基于浸潤速度計算瀝青表面自由能的方法研究*

涂崇志 羅 蓉 張德潤

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

基于浸潤速度計算瀝青表面自由能的方法研究*

涂崇志 羅 蓉 張德潤

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

為準(zhǔn)確計算瀝青表面自由能參數(shù)，分析插板法測試瀝青表面自由能過程中浸潤速度對測試結(jié)果的影響，采用10種不同浸潤速度測試2種瀝青與4種測試溶液之間的動態(tài)接觸角.根據(jù)動態(tài)接觸角與速度之間的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型并求解速度為0時，測試溶液與瀝青之間的靜態(tài)接觸角.結(jié)果表明，前進(jìn)過程得到瀝青與測試溶液的動態(tài)接觸角隨浸潤速度增大而增大，而相應(yīng)計算得到表面能隨浸潤速度增大而減?。徊捎脭?shù)學(xué)模型計算得到70#基質(zhì)瀝青靜態(tài)接觸角與3 mm/min浸潤速度下動態(tài)接觸角，兩者表面能變化率為39%，同樣SBS改性瀝青表面能變化率為3.7%.因此，根據(jù)插板法計算瀝青表面自由能時，應(yīng)采用不同浸潤速度下的試驗數(shù)據(jù)計算靜態(tài)接觸角，不能忽略浸潤速度對測試結(jié)果的影響.

道路工程；瀝青表面自由能；插板法；動態(tài)接觸角；靜態(tài)接觸角

0 引 言

(1)

現(xiàn)階段主要通過測定液體在固體表面形成的接觸角θ，根據(jù)Young-Dupre方程(YD方程)計算固體表面自由能.

(2)

根據(jù)YD方程可知，求解瀝青3個表面自由能參數(shù)，需要至少3種已知表面自由能參數(shù)的試劑與瀝青的接觸角θ.目前，常用的瀝青接觸角測量方法有圖像法[1]和力學(xué)法[2-3]：圖像法通過圖像分析技術(shù)計算得到瀝青的接觸角，但此方法不能克服液滴自身重力和靜電吸附作用對于接觸角結(jié)果的影響，同時試驗結(jié)果直接受到設(shè)備精度的影響；而力學(xué)法是另一種能夠快速的表征瀝青接觸角的有效方法，此方法通過記錄接觸線浸入溶液前后力的變化求解接觸角.

插板法是力學(xué)法中最常用的方法之一，被廣泛用于測量物質(zhì)表面能參數(shù).在道路工程中，表面自由能常用于分析瀝青與集料間粘附能力以及與瀝青混合料水穩(wěn)定性之間的關(guān)系[4].插板法能有效減少利用圖像法測試時人為觀察產(chǎn)生的誤差，但插板法相比于圖像法最大的區(qū)別在于引入了浸潤速度這一影響因素.因此插板法測試過程是一個動態(tài)接觸過程，而圖像法測試過程是一個靜態(tài)接觸過程，所以一般將插板法測試結(jié)果稱為動態(tài)接觸角θD，而光學(xué)法測試接觸角稱為靜態(tài)接觸角θ0.同時，力學(xué)法測試過程中存在2個運動過程：①前進(jìn)過程，插板浸入試劑，得到的接觸角為前進(jìn)角θA；②后退過程：插板離開試劑，得到接觸角為后退角θR.通常情況下，動態(tài)接觸角θD的大小與浸潤速度相關(guān).由于試驗與測量的困難，一般很少給出極低速度下動態(tài)接觸角與接觸線速度的關(guān)系，一般用2～3 mm/min得到的接觸角代替靜態(tài)接觸角[5-8]，但到底用多低的速度測試才能忽略速度對測試結(jié)果的影響還沒有一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).

因此，為了精確計算瀝青表面自由能，文中通過測試10種不同速率下瀝青接觸動態(tài)角，然后通過建立數(shù)學(xué)的方式，求解速度為v=0時，瀝青的靜態(tài)接觸角θ0，并比較分析不同方程擬合結(jié)果與實測接觸角之間的關(guān)系.最后，利用靜態(tài)接觸角和動態(tài)接觸角分別計算瀝青表面自由能，比較2種計算方法得到的表面能參數(shù)變化率.

1 動態(tài)接觸角測試

1.1 插板法測試原理

插板法是根據(jù)豎向力學(xué)平衡的原理，通過測量涂有瀝青的玻片浸入測試溶液前后天平受力變化差值ΔF來計算接觸角θ值，示意圖見圖1.

圖1 插板法測試平衡示意圖

當(dāng)瀝青玻片在浸入測試溶液前：

(3)

當(dāng)瀝青玻片浸入測試溶液后：

(4)

所以瀝青與測試溶液的接觸角為：

(5)

式中：F1，F(xiàn)2分別為天平在瀝青玻片浸入試劑前后讀數(shù)；W為瀝青玻片的總質(zhì)量；ΔF為涂膜玻片浸入試劑前后系統(tǒng)天平受力變化差值；V為瀝青玻片的體積；Vim為瀝青玻片浸入液體的體積；ρa(bǔ)ir為空氣的密度；ρL為測試溶液的密度；g為重力加速度；γL為試劑的表面張力；Pt為瀝青玻片周長.

1.2 試驗材料和試驗過程

1.2.1 試驗材料

試驗采用瀝青：70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青；測試溶劑：蒸餾水、甲酰胺、乙二醇、丙三醇.測試溶劑密度及表面能參數(shù)見表1.

表1 測試溶劑20 ℃時密度及表面能參數(shù)

1.2.2 試驗過程

首先采用以下方式制作瀝青玻片：①將70#基質(zhì)瀝青放入135 ℃烘箱，SBS改性瀝青放到150 ℃烘箱內(nèi)加熱30 min，使得瀝青溶化為液體；②先用丙酮清洗玻片上油漬，然后使用蒸餾水清洗玻片上殘留丙酮，再使用無絨試紙將玻片表面水分擦干，最后用噴槍將玻片上殘留水分蒸干；③用電磁加熱爐加熱瀝青樣品，使得瀝青樣品保持液態(tài).然后將玻片勻速插入瀝青內(nèi)，保證玻片上均勻涂抹一層瀝青膜；④將制作完成的瀝青玻片放入干燥箱中24 h.然后采用全自動表面張力儀(K100)測試瀝青表面自由能：⑤用游標(biāo)卡尺測量瀝青玻片厚度a和寬度b和高度h；⑥設(shè)定瀝青玻片浸入深度h=10 mm，則玻片浸入體積為Vim=abh；⑦設(shè)定儀器分別用0.2,0.5,1,3,5,10,20,50,100,200 mm/min速度測量接觸角；⑧通過恒溫器將試驗溫度控制在(20±2) ℃，示意圖見圖2.

圖2 實驗過程示意圖

1.3 動態(tài)接觸角試驗結(jié)果

根據(jù)上述試驗過程，測得兩種瀝青在不同浸潤速度下接觸角見表2.

根據(jù)實驗結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)：

1) 對于同1種瀝青，在相同速率下測試得到前進(jìn)角與后退角相差較大，前進(jìn)角始終大于后退角.

表2 不同速率測得70#瀝青接觸角

表3 不同速率測得SBS改性瀝青接觸角

2) 前進(jìn)角隨浸潤速度增大而增大；后退角隨浸潤速度變化規(guī)律不明顯.

當(dāng)瀝青玻片插入測試溶劑時，可以看作是測試溶液潤濕瀝青玻片表面；而后退過程則可以看作測試溶液從瀝青表面退濕.由于浸潤速度不同，測試溶液會不同程度的殘留在瀝青表面或者滲入瀝青，由于后退過程相比于前進(jìn)過程與測試溶液接觸時間更長，因此后退角數(shù)值受到多個因素的影響，因此文中將重點研究前進(jìn)過程.

2 浸潤速度對瀝青表面自由能影響

根據(jù)上述分析，插板法測試瀝青表面接觸角時，浸潤速度直接影響瀝青表面自由能計算結(jié)果.同時在前進(jìn)過程中，動態(tài)接觸角隨浸潤速度增大逐漸減小.但接觸角為物質(zhì)的固有屬性，動態(tài)接觸角θD理論上應(yīng)該與Young接觸角θ相同且唯一.因此，文中通過擬合不同速率下測得瀝青接觸角，通過計算求得速度v=0時，動態(tài)接觸角用于表示Young接觸角θ.由于Young接觸角θ始終惟一，所以根據(jù)前進(jìn)過程和后退過程擬合接觸應(yīng)該相同.但是根據(jù)上節(jié)結(jié)論可知，后退過程比前進(jìn)過程更復(fù)雜，受更多外界因素的影響.因此，文中將重點分析前進(jìn)過程，利用前進(jìn)過程試驗數(shù)據(jù)求解靜態(tài)接觸角θ0.

通常情況下認(rèn)為動態(tài)接觸接觸角θD是靜態(tài)接觸角θ0和毛細(xì)數(shù)Ca的函數(shù)，即

(6)

表4 不同測試溶液不同浸潤速度下毛細(xì)準(zhǔn)則數(shù)

但是，f具體函數(shù)形式尚未統(tǒng)一，一般采用經(jīng)驗公式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合.現(xiàn)將同一種測試溶液測得動態(tài)接觸角θD和毛細(xì)準(zhǔn)則數(shù)Ca繪于同一坐標(biāo)系中，來研究動態(tài)接觸角和毛細(xì)準(zhǔn)則數(shù)兩者之間的函數(shù)形式.文中采用EXPDec2(Y=a·exp(b·x)+c·exp(d·x))曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合.當(dāng)x=0時，Y則為靜態(tài)接觸角θ0，圖3為不同浸潤速率下瀝青測試溶液接觸角關(guān)系.

擬合結(jié)果表明,采用EXPDec2函數(shù)方程擬合試驗數(shù)據(jù)，擬合度R2大于0.95，擬合優(yōu)度較高.然后利用式(2)求解不同速率下瀝青表面自由能參數(shù).并以擬合得到的靜態(tài)接觸角計算得到的表面能參數(shù)為基準(zhǔn)，計算不同速率下瀝青接觸角的變化率(Δφ=(γD-γ0)/γ0)，計算結(jié)果見圖4.

圖3 不同浸潤速率下瀝青測試溶液接觸角關(guān)系

圖4 瀝青表面能參數(shù)隨浸潤速度關(guān)系曲線

由圖4可知，不同浸潤速度直接影響瀝青表面自由能參數(shù)：瀝青表面能自由能參數(shù)隨浸潤速度增大而增大；70#基質(zhì)瀝青相比于SBS改性瀝青更容易受到浸潤速度的影響；現(xiàn)階段一般采用3 mm/min浸潤速度不能表明直接用于計算瀝青表面自由能參數(shù)，采用擬合得到的靜態(tài)接觸角能夠有效提高表面自由能計算結(jié)果的精度.

3 表面能參數(shù)與瀝青集料粘附性關(guān)系

(6)

通常情況下,對于瀝青混合料而言為負(fù)值，說明瀝青—水+瀝青—集料體系的表面自由能小于瀝青+集料體系的表面自由能.因此當(dāng)水進(jìn)入瀝青混合料內(nèi)部時，會導(dǎo)致瀝青自發(fā)從集料表面剝離，且負(fù)值越大表明水從集料表面置換瀝青的程度越高；

因此，對于瀝青混合料而言綜合來看可使用式(8)來表征瀝青與集料組合的水穩(wěn)定性.

(8)

運用磁懸浮天平重量法氣體和蒸汽吸附儀采用氣體吸附法測試得到2種典型集料石英砂巖和石灰?guī)r的表面能參數(shù)，將其匯總后見表5.

表5 石英砂巖和石灰?guī)r的表面能參數(shù)

結(jié)合式(6)～(7)可計算得到2種集料樣品與各瀝青樣品之間前進(jìn)過程中的粘附結(jié)合能，計算結(jié)果見表6.

表6 各瀝青樣品與2種集料組合的粘附結(jié)合能

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)要求，成型AC-13馬歇爾試件并進(jìn)行浸水和凍融劈裂試驗，試驗結(jié)果見圖5.

圖5 表面能指標(biāo)與馬歇爾穩(wěn)定、凍融劈裂比關(guān)系

根據(jù)表6可知，ER1

4 結(jié) 論

1) 對于同一種瀝青，相同速率下測試得到前進(jìn)角與后退角相差較大，且前進(jìn)過程得到瀝青表面自由能隨測試速度增加而增加；而后退角隨浸潤速度變化規(guī)律不明顯.

2) 70#基質(zhì)瀝青相比于SBS改性瀝青更容易受到浸潤速度的影響 .

3) EXPDec2擬合試驗數(shù)據(jù)能夠較好的擬合試驗數(shù)據(jù).通過數(shù)據(jù)擬合得到的接觸角結(jié)果一般情況下大于直接測量接觸角；其計算瀝青表面自由能小于直接測量接觸角計算結(jié)果.

4) 精確計算瀝青表面自由能參數(shù)將有利于更深入地分析不同瀝青—集料粘附指標(biāo)、瀝青混合料力學(xué)指標(biāo)等與表面自由能之間的關(guān)系.

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Study on Surface Free Energy Calculation Method of Asphalt Based on Wetting Velocity

TU Chongzhi LUO Rong ZHANG Derun

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

In order to accurately determine the surface free energy components of the asphalt, this study investigates the effects of the wetting velocity on measurement of the surface free energy using the Wilhelmy Plate Method. Ten different wetting velocities are used to measure the two type of asphalt binders dynamic contact angle with four probe liquids. Mathematics models are established according to the relationship between the dynamic contact angle and wetting velocity, to predict the static contact angle when the wetting velocity is zero. Finally, the surface free energy of the asphalt can be calculated by static contact angle and dynamic contact angle respectively, and the change rates of the surface energy parameters obtained by the two methods are compared. The results show that：the dynamic contact angle increases with the wetting velocity in advancing process，while the surface free energy calculated by the dynamic contact angle decreases with the wetting velocity；the change rate of the surface free energy between dynamic contact angle (3 mm/min) and the static contact angle is 39% for 70# asphalt binder, while the change rate of SBS modified asphalt is 3.7%. Therefore, when the surface free energy of asphalt is calculated according to the Wilhelmy Plate method, the static contact angle should be calculated by fitting the experimental data at different wetting velocity.

road engineering; asphalt surface free energy; Wilhelmy Plate Method; dynamic contact angle; static contact angle

2016-11-16

*交通部建設(shè)科技項目(2014318J22120)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2016-zy-016)資助

U414.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.016

涂崇志(1991—)：男，博士生，主要研究領(lǐng)域為道路瀝青材料