道路沥青表面自由能的检测方法与流程

属于道路工程领域，具体涉及一种道路沥青表面自由能的检测方法。
背景技术：
：在道路工程领域，沥青的表面自由能对于评价沥青自身以及沥青混合液的抗开裂与愈合性能、沥青与集料的匹配性能等具有重要意义。当前测试计算道路沥青表面自由能的方法主要为接触角法，其基本原理可概述如下：通过插板法或静滴法测试得到沥青与已知表面能参数的化学试剂(至少三种以上)之间的接触角θ；认为沥青的表面自由能由三个分量组成：非极性色散分量γLW、极性酸分量γ+、极性碱分量γ-。结合测试得到的接触角θ，运用Good-vanOss-Chaudhury(简称GvOC)三参数模型联立三个方程组求解得到沥青的表面能三个分量，进一步得到沥青的表面自由能这一方法虽可快速得到沥青的表面自由能，但是国内外很多学者已指出它存在诸多弊端：求解得到的沥青表面自由能是建立在已知表面能参数的化学试剂基础上，而这些化学试剂的表面能三个分量是建立在“水的极性酸、碱分量比值γ+/γ-为1”这一假设基础上的，因此求解得到的沥青表面自由能本质上是相对的，当假设不同的水的γ+/γ-比值，得到的沥青表面自由能均会不同；计算得到的沥青表面自由能与选取的试剂组合直接相关，不同的试剂组合得到的沥青表面自由能结果各不相同；通过试剂组合求解得到的沥青表面能分量开根号在有些情况下会出现负值情形，即失去了基本的数学意义，也不符合表面能的基本定义。鉴于当前沥青表面自由能测试计算方法存在的不足，现阶段需要一种更为准确检测沥青真实表面自由能的方法。技术实现要素：本发明目的在于提供一种新的道路沥青表面自由能的检测方法，该方法可有效克服传统方法假设“水的极性酸、碱分量比值γ+/γ-为1”、测试结果与试剂选取相关等不足，达到通过试验测试得到道路沥青的真实表面自由能的目的。为达到上述目的，采用技术方案如下：道路沥青表面自由能的检测方法，包括以下步骤：1)配置若干具有不同表面张力的测试试剂，采用表面张力法通过铂金板测试各试剂在试验温度下的表面张力γLV；2)采用插板法测试表面涂膜沥青的玻片在浸入各测试试剂中形成的接触角θ，计算公式为：θ=acosΔF+a0b0hρLg2(a0+b0)γL;]]>其中，a0,b0分别为涂膜玻片的宽度及厚度；h为玻片浸入试剂中深度；ρL为试剂的密度；g为重力加速度；3)绘制γLVcosθ～γLV光滑曲线，并采用二次多项式拟合得到γLVcosθ＝a(γLV)2+bγLV+c；其中，a,b,c均为拟合常数；4)通过曲线γLVcosθ＝a(γLV)2+bγLV+c与直线γLVcosθ＝γLV的交点求解得到临界表面张力(γLV)*，其对应的接触角θ＝0°；5)结合得到的(γSV)*及每种试剂的γLV与cosθ，采用Young方程γLVcosθ+γSL＝γSV计算得到对应每种试剂与沥青之间的界面张力γSL，进一步利用Good公式计算对应每种试剂的Φ值；6)拟合Φ～γSL关系曲线，得到Φ＝f(γSL)表达式；7)将得到的Φ＝f(γSL)表达式及γSL＝γSV-γLVcosθ代入Good公式中得到cosθ＝f(γSV，γLV)关系式；8)结合每种试剂测试得到的γLV及cosθ，对cosθ＝f(γSV，γLV)关系式采用最小二乘法计算得到沥青的表面自由能γSV。按上述方案，采用乙醇与蒸馏水配置多种具有不同表面张力的测试试剂。按上述方案，采用乙醇与蒸馏水按15种不同质量比配置混合液作为测试试剂，乙醇/蒸馏水质量比依次为5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、60％、65％、70％、75％、80％。步骤4中求解临界表面张力(γLV)*，根据Neumann公式当Φ*＝1时有(γSL)*＝0，此时由Good公式可得到(γLV)*＝(γSV)*，其中：(γSL)*为沥青-试剂之间的临界界面张力；(γSV)*为沥青的临界表面自由能。相对于现有技术，本发明从测试方法的合理性上较现有试验方法具有显著提高，具体如下：所提出的新方法计算沥青表面自由能的参数均来自于试验实际测试得到，有效避开了传统试验方法依赖于“水的极性酸、碱分量比值γ+/γ-为1”这一不合理假设导致得到的沥青表面能为相对表面能的缺陷；所提出的新方法基于试验测试结果通过建立试剂与沥青之间界面张力的关系计算沥青的表面自由能，有效弥补了传统试验方法表面能计算结果与试剂组合选取相关、计算结果开根号为负值等不足，可直接快捷地求解得到沥青的真实表面自由能。附图说明附图1：采用全自动表面张力仪进行表面张力测试及接触角测试的示意图：其中，(1)-铂金板或涂膜玻片；(2)-温度探针；(3)-保温装置；(4)-测试试剂；(5)-自动升降平台；(6)-为微量天平；(7)-恒温循环浴。附图2：三种沥青采用二次多项式拟合γLVcosθ～γLV关系得到γLVcosθ＝a(γLV)2+bγLV+c的关系曲线；附图3：三种沥青采用二次多项式拟合得到的γSL～Φ关系曲线。具体实施方式以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。(1)采用表面张力法测试试剂的表面张力γL铂金板因具有较大的表面自由能，已被证实可以完全润湿各测试试剂而被作为一种标准的试剂表面张力的试验方法。将铂金板固定在全自动表面张力仪微量天平夹具上，铂金板在悬空与浸入试剂过程中天平受力分别如下式所示：F1＝WPlate，式1；F2＝WPlate+2(a1+b1)γL-a1b1h1ρLg，式2；式中：F1-铂金板悬空时天平受力；WPlate-铂金板重力；F2-铂金板浸入试剂过程中天平受力；a1-铂金板宽度；b1-铂金板厚度；h1-铂金板浸入试剂深度；γL-试剂表面张力；ρL-试剂密度；由式2-式1有：式中：ΔF1-铂金板浸入试剂后与悬空时天平受力差值，即天平记录受力。根据以上原理，记录铂金板刚接触液面时天平受力差值即可得到试剂的表面张力，此时h1＝0，则有试剂的表面张力计算公式如下：(2)采用接触角法测试各试剂与沥青之间的接触角θ制备表面光滑的沥青涂膜玻片，将涂膜玻片固定在全自动表面张力仪微量天平夹具上，玻片在悬空与浸入试剂过程中受力分别如下式所示：F3＝WA，式5；F4＝WA+2(a0+b0)γLcosθ-a0b0hρLg，式6；式中：F3-玻片悬空时天平受力；WA-涂膜玻片重力；F4-玻片浸入试剂过程中受力；a0-涂膜玻片宽度；b0-涂膜玻片厚度；θ-玻片在浸入试剂过程中与试剂形成的接触角；h-玻片浸入深度；ρL-测试试剂的密度；γL-测试试剂的表面张力，由步骤(1)表面张力法测试得到。由式6-式5有：ΔF＝-a0b0hρLg+2(a0+b0)γLcosθ，式7；式中：ΔF-玻片浸入试剂后与悬空时受力差值。由式7可知ΔF与h之间呈现线性关系，因此可通过线性拟合ΔF～h得到直线截距I即对应为2(a0+b0)γLcosθ，从而最终得到接触角法测试试剂与沥青之间的接触角公式如下：(3)计算沥青的临界表面自由能(γSV)*结合测试得到的各试剂的表面张力γL及试剂与沥青之间的接触角θ，采用二次多项式拟合γLVcosθ～γLV得到γLVcosθ＝a(γLV)2+bγLV+c，通过抛物线γLVcosθ＝a(γLV)2+bγLV+c与直线γLVcosθ＝γLV的交点求解得到试剂的临界表面张力(γLV)*，这一值对应的接触角θ＝0°。根据Good公式，沥青的表面自由能γSV、沥青与试剂之间的界面张力γSL与试剂的表面张力γLV三者之间关系可采用下式表示：式中：Φ-作用力系数。进一步结合Neumann公式，当达到临界条件时即θ＝0°时有：此时(Φ*)＝0，(γSL)*＝0，得到(γSV)*＝(γLV)*。(4)建立作用力系数Φ与界面张力γSL之间的关系由(3)中得到的(γSV)*以及各试剂的γLV与cosθ，采用下式可计算得到各试剂与沥青之间的界面张力γSL，如下式所示：γSL＝γSV-γLVcosθ，式11；进一步结合Good公式计算试剂与沥青之间的作用力系数Φ，如下式所示：根据计算得到的Φ与每种试剂得到的γSL，通过拟合得到二者之间的数学关系：Φ＝f(γSL)，式13；(5)求解沥青的表面自由能γSV将得到的Φ＝f(γSL)表达式及γSL＝γSV-γLVcosθ代入Good公式中得到cosθ＝f(γSV，γLV)关系式，结合每种试剂测试得到的γLV与cosθ，采用最小二乘法可计算得到沥青的表面自由能γSV。实施例11)制备沥青涂膜玻片选取50#、70#、90#三种典型道路石油沥青作为测试样品，将盛有各样品的小铝盒置于135℃烘箱中加热45分钟，并每隔10分钟采用搅拌棒搅拌一次保证沥青加热均匀，随后将样品取出置于150℃加热炉上进行保温。取出一片洁净玻片(长60mm×宽24mm×厚0.2mm)依次采用丙酮、蒸馏水进行清洗，并采用打火器干燥玻片以除去表面残留水分，将玻片垂直插入至盛有样品的小铝盒中约25cm随后迅速取出翻转竖直倒立，让多余沥青自由留下保证玻片表面沥青涂膜厚度均匀，将制备好的沥青玻片垂直插放在泡沫板上，并将泡沫板置于密封干燥箱中养生至少24小时。每种试剂重复进行3次接触角测试，考虑不确定因素影响，每种沥青共制备玻片60片。2)配置不同质量比的乙醇/水混合液依次按乙醇/水的质量比5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、60％、65％、70％、75％、80％配置15种不同浓度的乙醇/水混合液，为保证二者混合充分均匀，将配置好的混合液密封好置于恒温控制箱中养生至少24小时。3)测试各混合液的表面张力γLV参照附图1所示，将盛放测试试剂(4)的小铝盒置于自动升降平台(5)的保温装置(3)中，开启恒温循环浴(7)结合温度探针(2)探测控制试验温度为20℃，采用对应的混合液清洗铂金板(1)(长10mm×宽19.9mm×厚0.2mm)并采用打火器干燥，随后将铂金板垂直固定在微量天平(6)的夹具上。打开全自动表面张力仪测试软件选取测试模式为“Surfacetensionmeasurement”，通过铂金板测试得到各试剂20℃下的表面张力。每组重复测试三次取平均值作为最终测试结果，将测试结果汇总如下表1中，同时将计算得到不同浓度的测试试剂密度也汇总在表中，表中试剂中“5％”表示乙醇与蒸馏水按质量比5％混合而成的混合液，后面依次采用这一表示方法：表115种测试试剂的密度及表面张力4)测试各混合液与沥青玻片之间的接触角θ参照附图1所示，将盛放测试试剂的小铝盒置于自动升降平台(5)上，开启恒温循环浴(7)结合温度探针(2)探测控制试验温度为20℃，采用游标卡尺测量养生后的玻片宽度及厚度，并将玻片固定在微量天平(6)的夹具上。在全自动表面张力仪测试软件上选取测试模式为“Contactanglemeasurement”，将各测试试剂的密度及表面张力导入至软件对应的试剂数据库中，在软件中选取对应测试试剂，并设置测试参数：前进速率6mm/min，测试速率3mm/min，最大测试深度10mm，最小开始测试深度2mm。点击开始测试时，自动升降台以6mm/min缓慢上升，当浸入深度达到2mm时软件开始以3mm/min速率采集试验数据，自动记录天平在浸入深度h处的受力差值ΔF并绘制ΔF～h之间的关系图，通过线性拟合并结合公式(8)得到各混合液与沥青之间的接触角θ。每组重复测试三次，将测试结果汇总如下表2所示：表215种混合液与3种沥青之间的接触角值θ5)建立作用力系数Φ与界面张力γSL之间的关系见附图2所示，采用二次多项式拟合γLVcosθ～γLV关系得到γLVcosθ＝a(γLV)2+bγLV+c，将拟合得到的表达式及判定系数汇总列于下表3中：表3二次多项式拟合试验结果沥青二次多项式表达式判定系数R250#γLVcosθ＝-0.021(γLV)2+0.7192γLV+18.95700.989470#γLVcosθ＝-0.0218(γLV)2+0.5554γLV+22.50400.990690#γLVcosθ＝-0.0051(γLV)2-0.8323γLV+49.32500.9904结合拟合得到的二次多项式表达式，令θ＝0°得到试剂的临界表面张力(γLV)*，其与沥青的临界表面自由能(γSV)*相等，因此可得到各沥青的临界表面自由能结果如下表4所示：表4各沥青样品的临界表面自由能(γSV)*沥青50#70#90#(γSV)*(ergs/cm2)24.0923.5125.16结合计算得到的(γSV)*以及每种试剂测试得到的γLV与cosθ，采用式11计算得到每种试剂对应的γSL，同时进一步采用式12计算得到每种试剂的Φ值，将计算结果汇总如下表5中：表5每种试剂得到的γSL与Φ绘制γSL～Φ关系曲线，见附图3所示，采用二次多项式拟合二者之间的关系，即如下式所示：Φ＝-a(γSL)2+bγSL+c，式14；将拟合试验结果汇总如下表6所示，从表中可以看出采用二次多项式拟合判定系数R2均在0.995以上，说明采用二次多项式可以很好地表征γSL～Φ之间的关系：表6二次多项式拟合试验结果沥青二次多项式表达式判定系数R250#Φ＝0.0001(γSL)2-0.0133γSL+0.99350.997370#Φ＝0.0001(γSL)2-0.0144γSL+0.98960.998590#Φ＝0.0002(γSL)2-0.0164γSL+0.99160.99816)求解沥青的表面自由能γSV基于得到的γSL～Φ之间的数学关系，采用式(11)(12)可得到如下表达式：结合各试剂对每种沥青测试得到的cosθ，采用最小二乘法可计算得到各沥青的表面自由能，即令下式：最小时，得到的γSV即为沥青的表面自由能。将最终得到的各沥青表面自由能汇总如下表7中：表7计算得到的各沥青表面自由能γSV沥青50#70#90#γSV(ergs/cm2)24.2223.5222.117)宏观水稳定性试验验证根据两相材料各自的表面能，采用Berthelot法则可计算得到两相材料的结合能，如下式所示：进一步可得到评价沥青混合料水稳定性的匹配性指标如下式所示：式中：ER-水稳定性的匹配性评价指标；-沥青与集料的粘附结合能；-沥青自身的内聚结合能；-沥青与集料在有水条件下的粘附结合能；γS-集料的表面自由能；γA-沥青的表面自由能；γW-水的表面自由能。结合石灰岩的表面能参数145.45ergs/cm2，水的表面自由能为72.8ergs/cm2，可通过式18计算得到石灰岩与各沥青之间的水稳定性评价指标，如下表8所示：表8石灰岩与各沥青之间的水稳定性评价指标计算结果沥青50#70#90#ER2.75792.69162.5602采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTGE20-2011)》中“T0729-2000沥青混合料冻融劈裂试验”测试石灰岩与各沥青组成的沥青混合料的水稳定性，选用的沥青混合料类型为AC-20C，将测试得到的冻融劈裂试验结果汇总如下表9所示：表9各沥青与石灰岩组成的沥青混合料的冻融劈裂试验结果从表8及表9中可以看出，采用测试得到的各沥青表面自由能结果计算得到的水稳定性评价指标排序与冻融劈裂试验得到的水稳定性排序结果一致，验证了本发明提出的检测方法的可靠性。当前第1页1 2 3