道路集料表面能参数的检测方法
【技术领域】
[0001] 属于道路工程领域，具体涉及一种道路集料表面能参数的检测方法。
【背景技术】
[0002] 表面自由能法是当前国际上较为先进的准确量化浙青与集料粘附性能的试验方 法，其基本原理是通过试验测试分别得到浙青与集料表面能的三个基本参数（非极性色散 分量极性酸分量Y+、极性碱分量Y)，结合表面能公式计算浙青自身的内聚能以及浙 青与集料之间的粘附能，从而准确评价浙青与集料之间的匹配性能，同时以各参数为基础 也可评价分析浙青混合料的疲劳开裂、愈合及水损害等性质。
[0003] 由于表面自由能法可准确量化浙青与集料之间的匹配性，近年来已被广泛用于分 析浙青-集料的粘附性能、浙青混合料的水稳定性、改性剂的性能评价甚至路面除冰防冻 技术开发等方面。在表面能理论体系中，准确确定材料表面能的三个基本参数是后续计算、 分析、评价的基础。对于集料的表面能测试方法，国内虽然做了一定的探索尝试，但是试验 测试方法均具有一定的局限性。
[0004] 当前，国内关于集料的表面能测试方法，主要分为毛细管上升法（也有文献称为 柱状灯芯法）和躺滴法（也有文献称为接触角法或静滴法）。对于毛细管上升法，其原理 是：将处理好的粉末状固体样品装入毛细管中，然后将一端浸入已知表面能的液体中，记录 液体上升的高度和时间，通过毛细上升原理利用Washburn浸渍方程求解矿料与液体之间 的接触角Θ，进而代入表面能Young-Dupre方程求解集料的各个表面能基本参数。这种方 法虽然操作简单，但是它仅适用于粉末状集料样品，且人为测试记录液体上升的高度和时 间，误差较大；有学者为避免人为读数造成的误差，通过测试样品的质量增加量反算液体上 升的高度，但这仅适用于固体质量大幅增加的情况，且须采用精度更高的天平，另外称量过 程中测试读数亦极易受到敞开环境流动空气的干扰。对于躺滴法，其原理是：将集料表面打 磨抛光从而得到光滑表面，将已知表面能的液滴或高温下的浙青滴落在集料表面，测试液 滴或浙青在样品表面稳定后的接触角 9，并运用表面能Young-Dupre方程求解集料的表面 能参数。这种方法虽然可以通过测试直接得到接触角，但是在试验过程中每一次测试前都 需要对集料样品进行打磨清洗处理，且需要保证样品表面光滑的均匀性一致，这就不能考 虑集料表面纹理、粗糙程度等表观特性对集料表面能参数的影响；同时，在滴定过程中对于 控制得到液滴在集料表面稳定形态的操作要求极高，接触角的测试极易产生人为误差（包 括选取测量基线、拟合液滴轮廓等）。尽管这两种测试方法是当前集料表面能的主要测试方 法，但其测试得到的集料表面能结果相差极大。集料本身是一种高表面能物质，其自身的 纹理、粗糙度、微孔结构等表面特性均会对其与浙青的粘附性产生直接影响，同时样品直接 裸露在空气中会造成集料表面不可避免吸收空气中的杂质成分而导致其表面能发生改变。 近年来也有学者曾提出通过热力学原理运用微热量计法进行集料的表面能测试，通过集料 表面浸入已知测试试剂后系统总能量的变化和热演变（称为浸湿焓），由浸湿焓与界面能 的关系求解得到集料的表面能参数，但其仅适用于粉末状集料，且关于"浸湿焓为浸湿熵的 两倍"假设并不适用于所有的集料样品，另计算过程中仍需通过吸附方法得到集料的比表 面积，测试过程繁琐且测试结果处理方法不甚合理。
[0005] 现阶段集料表面能测试方法其存在以下几点不足：测试样品或为粉末状或经过表 面打磨抛光处理，忽略集料表面特性或矿质成分对表面能测试的影响；测试以人为操作读 数为主,增加试验过程的人为误差；测试环境相对开放,不可避免地增加空气中杂质成分对 集料表面能的影响，同时测试在室温下进行无法有效保证试验温度恒定。针对以上现阶段 集料表面能测试方法所存在的局限与不足，现阶段需要一种更为准确测试集料表面能的试 验方法。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种新的道路集料表面能参数的 检测方法，该测试方法可充分考虑集料的表面特性、有效避免空气杂质干扰、精确控制试验 温度并准确得到各测试指标。
[0007] 为达到上述目的，采用技术方案如下：
[0008] 道路集料表面能参数的检测方法，包括以下步骤：
[0009] 1)选取已知表面能基本参数的三种化学试剂；采用蒸气吸附法计算分别通过三 种试剂蒸气吸附得到的集料比表面积SSA;计算方程如下：
[0010]
[0011] 其中，单分子层的饱和吸附量；N。-阿伏伽德罗常数;M-分子的摩尔质量，单位 g/mol;α-每一个吸附分子在吸附剂表面的投影面积，单位m2;
[0012] 2)通过Gibbs方程分别求解集料对三种试剂的表面扩散压力πe;Gibbs方程如 下：
[0013]
[0014] 其中，R-理想气体常数，8. 314472J/mol·K;T-试验温度，单位K;Pl-初始蒸气压 (即为〇)，单位mbar;p。-饱和蒸气压，单位mbar;M为吸附气体的摩尔分子量；η-蒸气吸附 量；Ρ_与蒸气压；
[0015] 其中，特定温度下给定蒸气的饱和蒸气压ρ。通过Antoine方程计算得到,其表达 式如下：
[0016] pQ= 10 [A B/(c+T 273.15)]*1000
[0017]A,B，C-各试剂的Antoine常数，由查表得到；T-试验温度，单位K;p。-饱和蒸气 压，单位mbar;
[0018] 3)建立集料表面吸附上述三种试剂蒸气后表面能的减少量与所述试剂的内聚能 2Y 和等于集料与所述试剂粘附能Wa的平衡方程：
[0019]
[0020] Yu 分别为试剂的表面能总量、表面能非极性分量、极性酸分量、极 性碱分量，单位ergs/cm2;rf，分别为集料的表面能非极性分量、极性酸分量、极 性碱分量，单位ergs/cm2; π6为集料表面的扩散压力，单位ergs/cm2;
[0021] 三元方程求解得到集料的表面能非极性分量、极性酸分量、极性碱分量。
[0022] 按上述方案，步骤1)单分子层的饱和吸附量按以下方法得来：
[0023] 集料表面吸附蒸气分子的情形，其模型公式为：
[0024]
[0025] ρ_分阶通入蒸气下的各阶蒸气压，单位mbar ;ρ。-气体特定温度下的饱和蒸气压， 单位mbar;η-各阶蒸气压ρ下单位质量集料吸附蒸气的质量，单位mg/g;nm-饱和蒸气压ρ。 下单位质量集料吸附蒸气的质量，单位（mg/g) ;c-与蒸气分子吸附热相关的热力学参数；
[0028] 由斜率S和截距I得到单分子层的饱和吸附量
[0029]
[0030] 按上述方案，步骤2)中Gibbs方程蒸气吸附量η与蒸气压ρ之间的关系曲线按以 下方程模型进行拟合：
[0032] 按上述方案，所述已知表面能基本参数的三种化学试剂为蒸馏水、2-戊酮、甲苯。
[0033] 本发明提出采用蒸气吸附法作为测试集料表面能参数的新方法，其无论从测试方 法的合理性、试验精度还是测试操作上较现有试验方法具有显著的进步，具体如下：
[0034] 针对集料样品选取的测试方法更为合理。由于集料是一种高表面能物质，且其形 状、纹理、棱角性等表面特性对粘附性影响显著，本发明提出的蒸气吸附法，能够在保证集 料破碎后形态的基础上在真空密封环境下进行试验，且以吸附蒸气前后的集料表面能量平 衡为基准建立求解表面能参数的基本方程，充分针对集料以上的两大特征开展试验工作， 其测试方法更为合理；另一方面，将吸附试验设定在真空负压环境下进行，极有利于加快试 验进度，且一次试验通过上下两个样品桶