不同溫度下采用蒸氣吸附法測(cè)試集料表面能的試驗(yàn)研究

汪 翔 吳 鵬 賈善林 陳文強(qiáng) 鄧鳴銀 張 明

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

0 引 言

瀝青路面發(fā)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(tǒng)評(píng)價(jià)瀝青與集料之間黏附性的水煮法與水浸法試驗(yàn)僅僅只能從定性的角度出發(fā)[2]；與此同時(shí)，其試驗(yàn)結(jié)果往往因人而異，且具有較強(qiáng)的人為主觀因素，因而不能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)瀝青與集料之間的黏附性.鑒于水煮法這類定性評(píng)價(jià)方法的局限性，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青與集料之間的黏附性，基于表面能理論的相關(guān)研究得到了進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用.實(shí)際上，表面能理論可以很好地從物理、化學(xué)及熱力學(xué)角度來表征材料本身的內(nèi)聚能與材料之間的結(jié)合能，將其直接運(yùn)用到瀝青混合料中，可以定量計(jì)算瀝青與集料各自的表面能大小，進(jìn)而在表面能理論體系下計(jì)算瀝青或者集料本身的內(nèi)聚能及這二者之間的結(jié)合能，并以此為依據(jù)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(yīng)用于道路工程領(lǐng)域[3].

在集料表面能測(cè)試過程中，常見的試驗(yàn)方法有靜滴法、毛細(xì)上升法、微熱量計(jì)法及蒸氣吸附法等.綜合來看，相較于其他試驗(yàn)方法，蒸氣吸附法保留了集料本身的天然狀態(tài)，其操作簡(jiǎn)單，試驗(yàn)精度高，可行性強(qiáng)，測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確，因而可以很好地用來測(cè)量集料的表面能參數(shù)，進(jìn)而準(zhǔn)確表征瀝青與集料之間的黏附性[4].

在蒸氣吸附法試驗(yàn)過程中，溫度作為一種常見且重要的影響因素，勢(shì)必會(huì)在一定程度上影響集料表面能的測(cè)試結(jié)果.因此，為了探究溫度對(duì)蒸氣吸附法測(cè)試集料表面能的影響規(guī)律，本文以石灰?guī)r和安山巖集料為試驗(yàn)對(duì)象，在10～40 ℃內(nèi)設(shè)置4個(gè)溫度點(diǎn)，依次測(cè)量了這兩種集料在不同溫度下的各階蒸氣吸附量，進(jìn)而計(jì)算出集料在不同溫度下的表面能參數(shù)，以探究不同溫度下采用蒸氣吸附法測(cè)試集料表面能的試驗(yàn)影響規(guī)律.

1 蒸氣吸附法試驗(yàn)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(shí)，外界需要對(duì)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(jīng)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(tǒng)稱為極性酸堿分量γAB[5-7].表示為

(1)

1.2 蒸氣吸附法測(cè)試集料比表面積

該方法需要測(cè)試集料在不同壓強(qiáng)下對(duì)各試劑的蒸氣吸附量，通過M-BET模型計(jì)算出集料的比表面積SSA[8].其表達(dá)式為

(2)

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

其中集料對(duì)各試劑的飽和吸附量nm為

(3)

式中：p為環(huán)境壓強(qiáng)；n為壓強(qiáng)為p時(shí)集料樣品對(duì)試劑蒸氣的吸附量；p0為各試劑的飽和蒸氣壓；c，k為試驗(yàn)擬合參數(shù).

1.3 蒸氣吸附法測(cè)試集料表面擴(kuò)散壓力

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量得到的集料樣品在各壓強(qiáng)下的吸附量數(shù)據(jù)，選取吸附等溫線模型進(jìn)行擬合，并根據(jù)Gibbs方程計(jì)算集料樣品相對(duì)于各試劑的表面擴(kuò)散壓力πe[9].其表達(dá)式為

(4)

式中：R為理想氣體常數(shù)；T為樣品試驗(yàn)溫度.

1.4 蒸氣吸附法測(cè)試集料表面能

基于上述計(jì)算得到的集料比表面積和表面擴(kuò)散壓力，結(jié)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(shù).

(5)

由于測(cè)試試劑的表面能參數(shù)已知，因此上述表達(dá)式中還需求解三個(gè)未知參數(shù).因此，試驗(yàn)選取了三種常見的已知表面能參數(shù)的液體試劑進(jìn)行試驗(yàn)，即以蒸餾水、2-戊酮及甲苯為測(cè)試試劑，進(jìn)一步開展集料的蒸氣吸附試驗(yàn)，與此同時(shí)，根據(jù)表達(dá)式(5)，便可計(jì)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(jì)算

首先采用鉑金板測(cè)試了不同溫度下試劑的表面能總量，然后以20 ℃時(shí)試劑的表面能參數(shù)為基準(zhǔn)，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(shí)各試劑的表面能參數(shù)見表1.

表1 20 ℃時(shí)三種試劑的表面能參數(shù) 單位：erg/cm2

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)步驟

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)選取了湖北省內(nèi)的兩種典型路用集料進(jìn)行試驗(yàn)，分別為安山巖和石灰?guī)r集料，其粒徑大小為2.36～4.75 mm.考慮到當(dāng)?shù)貧夂驐l件和試驗(yàn)可行性，將試驗(yàn)溫度范圍控制在10～40 ℃，且均分為4個(gè)溫度梯度，并進(jìn)行蒸氣吸附試驗(yàn).主要試驗(yàn)設(shè)備為磁懸浮重量平衡儀.主要試驗(yàn)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(yàn)步驟

首先根據(jù)安托尼公式計(jì)算出不同溫度下各試劑下的飽和蒸氣壓，結(jié)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(shù)；T為試驗(yàn)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(jìn)一步的，根據(jù)各試劑的飽和蒸氣壓值合理設(shè)置壓強(qiáng)分階方案，見表3.

與此同時(shí)，準(zhǔn)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(nèi)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(nèi)，并依次進(jìn)行空籃試驗(yàn)、預(yù)處理試驗(yàn)和蒸氣吸附試驗(yàn)，具體為

1) 空籃試驗(yàn).用丙酮清洗樣品籃，然后將其放置于試驗(yàn)腔內(nèi)，手動(dòng)調(diào)平之后，實(shí)時(shí)稱量樣品籃的質(zhì)量.

表3 不同溫度下各試劑對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)分階方案 單位：mbar

2) 預(yù)處理試驗(yàn).空籃試驗(yàn)后，將適量集料置于樣品桶內(nèi)并放置于試驗(yàn)腔中，手動(dòng)調(diào)平之后，設(shè)置試驗(yàn)溫度為150 ℃，操作儀器進(jìn)行高溫預(yù)處理并實(shí)時(shí)稱量集料和樣品的總質(zhì)量，直至穩(wěn)定.

3) 蒸氣吸附試驗(yàn).預(yù)處理試驗(yàn)之后，設(shè)置試驗(yàn)溫度為既定溫度，操作儀器進(jìn)行逐階蒸氣吸附試驗(yàn)，實(shí)時(shí)稱量樣品桶、集料以及所吸附蒸氣的總質(zhì)量，直至穩(wěn)定方可進(jìn)行下一階試劑蒸氣吸附試驗(yàn).

3 試驗(yàn)結(jié)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(jù)下式計(jì)算出不同溫度下各試劑蒸氣分子的相關(guān)參數(shù)，具體結(jié)果見表4.

(7)

(8)

式中：σ為單個(gè)蒸氣分子在集料表面的投影面積；M為試劑蒸氣的摩爾質(zhì)量；ρ為試驗(yàn)溫度下蒸氣對(duì)應(yīng)液態(tài)時(shí)的密度；d為單個(gè)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(duì)各試劑蒸氣的比表面積和擴(kuò)散壓力

采用蒸氣吸附法測(cè)試不同溫度下集料對(duì)各試劑蒸氣的吸附量，圖1為不同溫度下石灰?guī)r集料對(duì)各試劑蒸氣的吸附量結(jié)果，圖2為安山巖集料對(duì)各試劑蒸氣的吸附量結(jié)果.

圖1 石灰?guī)r集料對(duì)三種試劑蒸氣的吸附量結(jié)果

圖2 安山巖集料對(duì)三種試劑蒸氣的吸附量結(jié)果

將上述試驗(yàn)測(cè)量得到的各集料對(duì)試劑蒸氣的吸附量數(shù)據(jù)代入式(2)～(3)中，根據(jù)M-BET模型線性擬合求解便可得到集料對(duì)各試劑蒸氣的比表面積.與此同時(shí)，將上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(4)中，采用DA模型擬合求解便可得到集料對(duì)各試劑蒸氣的擴(kuò)散壓力.計(jì)算結(jié)果見表5～6.

表5 不同溫度下石灰?guī)r集料對(duì)各試劑蒸氣的比表面積和擴(kuò)散壓力

表6 不同溫度下安山巖集料對(duì)各試劑蒸氣的比表面積和擴(kuò)散壓力

3.3 不同溫度下集料的表面能

將上述計(jì)算結(jié)果代入式(5)，聯(lián)立方程并求解，便可得到集料在不同溫度下的表面能結(jié)果，并繪制于下圖.其中圖3為不同溫度下石灰?guī)r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(jìn)行對(duì)數(shù)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(xiàn)為溫度越高，集料的表面能總量越大，且相較于20 ℃時(shí)的表面能總量值，石灰?guī)r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(shí)，石灰?guī)r集料的表面能總量遠(yuǎn)超于其他三個(gè)溫度時(shí)的表面能值；而對(duì)于安山巖來說，當(dāng)溫度為30 ℃時(shí)，其表面總量已有明顯的增加.其次，在10 ℃時(shí)，安山巖集料的表面能總量稍大于石灰?guī)r；而在40 ℃時(shí)，其表面能總量稍小于石灰?guī)r.與此同時(shí)，當(dāng)溫度由10 ℃上升到40 ℃時(shí)，安山巖集料表面能總量增加的速度由快而慢，而石灰?guī)r集料的表面能總量增加的速度卻與之相反，表現(xiàn)為由慢而快.另一方面，從表面能分量上來看，兩種集料表現(xiàn)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(jié) 論

1) 隨著溫度的上升，在10～40 ℃范圍內(nèi)，石灰?guī)r和安山巖集料的表面能總量均呈現(xiàn)一定程度的增加，且相較于20 ℃時(shí)的表面能總量值，其最高增量達(dá)2.1倍；從趨勢(shì)上來看，石灰?guī)r集料表面能總量上升趨勢(shì)為先慢后快，而安山巖則表現(xiàn)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(gè)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.