不同溫度下采用蒸氣吸附法測試集料表面能的試驗研究

汪 翔 吳 鵬 賈善林 陳文強 鄧鳴銀 張 明

(武漢理工大學交通與物流工程學院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術研究中心2) 武漢 430063) (湖北省路橋集團有限公司3) 武漢 430056)

0 引 言

瀝青路面發生水損害的主要原因是瀝青與集料之間較低的黏附性[1].然而，傳統評價瀝青與集料之間黏附性的水煮法與水浸法試驗僅僅只能從定性的角度出發[2]；與此同時，其試驗結果往往因人而異，且具有較強的人為主觀因素，因而不能準確地評價瀝青與集料之間的黏附性.鑒于水煮法這類定性評價方法的局限性，為準確評價瀝青與集料之間的黏附性，基于表面能理論的相關研究得到了進一步發展與應用.實際上，表面能理論可以很好地從物理、化學及熱力學角度來表征材料本身的內聚能與材料之間的結合能，將其直接運用到瀝青混合料中，可以定量計算瀝青與集料各自的表面能大小，進而在表面能理論體系下計算瀝青或者集料本身的內聚能及這二者之間的結合能，并以此為依據來定量表征其黏附性.因此，基于表面能理論的定量分析方法被廣泛應用于道路工程領域[3].

在集料表面能測試過程中，常見的試驗方法有靜滴法、毛細上升法、微熱量計法及蒸氣吸附法等.綜合來看，相較于其他試驗方法，蒸氣吸附法保留了集料本身的天然狀態，其操作簡單，試驗精度高，可行性強，測量結果較為準確，因而可以很好地用來測量集料的表面能參數，進而準確表征瀝青與集料之間的黏附性[4].

在蒸氣吸附法試驗過程中，溫度作為一種常見且重要的影響因素，勢必會在一定程度上影響集料表面能的測試結果.因此，為了探究溫度對蒸氣吸附法測試集料表面能的影響規律，本文以石灰巖和安山巖集料為試驗對象，在10～40 ℃內設置4個溫度點，依次測量了這兩種集料在不同溫度下的各階蒸氣吸附量，進而計算出集料在不同溫度下的表面能參數，以探究不同溫度下采用蒸氣吸附法測試集料表面能的試驗影響規律.

1 蒸氣吸附法試驗原理

1.1 表面能

表面能是指在恒溫恒壓條件下，材料表面增加或者減少單位表面積時，外界需要對該材料本身所做的功，一般用字母γ表示，其單位為erg/cm2.在表面能理論中，常采用經典的GvOC三分量理論體系.在該體系下，材料的表面能總量可分為三部分，即非極性分量γLW、極性酸分量γ+和極性堿分量γ-，其中極性酸分量和極性堿分量統稱為極性酸堿分量γAB[5-7].表示為

(1)

1.2 蒸氣吸附法測試集料比表面積

該方法需要測試集料在不同壓強下對各試劑的蒸氣吸附量，通過M-BET模型計算出集料的比表面積SSA[8].其表達式為

(2)

式中：nm為集料對各試劑的飽和吸附量；NA為阿伏伽德羅常數；M為各試劑的摩爾質量；α為單個試劑分子在吸附劑表面的投影面積.

其中集料對各試劑的飽和吸附量nm為

(3)

式中：p為環境壓強；n為壓強為p時集料樣品對試劑蒸氣的吸附量；p0為各試劑的飽和蒸氣壓；c，k為試驗擬合參數.

1.3 蒸氣吸附法測試集料表面擴散壓力

根據試驗測量得到的集料樣品在各壓強下的吸附量數據，選取吸附等溫線模型進行擬合，并根據Gibbs方程計算集料樣品相對于各試劑的表面擴散壓力πe[9].其表達式為

(4)

式中：R為理想氣體常數；T為樣品試驗溫度.

1.4 蒸氣吸附法測試集料表面能

基于上述計算得到的集料比表面積和表面擴散壓力，結合Young-Dupre方程建立如下平衡方程組，求解便可得到集料的表面能參數.

(5)

由于測試試劑的表面能參數已知，因此上述表達式中還需求解三個未知參數.因此，試驗選取了三種常見的已知表面能參數的液體試劑進行試驗，即以蒸餾水、2-戊酮及甲苯為測試試劑，進一步開展集料的蒸氣吸附試驗，與此同時，根據表達式(5)，便可計算得到集料的表面能總量及各分量值.

1.5 試劑表面能分量計算

首先采用鉑金板測試了不同溫度下試劑的表面能總量，然后以20 ℃時試劑的表面能參數為基準，按照等量變化的原則，得到其他各溫度下試劑的表面能分量值[10].其中20 ℃時各試劑的表面能參數見表1.

表1 20 ℃時三種試劑的表面能參數 單位：erg/cm2

2 試驗材料與試驗步驟

2.1 試驗材料與設備

試驗選取了湖北省內的兩種典型路用集料進行試驗，分別為安山巖和石灰巖集料，其粒徑大小為2.36～4.75 mm.考慮到當地氣候條件和試驗可行性，將試驗溫度范圍控制在10～40 ℃，且均分為4個溫度梯度，并進行蒸氣吸附試驗.主要試驗設備為磁懸浮重量平衡儀.主要試驗儀具與材料有：2.36～4.75 mm集料試樣、蒸餾水、2-戊酮、甲苯、烘箱、干燥箱等.

2.2 試驗步驟

首先根據安托尼公式計算出不同溫度下各試劑下的飽和蒸氣壓，結果見表2.

p0=10[A-B/(C+T)]×1 000

(6)

式中：A，B，C分別為試劑的安托萬常數；T為試驗溫度，℃；p0為飽和蒸氣壓，mbar.

表2 不同溫度下各試劑的飽和蒸氣壓

進一步的，根據各試劑的飽和蒸氣壓值合理設置壓強分階方案，見表3.

與此同時，準備好2.36～4.75 mm粒徑的集料樣品，用蒸餾水清洗干凈之后將其置于150 ℃烘箱內加熱干燥12 h以上，然后置于干燥箱中密封干燥24 h以上，最后選取適量樣品放置于磁懸浮重量平衡儀樣品腔內，并依次進行空籃試驗、預處理試驗和蒸氣吸附試驗，具體為

1) 空籃試驗.用丙酮清洗樣品籃，然后將其放置于試驗腔內，手動調平之后，實時稱量樣品籃的質量.

表3 不同溫度下各試劑對應壓強分階方案 單位：mbar

2) 預處理試驗.空籃試驗后，將適量集料置于樣品桶內并放置于試驗腔中，手動調平之后，設置試驗溫度為150 ℃，操作儀器進行高溫預處理并實時稱量集料和樣品的總質量，直至穩定.

3) 蒸氣吸附試驗.預處理試驗之后，設置試驗溫度為既定溫度，操作儀器進行逐階蒸氣吸附試驗，實時稱量樣品桶、集料以及所吸附蒸氣的總質量，直至穩定方可進行下一階試劑蒸氣吸附試驗.

3 試驗結果與討論

3.1 不同溫度下試劑蒸氣分子橫截面積與直徑

根據下式計算出不同溫度下各試劑蒸氣分子的相關參數，具體結果見表4.

(7)

(8)

式中：σ為單個蒸氣分子在集料表面的投影面積；M為試劑蒸氣的摩爾質量；ρ為試驗溫度下蒸氣對應液態時的密度；d為單個分子的直徑.

表4 各溫度下試劑蒸氣分子的橫截面積與直徑

3.2 不同溫度下集料對各試劑蒸氣的比表面積和擴散壓力

采用蒸氣吸附法測試不同溫度下集料對各試劑蒸氣的吸附量，圖1為不同溫度下石灰巖集料對各試劑蒸氣的吸附量結果，圖2為安山巖集料對各試劑蒸氣的吸附量結果.

圖1 石灰巖集料對三種試劑蒸氣的吸附量結果

圖2 安山巖集料對三種試劑蒸氣的吸附量結果

將上述試驗測量得到的各集料對試劑蒸氣的吸附量數據代入式(2)～(3)中，根據M-BET模型線性擬合求解便可得到集料對各試劑蒸氣的比表面積.與此同時，將上述試驗數據代入式(4)中，采用DA模型擬合求解便可得到集料對各試劑蒸氣的擴散壓力.計算結果見表5～6.

表5 不同溫度下石灰巖集料對各試劑蒸氣的比表面積和擴散壓力

表6 不同溫度下安山巖集料對各試劑蒸氣的比表面積和擴散壓力

3.3 不同溫度下集料的表面能

將上述計算結果代入式(5)，聯立方程并求解，便可得到集料在不同溫度下的表面能結果，并繪制于下圖.其中圖3為不同溫度下石灰巖集料、安山巖集料的表面能各分量值與總量值.

圖3 不同溫度下表面能各分量值與總量值

將其表面能總量進行對數換算，見圖4.

圖4 不同溫度下集料的表面能總量

由圖4可知：從表面能總量上來看，不同溫度下集料的表面能總量具有較大的差異，總體表現為溫度越高，集料的表面能總量越大，且相較于20 ℃時的表面能總量值，石灰巖集料表面能總量值最高增量為2.1倍，安山巖集料表面能增量為1.6倍.在40 ℃時，石灰巖集料的表面能總量遠超于其他三個溫度時的表面能值；而對于安山巖來說，當溫度為30 ℃時，其表面總量已有明顯的增加.其次，在10 ℃時，安山巖集料的表面能總量稍大于石灰巖；而在40 ℃時，其表面能總量稍小于石灰巖.與此同時，當溫度由10 ℃上升到40 ℃時，安山巖集料表面能總量增加的速度由快而慢，而石灰巖集料的表面能總量增加的速度卻與之相反，表現為由慢而快.另一方面，從表面能分量上來看，兩種集料表現出一致的特征，即其表面能非極性分量和極性堿分量在表面能總量上占比較大，而極性酸分量占比較少.

4 結 論

1) 隨著溫度的上升，在10～40 ℃范圍內，石灰巖和安山巖集料的表面能總量均呈現一定程度的增加，且相較于20 ℃時的表面能總量值，其最高增量達2.1倍；從趨勢上來看，石灰巖集料表面能總量上升趨勢為先慢后快，而安山巖則表現為先快后慢，兩者具有一定的差異性.

2) 從表面能分量上看，在整個溫度變化過程中，兩種集料的表面能非極性分量和極性堿分量在其總量中占比較大，而極性酸分量占比較少.