道路集料表面能參數(shù)的檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 屬于道路工程領(lǐng)域，具體涉及一種道路集料表面能參數(shù)的檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 表面自由能法是當(dāng)前國(guó)際上較為先進(jìn)的準(zhǔn)確量化浙青與集料粘附性能的試驗(yàn)方 法，其基本原理是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試分別得到浙青與集料表面能的三個(gè)基本參數(shù)（非極性色散 分量極性酸分量Y+、極性堿分量Y)，結(jié)合表面能公式計(jì)算浙青自身的內(nèi)聚能以及浙 青與集料之間的粘附能，從而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)浙青與集料之間的匹配性能，同時(shí)以各參數(shù)為基礎(chǔ) 也可評(píng)價(jià)分析浙青混合料的疲勞開(kāi)裂、愈合及水損害等性質(zhì)。
[0003] 由于表面自由能法可準(zhǔn)確量化浙青與集料之間的匹配性，近年來(lái)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(píng)價(jià)甚至路面除冰防凍 技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面。在表面能理論體系中，準(zhǔn)確確定材料表面能的三個(gè)基本參數(shù)是后續(xù)計(jì)算、 分析、評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。對(duì)于集料的表面能測(cè)試方法，國(guó)內(nèi)雖然做了一定的探索嘗試，但是試驗(yàn) 測(cè)試方法均具有一定的局限性。
[0004] 當(dāng)前，國(guó)內(nèi)關(guān)于集料的表面能測(cè)試方法，主要分為毛細(xì)管上升法（也有文獻(xiàn)稱為 柱狀燈芯法）和躺滴法（也有文獻(xiàn)稱為接觸角法或靜滴法）。對(duì)于毛細(xì)管上升法，其原理 是：將處理好的粉末狀固體樣品裝入毛細(xì)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(shí)間，通過(guò)毛細(xì)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(jìn)而代入表面能Young-Dupre方程求解集料的各個(gè)表面能基本參數(shù)。這種方 法雖然操作簡(jiǎn)單，但是它僅適用于粉末狀集料樣品，且人為測(cè)試記錄液體上升的高度和時(shí) 間，誤差較大；有學(xué)者為避免人為讀數(shù)造成的誤差，通過(guò)測(cè)試樣品的質(zhì)量增加量反算液體上 升的高度，但這僅適用于固體質(zhì)量大幅增加的情況，且須采用精度更高的天平，另外稱量過(guò) 程中測(cè)試讀數(shù)亦極易受到敞開(kāi)環(huán)境流動(dòng)空氣的干擾。對(duì)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(cè)試液 滴或浙青在樣品表面穩(wěn)定后的接觸角 9，并運(yùn)用表面能Young-Dupre方程求解集料的表面 能參數(shù)。這種方法雖然可以通過(guò)測(cè)試直接得到接觸角，但是在試驗(yàn)過(guò)程中每一次測(cè)試前都 需要對(duì)集料樣品進(jìn)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(duì)集料表面能參數(shù)的影響；同時(shí)，在滴定過(guò)程中對(duì)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(cè)試極易產(chǎn)生人為誤差（包 括選取測(cè)量基線、擬合液滴輪廓等）。盡管這兩種測(cè)試方法是當(dāng)前集料表面能的主要測(cè)試方 法，但其測(cè)試得到的集料表面能結(jié)果相差極大。集料本身是一種高表面能物質(zhì)，其自身的 紋理、粗糙度、微孔結(jié)構(gòu)等表面特性均會(huì)對(duì)其與浙青的粘附性產(chǎn)生直接影響，同時(shí)樣品直接 裸露在空氣中會(huì)造成集料表面不可避免吸收空氣中的雜質(zhì)成分而導(dǎo)致其表面能發(fā)生改變。 近年來(lái)也有學(xué)者曾提出通過(guò)熱力學(xué)原理運(yùn)用微熱量計(jì)法進(jìn)行集料的表面能測(cè)試，通過(guò)集料 表面浸入已知測(cè)試試劑后系統(tǒng)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(guān)系求解得到集料的表面能參數(shù)，但其僅適用于粉末狀集料，且關(guān)于"浸濕焓為浸濕熵的 兩倍"假設(shè)并不適用于所有的集料樣品，另計(jì)算過(guò)程中仍需通過(guò)吸附方法得到集料的比表 面積，測(cè)試過(guò)程繁瑣且測(cè)試結(jié)果處理方法不甚合理。
[0005] 現(xiàn)階段集料表面能測(cè)試方法其存在以下幾點(diǎn)不足：測(cè)試樣品或?yàn)榉勰罨蚪?jīng)過(guò)表 面打磨拋光處理，忽略集料表面特性或礦質(zhì)成分對(duì)表面能測(cè)試的影響；測(cè)試以人為操作讀 數(shù)為主,增加試驗(yàn)過(guò)程的人為誤差；測(cè)試環(huán)境相對(duì)開(kāi)放,不可避免地增加空氣中雜質(zhì)成分對(duì) 集料表面能的影響，同時(shí)測(cè)試在室溫下進(jìn)行無(wú)法有效保證試驗(yàn)溫度恒定。針對(duì)以上現(xiàn)階段 集料表面能測(cè)試方法所存在的局限與不足，現(xiàn)階段需要一種更為準(zhǔn)確測(cè)試集料表面能的試 驗(yàn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種新的道路集料表面能參數(shù)的 檢測(cè)方法，該測(cè)試方法可充分考慮集料的表面特性、有效避免空氣雜質(zhì)干擾、精確控制試驗(yàn) 溫度并準(zhǔn)確得到各測(cè)試指標(biāo)。
[0007] 為達(dá)到上述目的，采用技術(shù)方案如下：
[0008] 道路集料表面能參數(shù)的檢測(cè)方法，包括以下步驟：
[0009] 1)選取已知表面能基本參數(shù)的三種化學(xué)試劑；采用蒸氣吸附法計(jì)算分別通過(guò)三 種試劑蒸氣吸附得到的集料比表面積SSA;計(jì)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(shù);M-分子的摩爾質(zhì)量，單位 g/mol;α-每一個(gè)吸附分子在吸附劑表面的投影面積，單位m2;
[0012] 2)通過(guò)Gibbs方程分別求解集料對(duì)三種試劑的表面擴(kuò)散壓力πe;Gibbs方程如 下：
[0013]
[0014] 其中，R-理想氣體常數(shù)，8. 314472J/mol·K;T-試驗(yàn)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(guò)Antoine方程計(jì)算得到,其表達(dá) 式如下：
[0016] pQ= 10 [A B/(c+T 273.15)]*1000
[0017]A,B，C-各試劑的Antoine常數(shù)，由查表得到；T-試驗(yàn)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(nèi)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(kuò)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(lái)：
[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(zhì)量集料吸附蒸氣的質(zhì)量，單位mg/g;nm-飽和蒸氣壓ρ。 下單位質(zhì)量集料吸附蒸氣的質(zhì)量，單位（mg/g) ;c-與蒸氣分子吸附熱相關(guān)的熱力學(xué)參數(shù)；
[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(guān)系曲線按以 下方程模型進(jìn)行擬合：
[0032] 按上述方案，所述已知表面能基本參數(shù)的三種化學(xué)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(cè)試集料表面能參數(shù)的新方法，其無(wú)論從測(cè)試方 法的合理性、試驗(yàn)精度還是測(cè)試操作上較現(xiàn)有試驗(yàn)方法具有顯著的進(jìn)步，具體如下：
[0034] 針對(duì)集料樣品選取的測(cè)試方法更為合理。由于集料是一種高表面能物質(zhì)，且其形 狀、紋理、棱角性等表面特性對(duì)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(chǔ)上在真空密封環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，且以吸附蒸氣前后的集料表面能量平 衡為基準(zhǔn)建立求解表面能參數(shù)的基本方程，充分針對(duì)集料以上的兩大特征開(kāi)展試驗(yàn)工作， 其測(cè)試方法更為合理；另一方面，將吸附試驗(yàn)設(shè)定在真空負(fù)壓環(huán)境下進(jìn)行，極有利于加快試 驗(yàn)進(jìn)度，且一次試驗(yàn)通過(guò)上下兩個(gè)樣品桶