低碳减排热拌沥青混合料原材料表面能测定结果

1.原材料性质

本书选定8种沥青（原样和温拌）和3种集料进行表面能测定。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）、《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）试验方法对原材料基本技术性质进行检测评价。其结果分析见表3.11～表3.14。各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求。由于规范中无100号基质沥青各项性能指标要求，因此本书中塔化100号基质沥青以实测为主。温拌沥青制作方法详见2.2.1节。

表3.11　基质沥青技术指标

表3.12　SBS改性沥青技术指标

表3.13　矿料检测结果

表3.14　矿粉检测结果

2.沥青表面能的测试

沥青表面能的测试方法有滴落法、Wilhelmy吊片法、插板法、躺滴法、原子力显微镜法和核磁共振仪法，本书采用躺滴法进行沥青表面能的测试。躺滴法基本原理是：用一滴已知表面能参数的液体滴到待检测的材料上，然后直接测量该液体与待检测材料形成的接触角。一旦接触在固体表面上的3个不同方向的接触角被确定的时候，利用Young-Dupre方程[式（3.14）]形成3个连续方程[式（3.19）]，直接可以解得待检测材料的表面能。试验中，将沥青均匀涂在玻璃板上，然后通过注射器在沥青上滴下液体。涂有沥青的玻璃板在试验中必须要保持水平。

试验步骤及试验器材如下。

（1）试验设备及材料：玻璃板、注射器、高倍照相机、电脑、沥青、蒸馏水、甘油、乙醇。

（2）试验步骤：

1）测试样品的制备：躺滴法要求样品表面要非常光滑且均一。在制备测量接触角所需的沥青样品时，选择长15.5cm、宽7.5cm的玻璃板作为底板。将沥青加热至163℃，将玻璃板浸入沥青中3cm，然后立即取出将玻璃板平置，待沥青冷却后即可形成光滑的沥青表面。将测试样品置于干燥器中一天后进行接触角的测试。

2）将测试样品置于平台上，先用注射器针头推挤出一滴已知表面能参数的液体，轻轻与沥青表面接触形成躺滴后离开，待液滴稳定后采用单反相机迅速捕捉到液滴与沥青接触面并拍照，测试过程中尽量保证每次挤出的液体量相等，图3.10所示为实际拍摄的一张照片，圆弧形为液体在沥青样品表面的液滴形状，黑白交界线为沥青样品平面。

图3.10　沥青与液滴接触角

3）从主观方向进行液体与沥青样品接触的图像采集，由于照片中不能直接读出接触角，把照片在CAD中进行处理，即连接弧形与底面直线的交点，即图中A、B两点形成一条直线，以A、B两点沿弧形线捕捉切线，图中角A和角B为液滴和沥青形成的接触角，取其平均值为这一液滴与沥青的接触角。图3.11为图像处理图示。

4）为了保证试验精度，一种液体与沥青的接触角至少测试3次以上，取其平均值作为最终的接触角。

5）测试完毕后，将数据代入式（3.14）即式（3.19），即可计算得到沥青表面能参数，所有试验均在（25±1）℃的温度下进行。

（3）测试结果及分析。本书采用的液体表面能参数见表3.15。

图3.11　接触角测量

表3.15　溶液的表面能参数　单位：MJ/m2

测得沥青（温拌沥青）与不同溶液的接触角见表3.16，代入由式（3.19）简化得到的矩阵式式（3.20），计算得出沥青（温拌沥青）的表面能，见表3.17和表3.18。

表3.16　沥青（温拌沥青）与不同溶液的接触角

续表

表3.17　沥青表面能参数　单位：MJ/m2

表3.18　温拌沥青表面能参数　单位：MJ/m2

从表3.17和表3.18中可以看出，无论是沥青还是温拌沥青，表面能中非极性部分即范德华力占据主要作用，极性部分即lewis酸碱力相对而言对沥青表面能作用较小，这主要是因为沥青主要成分是非极性碳氢化合物。对于不同沥青lewis酸碱力呈现不规律变化，因此在沥青-集料黏附体系中，集料相同时，沥青酸碱力是决定黏附性好坏的重要标准。具体原样沥青与温拌沥青的表面能变化情况见表3.19和图3.12。

表3.19　原样沥青与温拌沥青表面能　单位：MJ/m2(www.xing528.com)

图3.12　温拌剂对沥青表面能的影响

从图3.12中可以看出，对于基质沥青和改性沥青而言，克炼90号、克炼70号与SK-90号基质沥青表面能均小于对应的克炼SBS及SK-SBS改性沥青，这就说明改性沥青具有比基质沥青更大的表面能。添加Evotherm温拌剂后，塔化100号、壳牌SBS表面能下降，克炼90号、SK-90号、昆仑90号、SK-SBS表面能上升，克炼70号、克炼SBS表面性能基本没变化，说明温拌剂对不同种类沥青表面能有不同的影响，有的提高，有的降低，有的不变化，影响较多的是沥青表面能极性部分。

3.矿料表面能测定

目前，国内外道路工作研究者对矿料表面能参数的测定上，主要集中在两种方法：吸附法和毛细管上升法。本书采用毛细管上升法进行矿料接触角的测定，其理论依据同样为Young-Dupre方程，测得矿料与3种已知表面能参数液体的接触角，计算得到矿料的表面能参数。下面对毛细管上升法试验原理、步骤及试验器材进行了详细介绍。

（1）试验原理。毛细管上升法适合于确定粉末状集料与已知液体的接触角。试验中测量液体上升的高度和时间，结合毛细上升理论与Washburn方程，从而可确定出的集料的接触角，如图3.13所示。

Washburn公式：

变形为

式中　h——浸渍高度，mm；

　　　t——浸渍时间，s；

　　　γL——液体的表面能（或表面张力），J/m2；

　　　η——液体的黏度，MPa·s；

　　　θ——矿料与液体接触角，（°）；

　　　R——毛细管有效半径，mm。

若所用的液体能够完全浸润固体（即cosθ=1），则式（3.21）可以写为

因此，可应用3种已知表面能参数溶液浸渍矿料，通过试验得到浸渍高度和浸渍时间，得到h 2和t，然后根据式（3.23）和式（3.22）计算出矿料在柱管中毛细管的有效半径R和接触角，将测试得到的接触角代入Young-Dupre方程，即可计算得到矿料表面能参数。几种测试液体的黏度系数见表3.20。

图3.13　毛细渗透法原理

1—液槽；2—粉体柱；3—压力传感器；4—玻璃管；5—测试液体

表3.20　检测液体的黏度参数

（2）试验材料及仪器：矿料、开口玻璃管、盛水皿、移液管固定支架、秒表、矿料筛、蒸馏水、甘油、乙醇、正己烷。

（3）试验步骤：

1）每次试验都准备20g细集料。1.180mm、0.600mm、0.300mm、0.150mm和0.075mm的筛上均为4g。细集料必须洁净，每次测试前必须进行水洗，然后在烘箱中烘干，测试时在室温下冷却，同时将试样遮盖以免吸收空气中的水分。对无小粒径的矿料在一铁制试模内捣碎进行筛分，得到测试用矿料，如图3.14所示。集料冷却至室温后，装入玻璃管中，压实20次，每一种集料都准备4个试样。将移液管安装固定，如图3.13所示。

2）采用3种液体，分别测试4个试样的h和t值。测试时，记录液体在玻璃管中上升距离与上升时间。对于甘油，由于上升速率缓慢，记录每上升1mm所需的时间。

3）当液体完全浸湿固体颗粒时，根据式（3.23）计算毛细管半径R。根据式（3.22）计算3种液体的c。

4）根据Young-Dupre方程的简化矩阵式式（3.20），计算矿料表面能参数。

图3.14　试样制作

5）对每种集料至少进行3次以上测试以消除试验误差带来的影响，最后以3次试验的平均值作为最终的试验结果，所有测试均在温度为（20±1）℃的温度下进行。

（4）试验结果。本书通过试验得到接触角计算出矿料的表面能参数见表3.21。

表3.21　矿料表面能参数　单位：MJ/m2

从表3.21中可以看出，玄武岩表面能最高，石灰岩次之，花岗岩最低。尽管矿料物理性质不同，来源不同，但还是查阅了用同样测试方法测试矿料表面能的相关文献，对本书和文献的测试结果作了对比分析。一般来讲，矿料属于高表面能的物质，其表面具有很强的吸附能力以降低其表面自由能，即存在平衡扩展压。而在接触角测试过程中，虽然对集料进行了洁净处理，但试验过程中集料会裸露在空气中，所以集料表面仍不可避免地会吸附空气中杂质分子，从而降低了集料的表面自由能。这也可能是导致矿料表面能变化的最主要因素。

由此可见，对于矿料而言，可能由于矿料来源不同、测试环境下空气中杂质含量以及试验操作误差等众多原因会导致表面能结果相差较大。对于本书中3种矿料，由于是在同等条件下进行的试验，因此仍然可以采用该试验结果对不同矿料表面能进行分析研究。