基于浸润速度计算沥青表面自由能的方法研究*

涂崇志 罗 蓉 张德润

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

基于浸润速度计算沥青表面自由能的方法研究*

涂崇志 罗 蓉 张德润

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

为准确计算沥青表面自由能参数，分析插板法测试沥青表面自由能过程中浸润速度对测试结果的影响，采用10种不同浸润速度测试2种沥青与4种测试溶液之间的动态接触角.根据动态接触角与速度之间的关系，建立数学模型并求解速度为0时，测试溶液与沥青之间的静态接触角.结果表明，前进过程得到沥青与测试溶液的动态接触角随浸润速度增大而增大，而相应计算得到表面能随浸润速度增大而减小；采用数学模型计算得到70#基质沥青静态接触角与3 mm/min浸润速度下动态接触角，两者表面能变化率为39%，同样SBS改性沥青表面能变化率为3.7%.因此，根据插板法计算沥青表面自由能时，应采用不同浸润速度下的试验数据计算静态接触角，不能忽略浸润速度对测试结果的影响.

道路工程；沥青表面自由能；插板法；动态接触角；静态接触角

0 引 言

(1)

现阶段主要通过测定液体在固体表面形成的接触角θ，根据Young-Dupre方程(YD方程)计算固体表面自由能.

(2)

根据YD方程可知，求解沥青3个表面自由能参数，需要至少3种已知表面自由能参数的试剂与沥青的接触角θ.目前，常用的沥青接触角测量方法有图像法[1]和力学法[2-3]：图像法通过图像分析技术计算得到沥青的接触角，但此方法不能克服液滴自身重力和静电吸附作用对于接触角结果的影响，同时试验结果直接受到设备精度的影响；而力学法是另一种能够快速的表征沥青接触角的有效方法，此方法通过记录接触线浸入溶液前后力的变化求解接触角.

插板法是力学法中最常用的方法之一，被广泛用于测量物质表面能参数.在道路工程中，表面自由能常用于分析沥青与集料间粘附能力以及与沥青混合料水稳定性之间的关系[4].插板法能有效减少利用图像法测试时人为观察产生的误差，但插板法相比于图像法最大的区别在于引入了浸润速度这一影响因素.因此插板法测试过程是一个动态接触过程，而图像法测试过程是一个静态接触过程，所以一般将插板法测试结果称为动态接触角θD，而光学法测试接触角称为静态接触角θ0.同时，力学法测试过程中存在2个运动过程：①前进过程，插板浸入试剂，得到的接触角为前进角θA；②后退过程：插板离开试剂，得到接触角为后退角θR.通常情况下，动态接触角θD的大小与浸润速度相关.由于试验与测量的困难，一般很少给出极低速度下动态接触角与接触线速度的关系，一般用2～3 mm/min得到的接触角代替静态接触角[5-8]，但到底用多低的速度测试才能忽略速度对测试结果的影响还没有一个统一标准.

因此，为了精确计算沥青表面自由能，文中通过测试10种不同速率下沥青接触动态角，然后通过建立数学的方式，求解速度为v=0时，沥青的静态接触角θ0，并比较分析不同方程拟合结果与实测接触角之间的关系.最后，利用静态接触角和动态接触角分别计算沥青表面自由能，比较2种计算方法得到的表面能参数变化率.

1 动态接触角测试

1.1 插板法测试原理

插板法是根据竖向力学平衡的原理，通过测量涂有沥青的玻片浸入测试溶液前后天平受力变化差值ΔF来计算接触角θ值，示意图见图1.

图1 插板法测试平衡示意图

当沥青玻片在浸入测试溶液前：

(3)

当沥青玻片浸入测试溶液后：

(4)

所以沥青与测试溶液的接触角为：

(5)

式中：F1，F2分别为天平在沥青玻片浸入试剂前后读数；W为沥青玻片的总质量；ΔF为涂膜玻片浸入试剂前后系统天平受力变化差值；V为沥青玻片的体积；Vim为沥青玻片浸入液体的体积；ρair为空气的密度；ρL为测试溶液的密度；g为重力加速度；γL为试剂的表面张力；Pt为沥青玻片周长.

1.2 试验材料和试验过程

1.2.1 试验材料

试验采用沥青：70#基质沥青、SBS改性沥青；测试溶剂：蒸馏水、甲酰胺、乙二醇、丙三醇.测试溶剂密度及表面能参数见表1.

表1 测试溶剂20 ℃时密度及表面能参数

1.2.2 试验过程

首先采用以下方式制作沥青玻片：①将70#基质沥青放入135 ℃烘箱，SBS改性沥青放到150 ℃烘箱内加热30 min，使得沥青溶化为液体；②先用丙酮清洗玻片上油渍，然后使用蒸馏水清洗玻片上残留丙酮，再使用无绒试纸将玻片表面水分擦干，最后用喷枪将玻片上残留水分蒸干；③用电磁加热炉加热沥青样品，使得沥青样品保持液态.然后将玻片匀速插入沥青内，保证玻片上均匀涂抹一层沥青膜；④将制作完成的沥青玻片放入干燥箱中24 h.然后采用全自动表面张力仪(K100)测试沥青表面自由能：⑤用游标卡尺测量沥青玻片厚度a和宽度b和高度h；⑥设定沥青玻片浸入深度h=10 mm，则玻片浸入体积为Vim=abh；⑦设定仪器分别用0.2,0.5,1,3,5,10,20,50,100,200 mm/min速度测量接触角；⑧通过恒温器将试验温度控制在(20±2) ℃，示意图见图2.

图2 实验过程示意图

1.3 动态接触角试验结果

根据上述试验过程，测得两种沥青在不同浸润速度下接触角见表2.

根据实验结果能够发现：

1) 对于同1种沥青，在相同速率下测试得到前进角与后退角相差较大，前进角始终大于后退角.

表2 不同速率测得70#沥青接触角

表3 不同速率测得SBS改性沥青接触角

2) 前进角随浸润速度增大而增大；后退角随浸润速度变化规律不明显.

当沥青玻片插入测试溶剂时，可以看作是测试溶液润湿沥青玻片表面；而后退过程则可以看作测试溶液从沥青表面退湿.由于浸润速度不同，测试溶液会不同程度的残留在沥青表面或者渗入沥青，由于后退过程相比于前进过程与测试溶液接触时间更长，因此后退角数值受到多个因素的影响，因此文中将重点研究前进过程.

2 浸润速度对沥青表面自由能影响

根据上述分析，插板法测试沥青表面接触角时，浸润速度直接影响沥青表面自由能计算结果.同时在前进过程中，动态接触角随浸润速度增大逐渐减小.但接触角为物质的固有属性，动态接触角θD理论上应该与Young接触角θ相同且唯一.因此，文中通过拟合不同速率下测得沥青接触角，通过计算求得速度v=0时，动态接触角用于表示Young接触角θ.由于Young接触角θ始终惟一，所以根据前进过程和后退过程拟合接触应该相同.但是根据上节结论可知，后退过程比前进过程更复杂，受更多外界因素的影响.因此，文中将重点分析前进过程，利用前进过程试验数据求解静态接触角θ0.

通常情况下认为动态接触接触角θD是静态接触角θ0和毛细数Ca的函数，即

(6)

表4 不同测试溶液不同浸润速度下毛细准则数

但是，f具体函数形式尚未统一，一般采用经验公式进行数据拟合.现将同一种测试溶液测得动态接触角θD和毛细准则数Ca绘于同一坐标系中，来研究动态接触角和毛细准则数两者之间的函数形式.文中采用EXPDec2(Y=a·exp(b·x)+c·exp(d·x))曲线进行数据拟合.当x=0时，Y则为静态接触角θ0，图3为不同浸润速率下沥青测试溶液接触角关系.

拟合结果表明,采用EXPDec2函数方程拟合试验数据，拟合度R2大于0.95，拟合优度较高.然后利用式(2)求解不同速率下沥青表面自由能参数.并以拟合得到的静态接触角计算得到的表面能参数为基准，计算不同速率下沥青接触角的变化率(Δφ=(γD-γ0)/γ0)，计算结果见图4.

图3 不同浸润速率下沥青测试溶液接触角关系

图4 沥青表面能参数随浸润速度关系曲线

由图4可知，不同浸润速度直接影响沥青表面自由能参数：沥青表面能自由能参数随浸润速度增大而增大；70#基质沥青相比于SBS改性沥青更容易受到浸润速度的影响；现阶段一般采用3 mm/min浸润速度不能表明直接用于计算沥青表面自由能参数，采用拟合得到的静态接触角能够有效提高表面自由能计算结果的精度.

3 表面能参数与沥青集料粘附性关系

(6)

通常情况下,对于沥青混合料而言为负值，说明沥青—水+沥青—集料体系的表面自由能小于沥青+集料体系的表面自由能.因此当水进入沥青混合料内部时，会导致沥青自发从集料表面剥离，且负值越大表明水从集料表面置换沥青的程度越高；

因此，对于沥青混合料而言综合来看可使用式(8)来表征沥青与集料组合的水稳定性.

(8)

运用磁悬浮天平重量法气体和蒸汽吸附仪采用气体吸附法测试得到2种典型集料石英砂岩和石灰岩的表面能参数，将其汇总后见表5.

表5 石英砂岩和石灰岩的表面能参数

结合式(6)～(7)可计算得到2种集料样品与各沥青样品之间前进过程中的粘附结合能，计算结果见表6.

表6 各沥青样品与2种集料组合的粘附结合能

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求，成型AC-13马歇尔试件并进行浸水和冻融劈裂试验，试验结果见图5.

图5 表面能指标与马歇尔稳定、冻融劈裂比关系

根据表6可知，ER1

4 结 论

1) 对于同一种沥青，相同速率下测试得到前进角与后退角相差较大，且前进过程得到沥青表面自由能随测试速度增加而增加；而后退角随浸润速度变化规律不明显.

2) 70#基质沥青相比于SBS改性沥青更容易受到浸润速度的影响 .

3) EXPDec2拟合试验数据能够较好的拟合试验数据.通过数据拟合得到的接触角结果一般情况下大于直接测量接触角；其计算沥青表面自由能小于直接测量接触角计算结果.

4) 精确计算沥青表面自由能参数将有利于更深入地分析不同沥青—集料粘附指标、沥青混合料力学指标等与表面自由能之间的关系.

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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

*交通部建设科技项目(2014318J22120)、中央高校基本科研业务费专项资金(2016-zy-016)资助

U414.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.016

涂崇志(1991—)：男，博士生，主要研究领域为道路沥青材料