屬于道路工程領(lǐng)域，具體涉及一種測(cè)試瀝青材料動(dòng)態(tài)表面能參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
：在道路工程領(lǐng)域中，瀝青材料的動(dòng)態(tài)表面能參數(shù)對(duì)準(zhǔn)確量化瀝青與集料界面的粘附性能、研究瀝青混合料開裂機(jī)理等具有重要的意義。通過表面能試驗(yàn)測(cè)試瀝青材料的動(dòng)態(tài)表面能參數(shù)，可計(jì)算得到瀝青自身的內(nèi)聚能以及它和集料間的粘附能，進(jìn)一步比較分析可衡量并評(píng)價(jià)瀝青混合料的愈合、開裂及水穩(wěn)定性能等。瀝青材料動(dòng)態(tài)表面能參數(shù)分為兩類：(1)對(duì)應(yīng)前進(jìn)過程的表面能參數(shù)；(2)對(duì)應(yīng)后退過程的表面能參數(shù)。已被證實(shí)：前進(jìn)過程能夠較好地模擬瀝青與集料結(jié)合的過程，可用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的愈合性能；后退過程可以較好地模擬瀝青和集料剝離的過程，可用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗開裂性能。因此針對(duì)前進(jìn)、后退兩個(gè)不同的過程，試驗(yàn)時(shí)可分別得到兩套不同的表面能參數(shù)。就現(xiàn)階段而言，普遍采用的瀝青動(dòng)態(tài)表面能測(cè)試方法是插板法，它的基本原理通過瀝青膜浸入與撤出測(cè)試試劑分別測(cè)試得到前進(jìn)與后退接觸角，通過Young-Dupre方程求解得到對(duì)應(yīng)前進(jìn)與后退過程的接觸角。但是這一試驗(yàn)方法存在著缺陷與不足，主要概括如下：(1)在插板法中，后退過程測(cè)試的接觸角及其對(duì)應(yīng)的表面能并不可靠：瀝青在撤出試劑時(shí)表面會(huì)裹覆一層液體膜，液體膜產(chǎn)生的擴(kuò)張壓力會(huì)導(dǎo)致瀝青表面特性發(fā)生改變，從而造成明顯的滯后效應(yīng)并影響到后退接觸角大小。因此，液體膜壓力的存在將會(huì)影響插板法試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，此時(shí)插板法得到的瀝青表面能并非對(duì)應(yīng)瀝青真實(shí)的表面能；(2)插板法測(cè)試過程中需要人為測(cè)試瀝青涂膜玻片的寬度和厚度，該步驟容易受肉眼觀察主觀判斷等因素影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性；(3)插板法測(cè)試瀝青-試劑接觸角的方式是間接性的，它需要借助瀝青膜的受力圖形計(jì)算接觸角，而在換算接觸角的過程中將存在著計(jì)算誤差。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明目的在于克服插板法的不足，提供一種新的瀝青材料動(dòng)態(tài)表面能參數(shù)的測(cè)試方法，該測(cè)試方法可直接測(cè)試瀝青-試劑的接觸角大小，避免測(cè)量瀝青膜尺寸造成的試驗(yàn)誤差，同時(shí)還可減小液體膜壓力對(duì)表面能結(jié)果的影響。為達(dá)到上述目的，采用技術(shù)方案如下：測(cè)試瀝青材料動(dòng)態(tài)表面能參數(shù)的方法，包括以下步驟：1)將瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)，均勻涂膜到潔凈的玻片上，制備成瀝青涂膜玻片，置于20℃的干燥箱中養(yǎng)生24h～72h；2)相對(duì)于水平線傾斜30°放置在光學(xué)接觸角儀內(nèi)部，調(diào)整窗口在顯示屏上顯示瀝青膜的表面；3)選取已知表面能參數(shù)的四種化學(xué)試劑，分別將其緩慢地滴定到瀝青膜表面；滴定試劑的體積增加使得瀝青膜上的液滴會(huì)趨向緩慢的下滑狀態(tài)，在趨向下滑但處于靜止的極限附近記錄此時(shí)的臨界滴定體積，使用曲線擬合液滴的外部輪廓，使用直線擬合液滴的下滑軌跡，然后采用角度工具測(cè)量出液滴邊緣的兩條切線與下滑直線的夾角，這兩個(gè)夾角即為瀝青與試劑的接觸角；其中，處于斜面下方位置的接觸角為前進(jìn)接觸角，處于斜面上方位置的接觸角為后退接觸角；4)建立瀝青材料分別與四種試劑的接觸角θ、試劑的內(nèi)聚能以及瀝青與試劑的粘附能之間的平衡方程：其中：γL,分別為試劑的表面能總量、表面能非極性分量、極性酸分量、極性堿分量，單位ergs/cm2；分別為瀝青材料的表面能非極性分量、極性酸分量、極性堿分量，單位ergs/cm2；θ為瀝青與試劑的接觸角；分別將前進(jìn)、后退接觸角和所對(duì)應(yīng)化學(xué)試劑的表面能參數(shù)代入方程，聯(lián)立方程組求解得到前進(jìn)過程和后退過程中瀝青的表面能非極性分量極性酸分量極性堿分量5)根據(jù)瀝青表面能參數(shù)，求解前進(jìn)、后退過程中瀝青的內(nèi)聚能大小，再結(jié)合集料的表面能參數(shù)，求解前進(jìn)、后退過程中瀝青與集料的粘附能大小；進(jìn)一步利用前進(jìn)過程的表面能評(píng)價(jià)瀝青混合料的愈合性能和水穩(wěn)定性能，后退過程的表面能評(píng)價(jià)瀝青混合料的開裂性能，量化粘附性能，優(yōu)選道路材料。本發(fā)明提出采用靜滴傾斜的方法測(cè)試瀝青的動(dòng)態(tài)表面能參數(shù)，并將其對(duì)應(yīng)瀝青混合料的愈合、開裂及水穩(wěn)定性能，其無論從測(cè)試方法的合理性、誤差控制還是試驗(yàn)操作上較現(xiàn)有試驗(yàn)方法具有一定的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明有益效果如下：采用直接擬合和測(cè)量而非間接計(jì)算的方式來獲取接觸角大小，減小了換算誤差，同時(shí)，采用滴定化學(xué)試劑的方式避免了液體膜壓力對(duì)接觸角大小的影響，防止滯后效應(yīng)產(chǎn)生試驗(yàn)誤差，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性；基于光學(xué)原理測(cè)量瀝青-試劑形成的接觸角，使得試驗(yàn)過程中不需要人為測(cè)定瀝青涂膜玻片的寬度和厚度，避免了主觀因素對(duì)表面能參數(shù)結(jié)果的影響；相比于插板法測(cè)試瀝青動(dòng)態(tài)表面能參數(shù)，該方法操作方便，步驟簡(jiǎn)單，且沒有瀝青膜的測(cè)量過程和繁瑣的接觸角計(jì)算過程，因此接觸角結(jié)果重復(fù)性較好，說明該方法具備較強(qiáng)的實(shí)用性。附圖說明圖1：采用靜滴傾斜法進(jìn)行瀝青材料表面能參數(shù)測(cè)試的原理示意圖。其中，1-瀝青膜；2-前進(jìn)接觸角；3-化學(xué)試劑液滴；4-滴定工具；5-后退接觸角；6-潔凈的玻片；7-成像系統(tǒng)；8-玻璃板斜槽。具體實(shí)施方式為了明確這種瀝青材料動(dòng)態(tài)表面能的測(cè)試方法，下面以一個(gè)典型的測(cè)試為例，具體介紹本發(fā)明的實(shí)施方式：(1)準(zhǔn)備瀝青材料樣品和化學(xué)試劑選取5種來源不同的瀝青作為瀝青材料樣品，將它們編號(hào)后置于冷藏室保存。選取蒸餾水、甲酰胺、丙三醇(甘油)和乙二醇作為液體化學(xué)試劑，將它們分別存放于小鋁盒中，然后冷藏保存，20℃時(shí)4種試劑的表面能參數(shù)如表1所示。表1液體化學(xué)試劑的表面能參數(shù)(20℃)(2)瀝青涂膜玻片的制備設(shè)置烘箱的加熱溫度(基質(zhì)瀝青溫度設(shè)定為145℃，SBS改性瀝青溫度設(shè)定為155℃)，將瀝青樣品放置到烘箱里，每隔20min使用攪拌棒將瀝青攪拌一次以保證瀝青受熱均勻。待瀝青呈現(xiàn)流動(dòng)態(tài)時(shí)，將樣品從烘箱中取出，放置到加熱板上，用攪拌棒不斷攪拌瀝青直至它達(dá)到完全的流動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上準(zhǔn)備好潔凈玻片、蒸餾水、丙酮試劑、丙烷打火器和無絨擦拭紙，使用丙酮試劑清洗玻片的正反兩面，清除玻片表面的污漬。然后立即用蒸餾水清洗玻片以消除殘留的丙酮，用無絨擦拭紙擦干玻片表面。輕旋丙烷打火器的開關(guān)，將洗凈擦拭后的玻片迅速放置在打火器的外焰上來回三次，以除去玻片上的水分。將潔凈干燥的玻片迅速插入加熱狀態(tài)的瀝青大約25mm，然后迅速取出玻片并垂直翻轉(zhuǎn)，使玻片倒轉(zhuǎn)過來。此時(shí)可以看到瀝青沿玻片表面自由流動(dòng)，用事先準(zhǔn)備好的無絨擦拭紙夾住玻片中部，防止瀝青繼續(xù)下流。觀察玻片兩面是否涂膜均勻以及表面是否存在雜質(zhì)或氣泡，若玻片呈均勻狀態(tài)則將玻片垂直插到泡沫板上，若玻片表面不均勻則將該玻片丟棄作廢。然后將插有玻片的泡沫板放置到干燥器中密封，將干燥器放入恒溫恒濕箱里，設(shè)定溫度為20℃，養(yǎng)生時(shí)間為24h～72h。(3)測(cè)試瀝青材料的表面能參數(shù)采用靜滴傾斜的方法進(jìn)行瀝青材料表面能參數(shù)測(cè)試的原理示意圖如附圖1所示。1為涂膜到潔凈玻片上的瀝青膜；2為瀝青膜與液體化學(xué)試劑形成的前進(jìn)接觸角；3為滴定到瀝青膜表面的化學(xué)試劑液滴；4為滴定工具包括滴定管和滴定針頭；5為瀝青膜與液體化學(xué)試劑形成的后退接觸角；6為潔凈的玻片；7為成像系統(tǒng)，用于清晰地呈現(xiàn)瀝青-試劑的接觸角狀態(tài)；8為用于盛放瀝青涂膜玻片的玻璃板斜槽。開啟光學(xué)接觸角儀，將溫度感應(yīng)器插入到測(cè)試腔內(nèi)，但不宜插入過深，同時(shí)開啟水浴設(shè)備控制儀器腔體內(nèi)溫度為20℃。將瀝青涂膜玻片傾斜30°放置在自制的玻璃斜槽上，再將玻璃槽放入儀器測(cè)試腔，開啟顯示屏，將成像窗口打開，手動(dòng)調(diào)整使窗口呈現(xiàn)清楚的成像狀態(tài)。如果采用儀器滴定，則需要在滴定系統(tǒng)中選取對(duì)應(yīng)的液體試劑，先調(diào)大試劑的釋放速度，然后釋放液滴，直至針頭有液滴冒出后停止釋放，并用紙巾輕輕擦拭掉針頭的液滴，這樣操作的目的是使滴定管在滴定之前處于充滿液體的狀態(tài)以減小試驗(yàn)誤差。開始測(cè)試時(shí)，調(diào)整針頭位置使得針頭對(duì)準(zhǔn)瀝青膜的均勻部位，降低針頭逼近瀝青膜但不能使它們相互接觸。然后選取較緩的滴定速度(5微升/分鐘)釋放液滴(如果因液體化學(xué)試劑粘稠度較高而必須采用人工滴定時(shí)，則滴定速率需要控制到人眼能夠清楚辨別液滴從針頭到瀝青膜的過程)，隨著液體在瀝青膜上的累積，接觸角會(huì)逐漸形成。當(dāng)?shù)味ǖ捏w積量使瀝青膜表面的液體呈現(xiàn)明顯的接觸角且液滴呈現(xiàn)下滑的趨勢(shì)時(shí)，確定該滴定的體積量為臨界狀態(tài)的體積量。在液滴達(dá)到臨界狀態(tài)后停止滴定，并使用曲線擬合液滴的外部輪廓，使用直線擬合液滴的下滑軌跡，然后采用角度工具測(cè)量出液滴邊緣的兩條切線與下滑直線的夾角，即為瀝青-試劑的接觸角。每種液體化學(xué)試劑使用5片瀝青涂膜玻片測(cè)試，然后將得到的接觸角數(shù)據(jù)取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。其中，前進(jìn)過程和后退過程中的接觸角測(cè)試結(jié)果如表2和表3所示，可以看出，所有計(jì)算結(jié)果的變異系數(shù)CV(％)均小于5％，說明試驗(yàn)的可重復(fù)性非常好。且該接觸角未受到液體膜壓力的影響，因此結(jié)果的準(zhǔn)確性將會(huì)更高。表2前進(jìn)過程中所測(cè)的接觸角(單位：°)表3后退過程中所測(cè)的接觸角(單位：°)(4)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，匯總計(jì)算結(jié)果本試驗(yàn)中采用了4種液體試劑，結(jié)合試劑已知的三個(gè)表面能基本參數(shù)(分別用表示)，可運(yùn)用vOGC(vanOss-Good-Chaudhury)組合公式形成超靜定方程組。采用規(guī)劃求解的方法，以誤差之和達(dá)到最小為目標(biāo)，可求解出瀝青樣品的三個(gè)表面能基本參數(shù)(分別用表示)。具體求解思路如下所示：其中i取1～4，分別代表4種已知表面能參數(shù)的液體試劑。令將公式(1)整理為矩陣形式Mx＝n：建立矩陣形式的Young-Dupre方程，如公式(2)所示：借助Excel軟件的規(guī)劃求解功能計(jì)算x＝M-1n，即可解算前進(jìn)過程及后退過程中瀝青材料的表面能參數(shù)。表面能計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示。由于開裂速率與后退過程的內(nèi)聚能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，短期愈合速率與前進(jìn)過程的內(nèi)聚能色散分量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，長(zhǎng)期愈合速率與前進(jìn)過程的內(nèi)聚能酸堿分量呈正相關(guān)關(guān)系，因此可以通過瀝青樣品的內(nèi)聚能來反映它們性能的好壞，內(nèi)聚能結(jié)果如表6所示，瀝青性能的排序如表7所示，從表中可看出3號(hào)和1號(hào)樣品的愈合性能相對(duì)較好，2號(hào)和5號(hào)樣品的抗開裂性能相對(duì)較好。表4前進(jìn)過程計(jì)算的瀝青表面能參數(shù)(單位：ergs/cm2)瀝青編號(hào)γLWγ+γ-γABγ17.004.651.044.4011.4028.474.150.262.0810.5436.262.523.015.5111.78412.112.121.143.1115.2359.902.581.333.7113.61表5后退過程計(jì)算的瀝青表面能參數(shù)(單位：ergs/cm2)編號(hào)γLWγ+γ-γABγ115.314.4419.6918.7034.01214.127.8332.1731.7545.87316.934.2224.8520.4937.42416.524.0422.2318.9635.48524.602.8520.7415.3739.97表6瀝青材料的內(nèi)聚能(單位：ergs/cm2)表7瀝青樣品性能的排序當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3