道路集料表面能參數的檢測方法
【技術領域】
[0001] 屬于道路工程領域，具體涉及一種道路集料表面能參數的檢測方法。
【背景技術】
[0002] 表面自由能法是當前國際上較為先進的準確量化浙青與集料粘附性能的試驗方 法，其基本原理是通過試驗測試分別得到浙青與集料表面能的三個基本參數（非極性色散 分量極性酸分量Y+、極性堿分量Y)，結合表面能公式計算浙青自身的內聚能以及浙 青與集料之間的粘附能，從而準確評價浙青與集料之間的匹配性能，同時以各參數為基礎 也可評價分析浙青混合料的疲勞開裂、愈合及水損害等性質。
[0003] 由于表面自由能法可準確量化浙青與集料之間的匹配性，近年來已被廣泛用于分 析浙青-集料的粘附性能、浙青混合料的水穩(wěn)定性、改性劑的性能評價甚至路面除冰防凍 技術開發(fā)等方面。在表面能理論體系中，準確確定材料表面能的三個基本參數是后續(xù)計算、 分析、評價的基礎。對于集料的表面能測試方法，國內雖然做了一定的探索嘗試，但是試驗 測試方法均具有一定的局限性。
[0004] 當前，國內關于集料的表面能測試方法，主要分為毛細管上升法（也有文獻稱為 柱狀燈芯法）和躺滴法（也有文獻稱為接觸角法或靜滴法）。對于毛細管上升法，其原理 是：將處理好的粉末狀固體樣品裝入毛細管中，然后將一端浸入已知表面能的液體中，記錄 液體上升的高度和時間，通過毛細上升原理利用Washburn浸漬方程求解礦料與液體之間 的接觸角Θ，進而代入表面能Young-Dupre方程求解集料的各個表面能基本參數。這種方 法雖然操作簡單，但是它僅適用于粉末狀集料樣品，且人為測試記錄液體上升的高度和時 間，誤差較大；有學者為避免人為讀數造成的誤差，通過測試樣品的質量增加量反算液體上 升的高度，但這僅適用于固體質量大幅增加的情況，且須采用精度更高的天平，另外稱量過 程中測試讀數亦極易受到敞開環(huán)境流動空氣的干擾。對于躺滴法，其原理是：將集料表面打 磨拋光從而得到光滑表面，將已知表面能的液滴或高溫下的浙青滴落在集料表面，測試液 滴或浙青在樣品表面穩(wěn)定后的接觸角 9，并運用表面能Young-Dupre方程求解集料的表面 能參數。這種方法雖然可以通過測試直接得到接觸角，但是在試驗過程中每一次測試前都 需要對集料樣品進行打磨清洗處理，且需要保證樣品表面光滑的均勻性一致，這就不能考 慮集料表面紋理、粗糙程度等表觀特性對集料表面能參數的影響；同時，在滴定過程中對于 控制得到液滴在集料表面穩(wěn)定形態(tài)的操作要求極高，接觸角的測試極易產生人為誤差（包 括選取測量基線、擬合液滴輪廓等）。盡管這兩種測試方法是當前集料表面能的主要測試方 法，但其測試得到的集料表面能結果相差極大。集料本身是一種高表面能物質，其自身的 紋理、粗糙度、微孔結構等表面特性均會對其與浙青的粘附性產生直接影響，同時樣品直接 裸露在空氣中會造成集料表面不可避免吸收空氣中的雜質成分而導致其表面能發(fā)生改變。 近年來也有學者曾提出通過熱力學原理運用微熱量計法進行集料的表面能測試，通過集料 表面浸入已知測試試劑后系統總能量的變化和熱演變（稱為浸濕焓），由浸濕焓與界面能 的關系求解得到集料的表面能參數，但其僅適用于粉末狀集料，且關于"浸濕焓為浸濕熵的 兩倍"假設并不適用于所有的集料樣品，另計算過程中仍需通過吸附方法得到集料的比表 面積，測試過程繁瑣且測試結果處理方法不甚合理。
[0005] 現階段集料表面能測試方法其存在以下幾點不足：測試樣品或為粉末狀或經過表 面打磨拋光處理，忽略集料表面特性或礦質成分對表面能測試的影響；測試以人為操作讀 數為主,增加試驗過程的人為誤差；測試環(huán)境相對開放,不可避免地增加空氣中雜質成分對 集料表面能的影響，同時測試在室溫下進行無法有效保證試驗溫度恒定。針對以上現階段 集料表面能測試方法所存在的局限與不足，現階段需要一種更為準確測試集料表面能的試 驗方法。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明目的在于克服上述現有技術的缺陷，提供一種新的道路集料表面能參數的 檢測方法，該測試方法可充分考慮集料的表面特性、有效避免空氣雜質干擾、精確控制試驗 溫度并準確得到各測試指標。
[0007] 為達到上述目的，采用技術方案如下：
[0008] 道路集料表面能參數的檢測方法，包括以下步驟：
[0009] 1)選取已知表面能基本參數的三種化學試劑；采用蒸氣吸附法計算分別通過三 種試劑蒸氣吸附得到的集料比表面積SSA;計算方程如下：
[0010]
[0011] 其中，單分子層的飽和吸附量；N。-阿伏伽德羅常數;M-分子的摩爾質量，單位 g/mol;α-每一個吸附分子在吸附劑表面的投影面積，單位m2;
[0012] 2)通過Gibbs方程分別求解集料對三種試劑的表面擴散壓力πe;Gibbs方程如 下：
[0013]
[0014] 其中，R-理想氣體常數，8. 314472J/mol·K;T-試驗溫度，單位K;Pl-初始蒸氣壓 (即為〇)，單位mbar;p。-飽和蒸氣壓，單位mbar;M為吸附氣體的摩爾分子量；η-蒸氣吸附 量；Ρ_與蒸氣壓；
[0015] 其中，特定溫度下給定蒸氣的飽和蒸氣壓ρ。通過Antoine方程計算得到,其表達 式如下：
[0016] pQ= 10 [A B/(c+T 273.15)]*1000
[0017]A,B，C-各試劑的Antoine常數，由查表得到；T-試驗溫度，單位K;p。-飽和蒸氣 壓，單位mbar;
[0018] 3)建立集料表面吸附上述三種試劑蒸氣后表面能的減少量與所述試劑的內聚能 2Y 和等于集料與所述試劑粘附能Wa的平衡方程：
[0019]
[0020] Yu 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;rf，分別為集料的表面能非極性分量、極性酸分量、極 性堿分量，單位ergs/cm2; π6為集料表面的擴散壓力，單位ergs/cm2;
[0021] 三元方程求解得到集料的表面能非極性分量、極性酸分量、極性堿分量。
[0022] 按上述方案，步驟1)單分子層的飽和吸附量按以下方法得來：
[0023] 集料表面吸附蒸氣分子的情形，其模型公式為：
[0024]
[0025] ρ_分階通入蒸氣下的各階蒸氣壓，單位mbar ;ρ。-氣體特定溫度下的飽和蒸氣壓， 單位mbar;η-各階蒸氣壓ρ下單位質量集料吸附蒸氣的質量，單位mg/g;nm-飽和蒸氣壓ρ。 下單位質量集料吸附蒸氣的質量，單位（mg/g) ;c-與蒸氣分子吸附熱相關的熱力學參數；
[0028] 由斜率S和截距I得到單分子層的飽和吸附量
[0029]
[0030] 按上述方案，步驟2)中Gibbs方程蒸氣吸附量η與蒸氣壓ρ之間的關系曲線按以 下方程模型進行擬合：
[0032] 按上述方案，所述已知表面能基本參數的三種化學試劑為蒸餾水、2-戊酮、甲苯。
[0033] 本發(fā)明提出采用蒸氣吸附法作為測試集料表面能參數的新方法，其無論從測試方 法的合理性、試驗精度還是測試操作上較現有試驗方法具有顯著的進步，具體如下：
[0034] 針對集料樣品選取的測試方法更為合理。由于集料是一種高表面能物質，且其形 狀、紋理、棱角性等表面特性對粘附性影響顯著，本發(fā)明提出的蒸氣吸附法，能夠在保證集 料破碎后形態(tài)的基礎上在真空密封環(huán)境下進行試驗，且以吸附蒸氣前后的集料表面能量平 衡為基準建立求解表面能參數的基本方程，充分針對集料以上的兩大特征開展試驗工作， 其測試方法更為合理；另一方面，將吸附試驗設定在真空負壓環(huán)境下進行，極有利于加快試 驗進度，且一次試驗通過上下兩個樣品桶