不同溫度下采用插板法測(cè)試瀝青表面能的試驗(yàn)研究*

金 露 王麗靜涂崇志 馮光樂(lè) 羅 蓉

(湖北長(zhǎng)江路橋股份有限公司1) 武漢 430000) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2) 武漢 430063) (湖北省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局3) 武漢 460063)

0 引 言

作為一種可以定量評(píng)價(jià)瀝青-集料界面黏結(jié)性能的理論和方法[1]，表面能理論正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于道路工程領(lǐng)域.相比與傳統(tǒng)的水煮法和水浸法，表面能理論避免了試驗(yàn)中主觀性強(qiáng)、再現(xiàn)性差，以及只能定性評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果等缺點(diǎn)[2].它通過(guò)獲取表面能參數(shù)，計(jì)算瀝青自身的內(nèi)聚能、瀝青-集料界面的黏附能可以較準(zhǔn)確地量化粘附性，并進(jìn)一步評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的好壞.

插板法是一種典型的測(cè)試瀝青表面能參數(shù)的方法[3]，它通過(guò)動(dòng)態(tài)接觸角理論，基于力學(xué)平衡原理測(cè)得瀝青表面能.優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)步驟簡(jiǎn)單、結(jié)果準(zhǔn)確性較高.在已知至少三種液體試劑的表面能參數(shù)的情況下，插板法可測(cè)試出瀝青膜在浸入和撤出試劑時(shí)對(duì)應(yīng)的接觸角，并利用VOGC理論模型計(jì)算得到瀝青的表面能參數(shù)[4].

作為試驗(yàn)的重要影響因素，溫度在插板法中同時(shí)影響著液體試劑和瀝青的表面能.本文測(cè)試了不同溫度下液體試劑的表面張力并擬合了兩者的線性關(guān)系，然后計(jì)算出四個(gè)選定溫度點(diǎn)下的試劑表面張力，再通過(guò)插板法測(cè)試的動(dòng)態(tài)接觸角，進(jìn)一步計(jì)算這些溫度點(diǎn)下的瀝青表面能，從而觀察不同溫度時(shí)瀝青表面能的變化情況.

1 插板法試驗(yàn)原理

1.1 表面能基本定義

表面能γ的定義為恒溫、恒壓下為了使體積增加單位表面積，外界必須對(duì)體系做的功.常用單位為erg/cm2，單位面積的表面能與表面張力數(shù)值相等，它由兩部分組成：非極性色散分量γLW和極性酸堿分量γAB.其中γAB又由極性酸分量γ+和極性堿分量γ-組成.即

γ=γLW+γAB

(1)

(2)

1.2 插板法測(cè)試接觸角原理

插板法使用表面張力儀測(cè)試接觸角的原理見式(3)[5]，它通過(guò)瀝青膜在浸入試劑前后的受力變化ΔF與瀝青膜位置h的關(guān)系求解接觸角大小.

(3)

式中：ΔF為表面張力儀的天平受力變化值；a和b為瀝青膜的寬度和厚度；h為瀝青膜浸入試劑的深度；ρ′為試劑和空氣密度的差值；g為重力加速度；γL為液體試劑的表面能.

1.3 插板法測(cè)試表面張力原理

在插板法中使用鉑金板替代瀝青膜可測(cè)得試劑的表面張力，由于鉑金板能完全潤(rùn)濕液體試劑，故此時(shí)的固液接觸角為0°，將θ=0°代入式(3)，可得到式(4).因?yàn)楣接疫叺乃袇?shù)均已知，所以通過(guò)該公式可直接計(jì)算出表面張力.

(4)

1.4 表面張力分量計(jì)算原理

使用鉑金板測(cè)試了不同溫度下的試劑表面張力后，能夠擬合出表面張力隨溫度變化的關(guān)系模型，進(jìn)一步可計(jì)算任何溫度下的試劑表面張力.由于計(jì)算瀝青-試劑接觸角時(shí)需要用到試劑的表面張力分量，可認(rèn)為表面張力與其分量在隨溫度變化時(shí)呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)[6]，因此，根據(jù)20 ℃時(shí)的理論值[7]及比例(見表1)，可相應(yīng)地求解其他溫度下的表面張力分量.

表1 20 ℃時(shí)試劑的表面張力及分量理論值erg/cm2

1.5 表面能參數(shù)計(jì)算原理

插板法依據(jù)接觸角原理，利用Young-Dupre方程(式(3))計(jì)算瀝青的三個(gè)基本表面能參數(shù)[8-9].

(5)

由于試劑的表面能參數(shù)已知，因此，式(3)中未知的參數(shù)只有瀝青的三個(gè)參數(shù)，使用插板法測(cè)試至少三種不同的試劑與瀝青的接觸角，便能夠形成方程組求解出瀝青表面能參數(shù)[10-12]，再將結(jié)果代入式(1)～(2)，可計(jì)算出瀝青的表面能γS.

2 試驗(yàn)材料與過(guò)程

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取了兩種70#基質(zhì)瀝青和兩種SBS改性瀝青，其基本性能指標(biāo)見表2.插板法測(cè)試表面能的液體試劑為蒸餾水、甲酰胺、丙三醇和乙二醇.

表2 試驗(yàn)樣品的基本性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

表面張力儀通過(guò)溫度探頭測(cè)試當(dāng)前的試驗(yàn)溫度，通過(guò)恒溫水浴箱控制當(dāng)前的試驗(yàn)溫度，從而將試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置在15～75 ℃之間變化.同時(shí)，每隔1 h使用鉑金板浸入試劑測(cè)試當(dāng)前狀態(tài)下的表面張力，各個(gè)溫度下至少重復(fù)試驗(yàn)三次以上，然后求平均值作為最終結(jié)果.測(cè)試出各個(gè)溫度下的試劑表面張力后，線性擬合得到兩者的關(guān)系式.

將試驗(yàn)環(huán)境溫度分別控制在10，20，30和40 ℃條件下，使用插板法測(cè)試瀝青膜與四種液體試劑的接觸角，具體過(guò)程為：首先加熱瀝青使其呈流動(dòng)狀態(tài)，制備瀝青涂膜玻片并測(cè)量其寬度和厚度，然后將玻片懸掛在天平夾具上，在天平下方放置已知表面能參數(shù)的液體試劑，緩慢降低天平夾具，使涂膜玻片與液面相接觸，逐漸浸入液面以下再緩慢撤出，其中浸入液面的過(guò)程稱為前進(jìn)過(guò)程，撤出液面的過(guò)程稱為后退過(guò)程.整個(gè)過(guò)程中精密天平記錄了受力的變化，儀器也會(huì)繪制出天平受力與玻片浸入位置的關(guān)系圖.將受力變化值代入式(4)可計(jì)算兩者形成的接觸角，再通過(guò)式(5)可求解當(dāng)前溫度下瀝青樣品的表面能.

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同溫度下試劑的表面張力

不同溫度下的試劑表面張力測(cè)試結(jié)果見圖1.由圖1可知，四種試劑的表面張力與溫度都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且線性擬合度較高(判定系數(shù)R2均大于0.98).得到表面張力與溫度的擬合關(guān)系式后，選定10，20，30和40 ℃四個(gè)溫度點(diǎn)，計(jì)算出此時(shí)對(duì)應(yīng)的試劑表面張力，見表3.根據(jù)表1中的表面張力與分量的比例關(guān)系，可計(jì)算出對(duì)應(yīng)溫度下的表面張力分量.

圖1 不同溫度下的試劑表面張力與溫度的相關(guān)性

試劑以下溫度(℃)試劑表面張力/(erg·cm-2)10203040蒸餾水74.1872.7271.2669.80甲酰胺60.4859.5158.5357.56丙三醇66.7765.8064.8463.87乙二醇50.3849.4148.4447.47

3.2 不同溫度下瀝青的表面能

采用插板法測(cè)試得到的瀝青-試劑接觸角見表4～7，由表4～7可知：4種瀝青樣品呈現(xiàn)的規(guī)律相同，隨著溫度的升高，前進(jìn)過(guò)程的接觸角呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，后退過(guò)程的接觸角呈現(xiàn)減小趨勢(shì).

表4不同溫度下1#瀝青樣品與試劑的接觸角(°)

試驗(yàn)溫度/(℃)前進(jìn)過(guò)程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇后退過(guò)程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇10105.1587.0691.4076.7370.2559.8258.2053.1920105.6289.2592.7977.6066.3457.2157.1751.8430110.9694.8699.1983.4553.6739.4846.3032.5840116.19114.26103.5389.7746.2424.6938.2825.32

表5不同溫度下2#瀝青樣品與試劑的接觸角(°)

試驗(yàn)溫度/(℃)前進(jìn)過(guò)程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇后退過(guò)程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇10106.9887.0688.3577.6674.6559.8265.1454.4420108.1590.0993.6178.6566.1454.6960.3645.3230118.4593.0498.2383.7860.4349.4857.0140.3640121.9899.43104.2888.2733.4526.1930.3620.06

表6不同溫度下3#瀝青樣品與試劑的接觸角(°)

試驗(yàn)溫度/(℃)前進(jìn)過(guò)程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇后退過(guò)程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇10107.4689.1992.3777.6080.8268.6270.8361.2120108.9991.9194.4379.8569.2267.4870.1057.5830109.9894.4196.7184.3765.4851.9258.1650.8040118.02102.15106.8390.9349.4335.1135.9026.53

表7不同溫度下4#瀝青樣品與試劑的接觸角(°)

試驗(yàn)溫度/(℃)前進(jìn)過(guò)程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇后退過(guò)程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇10105.7588.5589.7375.3768.1555.3558.3749.3620106.8691.1092.4578.5156.2451.2251.6543.4030109.4993.4496.0681.8060.6242.4148.3834.7340120.7297.17103.5687.4949.4835.8443.6224.27

將試劑表面張力按比例分配得到分量后，與表4～ 7中的接觸角數(shù)據(jù)一同代入式(5)，可解算出不同溫度點(diǎn)下的瀝青表面能，擬合各瀝青樣品表面能與溫度的線性關(guān)系，見圖2.可以發(fā)現(xiàn)：①對(duì)于前進(jìn)過(guò)程，70#基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的表面能都與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)；對(duì)于后退過(guò)程，70#基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的表面能都與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì).且前進(jìn)和后退過(guò)程中直線擬合的判定系數(shù)R2均大于0.85，說(shuō)明對(duì)應(yīng)的線性擬合度處于較高水平；②從直線斜率的大小可以看出，后退過(guò)程的斜率絕對(duì)值普遍比前進(jìn)過(guò)程的斜率絕對(duì)值要大，證明后退過(guò)程中表面能隨溫度的變化更為顯著；③無(wú)論是前進(jìn)還是后退過(guò)程，1#、2#瀝青樣品對(duì)應(yīng)的直線斜率絕對(duì)值普遍比3#、4#瀝青樣品要大，說(shuō)明溫度對(duì)70#基質(zhì)瀝青的表面能影響更大，即70#基質(zhì)瀝青的表面能溫度敏感性更強(qiáng).

圖2 不同溫度點(diǎn)下的瀝青表面能

4 結(jié) 論

1) 經(jīng)鉑金板測(cè)試發(fā)現(xiàn)，插板法中4種常用液體試劑(蒸餾水、甲酰胺、丙三醇和乙二醇)的表面張力隨溫度的變化都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且判定系數(shù)均大于0.98.

2) 通過(guò)插板法測(cè)試得到瀝青與試劑的動(dòng)態(tài)接觸角，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，前進(jìn)過(guò)程中接觸角逐漸增大，后退過(guò)程中接觸角逐漸減小.

3) 分析試驗(yàn)得到的瀝青表面能，發(fā)現(xiàn)瀝青表面能隨溫度變化的散點(diǎn)圖的線性擬合度都大于0.85，且前進(jìn)過(guò)程中表面能與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，后退過(guò)程中表面能與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系.

4) 后退過(guò)程中瀝青表面能隨溫度變化的斜率絕對(duì)值更大，說(shuō)明該過(guò)程中瀝青表面能的溫度敏感性更強(qiáng)；在前進(jìn)和后退過(guò)程中，70#基質(zhì)瀝青對(duì)應(yīng)的直線斜率絕對(duì)值比SBS改性瀝青要大，說(shuō)明溫度對(duì)70#基質(zhì)瀝青的表面能影響更大.