不同溫度下采用插板法測試瀝青表面能的試驗研究*

金 露 王麗靜涂崇志 馮光樂 羅 蓉

(湖北長江路橋股份有限公司1) 武漢 430000) (武漢理工大學交通學院2) 武漢 430063) (湖北省交通運輸廳工程質量監督局3) 武漢 460063)

0 引 言

作為一種可以定量評價瀝青-集料界面黏結性能的理論和方法[1]，表面能理論正越來越廣泛地應用于道路工程領域.相比與傳統的水煮法和水浸法，表面能理論避免了試驗中主觀性強、再現性差，以及只能定性評價試驗結果等缺點[2].它通過獲取表面能參數，計算瀝青自身的內聚能、瀝青-集料界面的黏附能可以較準確地量化粘附性，并進一步評價瀝青混合料水穩定性的好壞.

插板法是一種典型的測試瀝青表面能參數的方法[3]，它通過動態接觸角理論，基于力學平衡原理測得瀝青表面能.優點是試驗步驟簡單、結果準確性較高.在已知至少三種液體試劑的表面能參數的情況下，插板法可測試出瀝青膜在浸入和撤出試劑時對應的接觸角，并利用VOGC理論模型計算得到瀝青的表面能參數[4].

作為試驗的重要影響因素，溫度在插板法中同時影響著液體試劑和瀝青的表面能.本文測試了不同溫度下液體試劑的表面張力并擬合了兩者的線性關系，然后計算出四個選定溫度點下的試劑表面張力，再通過插板法測試的動態接觸角，進一步計算這些溫度點下的瀝青表面能，從而觀察不同溫度時瀝青表面能的變化情況.

1 插板法試驗原理

1.1 表面能基本定義

表面能γ的定義為恒溫、恒壓下為了使體積增加單位表面積，外界必須對體系做的功.常用單位為erg/cm2，單位面積的表面能與表面張力數值相等，它由兩部分組成：非極性色散分量γLW和極性酸堿分量γAB.其中γAB又由極性酸分量γ+和極性堿分量γ-組成.即

γ=γLW+γAB

(1)

(2)

1.2 插板法測試接觸角原理

插板法使用表面張力儀測試接觸角的原理見式(3)[5]，它通過瀝青膜在浸入試劑前后的受力變化ΔF與瀝青膜位置h的關系求解接觸角大小.

(3)

式中：ΔF為表面張力儀的天平受力變化值；a和b為瀝青膜的寬度和厚度；h為瀝青膜浸入試劑的深度；ρ′為試劑和空氣密度的差值；g為重力加速度；γL為液體試劑的表面能.

1.3 插板法測試表面張力原理

在插板法中使用鉑金板替代瀝青膜可測得試劑的表面張力，由于鉑金板能完全潤濕液體試劑，故此時的固液接觸角為0°，將θ=0°代入式(3)，可得到式(4).因為公式右邊的所有參數均已知，所以通過該公式可直接計算出表面張力.

(4)

1.4 表面張力分量計算原理

使用鉑金板測試了不同溫度下的試劑表面張力后，能夠擬合出表面張力隨溫度變化的關系模型，進一步可計算任何溫度下的試劑表面張力.由于計算瀝青-試劑接觸角時需要用到試劑的表面張力分量，可認為表面張力與其分量在隨溫度變化時呈現相同的趨勢[6]，因此，根據20 ℃時的理論值[7]及比例(見表1)，可相應地求解其他溫度下的表面張力分量.

表1 20 ℃時試劑的表面張力及分量理論值erg/cm2

1.5 表面能參數計算原理

插板法依據接觸角原理，利用Young-Dupre方程(式(3))計算瀝青的三個基本表面能參數[8-9].

(5)

由于試劑的表面能參數已知，因此，式(3)中未知的參數只有瀝青的三個參數，使用插板法測試至少三種不同的試劑與瀝青的接觸角，便能夠形成方程組求解出瀝青表面能參數[10-12]，再將結果代入式(1)～(2)，可計算出瀝青的表面能γS.

2 試驗材料與過程

2.1 試驗材料

試驗選取了兩種70#基質瀝青和兩種SBS改性瀝青，其基本性能指標見表2.插板法測試表面能的液體試劑為蒸餾水、甲酰胺、丙三醇和乙二醇.

表2 試驗樣品的基本性能指標

2.2 試驗過程

表面張力儀通過溫度探頭測試當前的試驗溫度，通過恒溫水浴箱控制當前的試驗溫度，從而將試驗環境設置在15～75 ℃之間變化.同時，每隔1 h使用鉑金板浸入試劑測試當前狀態下的表面張力，各個溫度下至少重復試驗三次以上，然后求平均值作為最終結果.測試出各個溫度下的試劑表面張力后，線性擬合得到兩者的關系式.

將試驗環境溫度分別控制在10，20，30和40 ℃條件下，使用插板法測試瀝青膜與四種液體試劑的接觸角，具體過程為：首先加熱瀝青使其呈流動狀態，制備瀝青涂膜玻片并測量其寬度和厚度，然后將玻片懸掛在天平夾具上，在天平下方放置已知表面能參數的液體試劑，緩慢降低天平夾具，使涂膜玻片與液面相接觸，逐漸浸入液面以下再緩慢撤出，其中浸入液面的過程稱為前進過程，撤出液面的過程稱為后退過程.整個過程中精密天平記錄了受力的變化，儀器也會繪制出天平受力與玻片浸入位置的關系圖.將受力變化值代入式(4)可計算兩者形成的接觸角，再通過式(5)可求解當前溫度下瀝青樣品的表面能.

3 試驗結果與討論

3.1 不同溫度下試劑的表面張力

不同溫度下的試劑表面張力測試結果見圖1.由圖1可知，四種試劑的表面張力與溫度都呈負相關關系，且線性擬合度較高(判定系數R2均大于0.98).得到表面張力與溫度的擬合關系式后，選定10，20，30和40 ℃四個溫度點，計算出此時對應的試劑表面張力，見表3.根據表1中的表面張力與分量的比例關系，可計算出對應溫度下的表面張力分量.

圖1 不同溫度下的試劑表面張力與溫度的相關性

試劑以下溫度(℃)試劑表面張力/(erg·cm-2)10203040蒸餾水74.1872.7271.2669.80甲酰胺60.4859.5158.5357.56丙三醇66.7765.8064.8463.87乙二醇50.3849.4148.4447.47

3.2 不同溫度下瀝青的表面能

采用插板法測試得到的瀝青-試劑接觸角見表4～7，由表4～7可知：4種瀝青樣品呈現的規律相同，隨著溫度的升高，前進過程的接觸角呈現增大趨勢，后退過程的接觸角呈現減小趨勢.

表4不同溫度下1#瀝青樣品與試劑的接觸角(°)

試驗溫度/(℃)前進過程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇后退過程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇10105.1587.0691.4076.7370.2559.8258.2053.1920105.6289.2592.7977.6066.3457.2157.1751.8430110.9694.8699.1983.4553.6739.4846.3032.5840116.19114.26103.5389.7746.2424.6938.2825.32

表5不同溫度下2#瀝青樣品與試劑的接觸角(°)

試驗溫度/(℃)前進過程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇后退過程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇10106.9887.0688.3577.6674.6559.8265.1454.4420108.1590.0993.6178.6566.1454.6960.3645.3230118.4593.0498.2383.7860.4349.4857.0140.3640121.9899.43104.2888.2733.4526.1930.3620.06

表6不同溫度下3#瀝青樣品與試劑的接觸角(°)

試驗溫度/(℃)前進過程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇后退過程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇10107.4689.1992.3777.6080.8268.6270.8361.2120108.9991.9194.4379.8569.2267.4870.1057.5830109.9894.4196.7184.3765.4851.9258.1650.8040118.02102.15106.8390.9349.4335.1135.9026.53

表7不同溫度下4#瀝青樣品與試劑的接觸角(°)

試驗溫度/(℃)前進過程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇后退過程蒸餾水甲酰胺丙三醇乙二醇10105.7588.5589.7375.3768.1555.3558.3749.3620106.8691.1092.4578.5156.2451.2251.6543.4030109.4993.4496.0681.8060.6242.4148.3834.7340120.7297.17103.5687.4949.4835.8443.6224.27

將試劑表面張力按比例分配得到分量后，與表4～ 7中的接觸角數據一同代入式(5)，可解算出不同溫度點下的瀝青表面能，擬合各瀝青樣品表面能與溫度的線性關系，見圖2.可以發現：①對于前進過程，70#基質瀝青與SBS改性瀝青的表面能都與溫度呈現負相關的趨勢；對于后退過程，70#基質瀝青與SBS改性瀝青的表面能都與溫度呈現正相關的趨勢.且前進和后退過程中直線擬合的判定系數R2均大于0.85，說明對應的線性擬合度處于較高水平；②從直線斜率的大小可以看出，后退過程的斜率絕對值普遍比前進過程的斜率絕對值要大，證明后退過程中表面能隨溫度的變化更為顯著；③無論是前進還是后退過程，1#、2#瀝青樣品對應的直線斜率絕對值普遍比3#、4#瀝青樣品要大，說明溫度對70#基質瀝青的表面能影響更大，即70#基質瀝青的表面能溫度敏感性更強.

圖2 不同溫度點下的瀝青表面能

4 結 論

1) 經鉑金板測試發現，插板法中4種常用液體試劑(蒸餾水、甲酰胺、丙三醇和乙二醇)的表面張力隨溫度的變化都呈負相關關系，且判定系數均大于0.98.

2) 通過插板法測試得到瀝青與試劑的動態接觸角，發現隨著溫度的升高，前進過程中接觸角逐漸增大，后退過程中接觸角逐漸減小.

3) 分析試驗得到的瀝青表面能，發現瀝青表面能隨溫度變化的散點圖的線性擬合度都大于0.85，且前進過程中表面能與溫度呈現負相關關系，后退過程中表面能與溫度呈現正相關關系.

4) 后退過程中瀝青表面能隨溫度變化的斜率絕對值更大，說明該過程中瀝青表面能的溫度敏感性更強；在前進和后退過程中，70#基質瀝青對應的直線斜率絕對值比SBS改性瀝青要大，說明溫度對70#基質瀝青的表面能影響更大.