半径。

本实施方式中，首先，用甲苯对粉末集料样品进行饱和养生，将粉末集料放置在装有甲苯试剂的洁净密封瓶内，养生半个月时间，每隔24h测一次样品质量，直至质量不发生改变，确保粉末集料表面甲苯饱和；其中选用甲苯试剂的原因在于，甲苯试剂挥发性较好，易于吸附于试验样品表面。

然后，将甲苯蒸气饱和养生后的粉末集料填入金属圆柱筒中，为保证试验结果的可重复性，每次试验装样的密实程度均应相同；同时，在装填试验样品前，将一张滤纸放置于金属圆柱筒下方，防止试验样品漏出；每次试验结束后使用蒸馏水清洗金属筒，再将金属圆柱筒放置于烘箱中加热烘干，设定烘箱温度为100℃，烘干时间不少于15min，保持每次测试前金属圆柱筒的洁净度，以获得更准确的测试结果。

最后，使用全自动表面张力仪进行毛细上升试验，如图3所示，使用2-戊酮、甲酰胺、正己烷三种试剂进行测试，每种试剂测试3次，具体步骤为：先将温度为20℃的测试试剂放置于仪器样品台上，再将已经装填好粉末集料的金属圆柱筒固定在夹具上，按控制按钮缓慢上升装载有测试试剂的样品台，直至测试试剂表面与金属圆柱筒底部尽量接近，但保证测试试剂表面与金属圆柱筒无直接接触，一旦接触需重新装填样品；固定好金属圆柱筒后，设置试验参数并开始试验，仪器在设定速度下抬升样品台，直至圆柱筒底端到达设定的浸入深度1mm处，而后仪器顶端天平开始称量在测试试剂浸入试验样品后样品质量的变化量；仪器会将不同时刻t下得到的试验样品对测试试剂的吸收量m记录下来，当观察到试验样品吸收量随时间变化趋于平缓，至完全平缓时，表明测试试剂已上升到圆柱筒顶端，此时金属圆柱筒内的所有样品已被全部润湿，可直接停止试验。该过程中，对甲苯饱和养生后的粉末集料进行甲苯试剂的毛细上升试验，得到粉末集料饱和养生后对甲苯试剂的m²/t比值，采用下述公式(1)即可计算得到粉末状集料的毛细管合成有效半径R_e。

式(1)中，γ_L为液体表面张力，m为粉末集料的质量变化量，t为时间，ρ_L为测试试剂密度，R_e为毛细管合成有效半径，η为表面张力系数。

ii.基于毛细上升法使用表面张力仪分别在不同测试试剂下测试，结合毛细管合成有效半径，计算得到不同测试试剂下的扩散压力，进而根据Young-Dupre方程计算得到无表面纹理因素影响的粉末集料表面能。

本实施方式中，将粉末集料放置在装有五氧化二磷的洁净密封瓶内，干燥24h，再使用全自动表面张力仪，进行毛细上升试验；依次使用3种化学试剂正己烷、2-戊酮、甲酰胺进行测试，每种试剂测试3次；采用线性拟合的方式计算m²/t比值的大小，保证试验结果的变异系数小于10％，得到完全干燥条件下化学组分样品对三种试剂测试得到的m²/t大小结果。联合上述得到的粉末集料的毛细管合成有效半径，采用下述公式(2)即可分别计算得到试验样品对正己烷、2-戊酮、甲酰胺的扩散压力：

式(2)中，π_e(ML)为扩散压力，m为粉末集料的质量变化量，t为时间，ρ_L为测试试剂密度，R_e为毛细管合成有效半径，η为扩散压力系数。最后通过试验样品对正己烷、2-戊酮、甲酰胺的扩散压力值代入下式(3)中联立方程组求解得到9组粉末集料的表面能，由此所得到的粉末集料表面能为表面纹理为0条件下的原始集料表面能。

式(3)中，n为所选测试试剂的数量，且n≤3，π_e(ML)n为第n种试剂的扩散压力，

和γ_Ln分别表示第n种化学试剂的表面能极性酸分量、极性碱分量、非极性分量和表面能总量，

分别为粉末集料的表面能非极性分量、极性酸分量和极性碱分量。

(4)打磨集料进行静滴法试验。本步骤中，首先采用静滴法测试打磨集料的接触角，具体步骤如下：

a.试验开始前30min，启动光学接触角仪、配套的恒温水浴系统以及微型气压机等装置进行预热，使光学接触角仪的试验腔内温度稳定在20℃左右，本实施方式中采用如图4所示的DSA100光学接触角仪；将打磨集料均匀固定在试验腔中，可选用橡皮泥一类的粘性材料对打磨集料的非打磨面进行固定，使打磨面朝上水平放置，且打磨集料中每一集料样品的打磨面正对光学接触角仪的摄像头设置。

b.调整试剂针头至预设位置，将测试试剂抽至针管中，移动试剂针头位置，直至针头与集料样品之间保持一个液滴的距离，并且使针头与集料样品均出现在摄像画面中；控制针管的压力，操作软件使不同测试试剂释放出相同体积1.0μL的液滴，且所释放的液滴附着于针头尖端处。本实施方式中，选取蒸馏水、甲酰胺和乙二醇作为测试试剂，使优选的测试试剂中同时包含极性溶剂和非极性溶剂，每一针头对应释放其中一种测试试剂的液滴。

c.移动试验腔，使每一集料样品对应承接一个所释放的液滴。

d.在预设测试时间内测试每一集料样品与所承接液滴之间的接触角，在集料样品表面上，所承接液滴与其投影的相交处定为基线，采用光学接触角仪测量液滴轮廓交点处切线与基线之间的夹角，记为接触角，利用图像捕捉软件分别获得打磨集料与不同测试试剂之间的接触角。其中，对于不同的测试试剂其预设测试时间是不同的；采用蒸馏水作为测试试剂时，接触角的预设测试时间为10～30s；采用甲酰胺或乙二醇作为测试试剂时，接触角的预设测试时间大于20s。

然后，根据打磨集料的接触角计算得到打磨集料的表面能，具体计算步骤为：将打磨集料与不同测试试剂之间的接触角带入Young-Dupre方程中，利用Excel表格规划求解得到表面能参数，根据表面能参数计算得到采用不同表面打磨方式处理后打磨集料的表面能，打磨集料的表面能计算式为：

该(4)式中，表面能参数包括

以及γ_L，

为固体材料表面能的非极性分量，

为液体材料表面能的非极性分量，

为固体材料表面能的极性酸分量，

为固体材料表面能的极性碱分量，

为液体材料表面能的极性酸分量，

为液体材料表面能的极性碱分量，γ_L为液体的表面张力，即表面能总量，单位均为erg/cm²，θ为固-液-气三相之间的接触角。

(5)拟合获得函数关系式。本步骤中，基于打磨集料的表面纹理指数、粉末集料表面能以及打磨集料的表面能进行拟合，获得关于表面纹理指数与表面能的函数关系式，具体函数关系式为：

γ＝Ae^Kx(5)

该(5)式中，γ为考虑表面纹理影响因素的集料表面能，单位为erg/cm²；x为集料的表面纹理指数；A为x＝0状态下集料表面纹理指数所对应的表面能，亦是无表面纹理因素影响的粉末集料表面能，单位为erg/cm²，由前述步骤(3)中毛细上升法试验测定获得；K是决定表面纹理对表面能影响程度的常数；指数拟合过程中得到参数A与K，从而确定了关于表面纹理指数与表面能的函数关系式。

(6)计算原始集料的表面能。本步骤中，将前述步骤(2)中原始集料的表面纹理指数带入步骤(5)中表面纹理指数与表面能的函数关系式，得到原始集料考虑表面纹理影响因素的表面能。

下面通过具体实施例对上述集料表面能的预测计算方法的应用效果进行阐述。

实施例1

S1，选取两种集料进行筛选及打磨。

本实施例种选用的试验材料包括辉绿岩和玄武岩。将两种集料分别过筛得到粒径为13.2～16mm的试样，每种集料80颗；每种集料中20颗不进行处理作为原始集料，另外60颗作为打磨集料，分别采用切割锯、砂轮、砂纸三种打磨方式对集料样品进行打磨，每种打磨方式打磨20颗作为平行试验，处理时间在30s以上。将打磨后的两种集料样品按不同打磨方式分类，并用蒸馏水不断冲洗，直至其表面没有泥沙附着，冲洗出的水清亮无杂质即可，洗净的打磨集料放在120℃烘箱中4h，烘干水分备用。

同时，两种集料分别称取约50g粒径2.36～4.75mm的集料装入圆筒，仪器振动时间设置为50s；开启振动磨，使得筒体圆筒在偏心块的带动下做高速振动，带动筒内样品飞速翻转，同时与圆筒高速碰撞；在规律的高速碰撞下，使样品快速粉碎，将粉碎后的集料粉末过筛处理，选取粒径小于0.075mm的粉末状集料作为粉末集料，并将样品放入干燥箱中备用。

S2，获取两种集料的表面纹理指数。

选取12.5mm的集料盘，分别将每种集料采用打磨方式处理的20颗集料样品放在集料盘的凹槽中，使用橡皮泥固定集料样品，使打磨的一面水平朝上；将固定好集料样品的集料盘放入AIMS仪器中，保证摄像头能够对准打磨的平面，每种集料测得多个集料样品的表面纹理指数并取平均值，分别得到切割锯打磨、砂轮打磨、砂纸打磨三种方式下打磨集料的表面纹理指数，以及原始集料的表面纹理指数。

S3，粉末集料进行毛细上升法试验。

以甲苯、2-戊酮、甲酰胺、正己烷为测试试剂，所得到的粉末集料执行前述毛细上升试验操作步骤，计算得到无表面纹理因素影响的粉末集料表面能，具体操作步骤在此不做赘述。

S4，基于静滴法试验计算两种集料的表面能。

对于不同打磨方式处理的两种集料，分别采用前述静滴法测试其与蒸馏水、甲酰胺、乙二醇三种测试试剂的接触角，每种测试试剂释放1μL；每种集料采用一种打磨方式的集料样品进行5次平行试验，取平均值作为接触角结果。然后，将每种集料采用同种打磨方式的集料样品与三种试剂测得的接触角带入式(4)所示的Young-Dupre方程中计算得到表面能；如此，可得到两种集料分别用三种打磨方式的表面能。

S5，拟合获得关于表面纹理指数与表面能的函数关系式，并计算两种集料原始集料的表面能。

对于每种集料来说，将上述打磨集料的表面纹理值与打磨集料的表面能值以式(5)所示的模型进行拟合，算得参数A与K的数值，从而确定了关于表面纹理指数与表面能的函数关系式，且该函数关系式所对应的拟合曲线覆盖原始集料的表面纹理指数。重复该方法对每种集料进行拟合，分别得到两种集料关于表面纹理指数与表面能的函数关系式，具体所对应的拟合曲线如图5所示辉绿岩和玄武岩的拟合曲线分别对应图5中a、b两条曲线。

将前述获取的两种集料原始集料的表面纹理指数分别带入相对应的函数关系式中，计算得到两种集料考虑表面纹理影响因素的表面能。本实施例中所采用的两种集料采用传统蒸汽吸附法进行对照测试，将蒸气吸附法测试得到的原始集料表面能与本发明所测试得到的原始集料表面能进行对比，计算二者的差异率，对比结果如表1所示。

表1本发明预测计算方法与蒸气吸附法的表面能测试对比

由表1对比结果可以看出，两种集料采用本发明测试方法与传统蒸气吸附法所得表面能结果十分接近，整体差异率在6％以下，说明采用上述基于毛细上升法与静滴法的集料表面能预测方法所得计算结果与蒸汽吸附法试验结果差异小，从而验证了该方法的可行性。进而说明，本发明测试方法能够代替传统的蒸汽吸附法，一方面本发明方法考虑了集料成分和表面纹理两个影响因素，能够获得较精确的测试结果；另一方面用低成本的静滴法代替高成本的蒸汽吸附法，即使用价格较低的光学接触角仪与全自动表面张力仪代替价格昂贵的磁悬浮重量平衡系统进行集料表面能测试，能够显著降低成本，从而实现了以较低测试成本获得较高测试精度的效果。

区别于现有技术的情况，本发明提供了一种集料表面能的预测计算方法，该方法计算集料表面能的过程中不仅考虑了集料自身成分对表面能的影响，同时也考虑了磨平处理对集料表面纹理的影响，分析了集料的实际表面纹理条件，采用静滴法和毛细上升法相结合的方式显著提高了测试准确度，并且能够代替蒸汽吸附法进行集料表面能测试，大大降低了测试成本和操作难度。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种集料表面能的预测计算方法，其特征在于，其步骤包括：

(1)原始集料筛选及打磨：将原始集料筛选后分为依次经过表面打磨、预处理的打磨集料，未处理的原始集料，以及磨至粉末状的粉末集料；

(2)获取打磨集料和原始集料的表面纹理指数：观测所述原始集料和打磨集料的表面纹理，分别得到所述原始集料的表面纹理指数和所述打磨集料的表面纹理指数；

(3)粉末集料进行毛细上升法试验：对所述粉末集料进行毛细上升法试验，并得到无表面纹理因素影响的粉末集料表面能；

(4)打磨集料进行静滴法试验：采用静滴法测试所述打磨集料的接触角，并计算得到所述打磨集料的表面能；

(5)拟合获得函数关系式：基于所述打磨集料的表面纹理指数、所述粉末集料表面能以及所述打磨集料的表面能进行拟合，获得关于表面纹理指数与表面能的函数关系式；

(6)计算原始集料的表面能：将所述原始集料的表面纹理指数带入所述表面纹理指数与表面能的函数关系式，得到原始集料考虑表面纹理影响因素的表面能。

2.根据权利要求1中所述集料表面能的预测计算方法，其特征在于，所述原始集料和打磨集料中均包含若干颗筛选后粒径为13.2～16mm的集料样品；

所述打磨集料的表面打磨方式为切割锯打磨、砂轮打磨、砂纸打磨中任意一种或多种，每种表面打磨方式的打磨时间均大于30s，且对于每种打磨方式，所述打磨集料中每一颗集料样品的打磨程度相同。

3.根据权利要求1中所述集料表面能的预测计算方法，其特征在于，所述粉末集料的制备步骤为：

称取粒径为2.36～4.75mm的原始集料进行粉碎，过筛后获得粒径小于0.075mm的粉体，即为粉末集料。

4.根据权利要求2中所述集料表面能的预测计算方法，其特征在于，所述获取表面纹理指数的具体步骤为：

将所述原始集料的集料样品固定在集料盘上，使用集料图像测量系统(简称AIMS)仪器对所述原始集料的集料样品进行表面纹理图像采集，将采集结果取平均值后计算得到原始集料的表面纹理指数；

将所述打磨集料的集料样品固定在集料盘上，使用集料图像测量系统仪器分别对每一种表面打磨方式的集料样品的打磨面进行表面纹理图像采集，将采集结果取平均值后分别计算得到每一种表面打磨方式的打磨集料的表面纹理指数。

5.根据权利要求4中所述集料表面能的预测计算方法，其特征在于，所述粉末集料进行毛细上升法试验的具体步骤为：

采用甲苯试剂对所述粉末集料进行饱和养生，以2-戊酮、甲酰胺、正己烷为测试试剂，通过毛细上升试验计算得到毛细管合成有效半径；

基于毛细上升法使用表面张力仪分别在不同测试试剂下测试，结合所述毛细管合成有效半径，计算得到不同测试试剂下的扩散压力，进而根据Young-Dupre方程计算得到无表面纹理因素影响的粉末集料表面能。

6.根据权利要求5中所述集料表面能的预测计算方法，其特征在于，所述扩散压力的计算公式为：

其中，π_e(ML)为扩散压力，m为所述粉末集料的质量变化量，t为时间，ρ_L为测试试剂密度，R_e为所述毛细管合成有效半径，η为扩散压力系数。

7.根据权利要求5中所述集料表面能的预测计算方法，其特征在于，所述采用静滴法测试所述打磨集料的接触角的具体步骤为：

启动光学接触角仪并预热，将所述打磨集料放置在仪器试验腔中，使所述打磨集料中每一集料样品的打磨面呈水平状态且正对光学接触角仪的摄像头设置；

调整试剂针头至预设位置，并释放不同测试试剂的液滴；

移动所述试验腔，使每一集料样品对应承接一个所释放的液滴；

在预设测试时间内测试每一集料样品与所承接液滴之间的接触角。

8.根据权利要求7中所述集料表面能的预测计算方法，其特征在于，所述调整试剂针头至预设位置的具体步骤为：将测试试剂抽至针管中，移动试剂针头位置，直至所述针头与集料样品之间保持一个液滴的距离，且使所述针头与集料样品均出现在摄像画面中；

所述释放不同测试试剂的液滴的具体步骤为：控制针管的压力，使不同测试试剂释放出相同体积的液滴，且所释放的液滴附着于针头尖端处；

所述不同测试试剂包括蒸馏水、甲酰胺和乙二醇，分别使用三个不同的针管抽取，且每一针头对应释放一种测试试剂的液滴。

9.根据权利要求7中所述集料表面能的预测计算方法，其特征在于，所述计算得到所述打磨集料的表面能的具体步骤为：

将所述打磨集料与不同测试试剂之间的接触角带入Young-Dupre方程中，利用规划求解得到表面能参数，根据表面能参数计算得到采用不同表面打磨方式处理后所述打磨集料的表面能，所述打磨集料的表面能计算式为：

该式中，所述表面能参数包括

以及γ_L，

为固体材料表面能的非极性分量，

为液体材料表面能的非极性分量，

为固体材料表面能的极性酸分量，

为固体材料表面能的极性碱分量，

为液体材料表面能的极性酸分量，

为液体材料表面能的极性碱分量，γ_L为液体的表面张力，即表面能总量，单位均为erg/cm²，θ为固-液-气三相之间的接触角。

10.根据权利要求9中所述集料表面能的预测计算方法，其特征在于，所述拟合获得关于表面纹理指数与表面能的函数关系式具体步骤为：

将所述打磨集料的表面能与所述打磨集料的表面纹理进行指数拟合，获得关于表面纹理指数与表面能的函数关系式，具体函数关系式为：

γ＝Ae^Kx；

该式中，γ为考虑表面纹理影响因素的集料表面能，单位为erg/cm²；x为集料的表面纹理指数；A为无表面纹理因素影响的所述粉末集料表面能，单位为erg/cm²，由前述步骤(3)中毛细上升法试验测定获得；K是决定表面纹理对表面能影响程度的常数；

所述指数拟合过程中得到参数K，并确定所述关于表面纹理指数与表面能的函数关系式，将所述原始集料的表面纹理指数带入所述表面纹理指数与表面能的函数关系式中，得到原始集料考虑表面纹理影响因素的表面能。

Images