不同温度下采用蒸气吸附法测试集料表面能的试验研究

汪 翔 吴 鹏 贾善林 陈文强 邓鸣银 张 明

(武汉理工大学交通与物流工程学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063) (湖北省路桥集团有限公司3) 武汉 430056)

0 引 言

沥青路面发生水损害的主要原因是沥青与集料之间较低的黏附性[1].然而，传统评价沥青与集料之间黏附性的水煮法与水浸法试验仅仅只能从定性的角度出发[2]；与此同时，其试验结果往往因人而异，且具有较强的人为主观因素，因而不能准确地评价沥青与集料之间的黏附性.鉴于水煮法这类定性评价方法的局限性，为准确评价沥青与集料之间的黏附性，基于表面能理论的相关研究得到了进一步发展与应用.实际上，表面能理论可以很好地从物理、化学及热力学角度来表征材料本身的内聚能与材料之间的结合能，将其直接运用到沥青混合料中，可以定量计算沥青与集料各自的表面能大小，进而在表面能理论体系下计算沥青或者集料本身的内聚能及这二者之间的结合能，并以此为依据来定量表征其黏附性.因此，基于表面能理论的定量分析方法被广泛应用于道路工程领域[3].

在集料表面能测试过程中，常见的试验方法有静滴法、毛细上升法、微热量计法及蒸气吸附法等.综合来看，相较于其他试验方法，蒸气吸附法保留了集料本身的天然状态，其操作简单，试验精度高，可行性强，测量结果较为准确，因而可以很好地用来测量集料的表面能参数，进而准确表征沥青与集料之间的黏附性[4].

在蒸气吸附法试验过程中，温度作为一种常见且重要的影响因素，势必会在一定程度上影响集料表面能的测试结果.因此，为了探究温度对蒸气吸附法测试集料表面能的影响规律，本文以石灰岩和安山岩集料为试验对象，在10～40 ℃内设置4个温度点，依次测量了这两种集料在不同温度下的各阶蒸气吸附量，进而计算出集料在不同温度下的表面能参数，以探究不同温度下采用蒸气吸附法测试集料表面能的试验影响规律.

1 蒸气吸附法试验原理

1.1 表面能

表面能是指在恒温恒压条件下，材料表面增加或者减少单位表面积时，外界需要对该材料本身所做的功，一般用字母γ表示，其单位为erg/cm2.在表面能理论中，常采用经典的GvOC三分量理论体系.在该体系下，材料的表面能总量可分为三部分，即非极性分量γLW、极性酸分量γ+和极性碱分量γ-，其中极性酸分量和极性碱分量统称为极性酸碱分量γAB[5-7].表示为

(1)

1.2 蒸气吸附法测试集料比表面积

该方法需要测试集料在不同压强下对各试剂的蒸气吸附量，通过M-BET模型计算出集料的比表面积SSA[8].其表达式为

(2)

式中：nm为集料对各试剂的饱和吸附量；NA为阿伏伽德罗常数；M为各试剂的摩尔质量；α为单个试剂分子在吸附剂表面的投影面积.

其中集料对各试剂的饱和吸附量nm为

(3)

式中：p为环境压强；n为压强为p时集料样品对试剂蒸气的吸附量；p0为各试剂的饱和蒸气压；c，k为试验拟合参数.

1.3 蒸气吸附法测试集料表面扩散压力

根据试验测量得到的集料样品在各压强下的吸附量数据，选取吸附等温线模型进行拟合，并根据Gibbs方程计算集料样品相对于各试剂的表面扩散压力πe[9].其表达式为

(4)

式中：R为理想气体常数；T为样品试验温度.

1.4 蒸气吸附法测试集料表面能

基于上述计算得到的集料比表面积和表面扩散压力，结合Young-Dupre方程建立如下平衡方程组，求解便可得到集料的表面能参数.

(5)

由于测试试剂的表面能参数已知，因此上述表达式中还需求解三个未知参数.因此，试验选取了三种常见的已知表面能参数的液体试剂进行试验，即以蒸馏水、2-戊酮及甲苯为测试试剂，进一步开展集料的蒸气吸附试验，与此同时，根据表达式(5)，便可计算得到集料的表面能总量及各分量值.

1.5 试剂表面能分量计算

首先采用铂金板测试了不同温度下试剂的表面能总量，然后以20 ℃时试剂的表面能参数为基准，按照等量变化的原则，得到其他各温度下试剂的表面能分量值[10].其中20 ℃时各试剂的表面能参数见表1.

表1 20 ℃时三种试剂的表面能参数 单位：erg/cm2

2 试验材料与试验步骤

2.1 试验材料与设备

试验选取了湖北省内的两种典型路用集料进行试验，分别为安山岩和石灰岩集料，其粒径大小为2.36～4.75 mm.考虑到当地气候条件和试验可行性，将试验温度范围控制在10～40 ℃，且均分为4个温度梯度，并进行蒸气吸附试验.主要试验设备为磁悬浮重量平衡仪.主要试验仪具与材料有：2.36～4.75 mm集料试样、蒸馏水、2-戊酮、甲苯、烘箱、干燥箱等.

2.2 试验步骤

首先根据安托尼公式计算出不同温度下各试剂下的饱和蒸气压，结果见表2.

p0=10[A-B/(C+T)]×1 000

(6)

式中：A，B，C分别为试剂的安托万常数；T为试验温度，℃；p0为饱和蒸气压，mbar.

表2 不同温度下各试剂的饱和蒸气压

进一步的，根据各试剂的饱和蒸气压值合理设置压强分阶方案，见表3.

与此同时，准备好2.36～4.75 mm粒径的集料样品，用蒸馏水清洗干净之后将其置于150 ℃烘箱内加热干燥12 h以上，然后置于干燥箱中密封干燥24 h以上，最后选取适量样品放置于磁悬浮重量平衡仪样品腔内，并依次进行空篮试验、预处理试验和蒸气吸附试验，具体为

1) 空篮试验.用丙酮清洗样品篮，然后将其放置于试验腔内，手动调平之后，实时称量样品篮的质量.

表3 不同温度下各试剂对应压强分阶方案 单位：mbar

2) 预处理试验.空篮试验后，将适量集料置于样品桶内并放置于试验腔中，手动调平之后，设置试验温度为150 ℃，操作仪器进行高温预处理并实时称量集料和样品的总质量，直至稳定.

3) 蒸气吸附试验.预处理试验之后，设置试验温度为既定温度，操作仪器进行逐阶蒸气吸附试验，实时称量样品桶、集料以及所吸附蒸气的总质量，直至稳定方可进行下一阶试剂蒸气吸附试验.

3 试验结果与讨论

3.1 不同温度下试剂蒸气分子横截面积与直径

根据下式计算出不同温度下各试剂蒸气分子的相关参数，具体结果见表4.

(7)

(8)

式中：σ为单个蒸气分子在集料表面的投影面积；M为试剂蒸气的摩尔质量；ρ为试验温度下蒸气对应液态时的密度；d为单个分子的直径.

表4 各温度下试剂蒸气分子的横截面积与直径

3.2 不同温度下集料对各试剂蒸气的比表面积和扩散压力

采用蒸气吸附法测试不同温度下集料对各试剂蒸气的吸附量，图1为不同温度下石灰岩集料对各试剂蒸气的吸附量结果，图2为安山岩集料对各试剂蒸气的吸附量结果.

图1 石灰岩集料对三种试剂蒸气的吸附量结果

图2 安山岩集料对三种试剂蒸气的吸附量结果

将上述试验测量得到的各集料对试剂蒸气的吸附量数据代入式(2)～(3)中，根据M-BET模型线性拟合求解便可得到集料对各试剂蒸气的比表面积.与此同时，将上述试验数据代入式(4)中，采用DA模型拟合求解便可得到集料对各试剂蒸气的扩散压力.计算结果见表5～6.

表5 不同温度下石灰岩集料对各试剂蒸气的比表面积和扩散压力

表6 不同温度下安山岩集料对各试剂蒸气的比表面积和扩散压力

3.3 不同温度下集料的表面能

将上述计算结果代入式(5)，联立方程并求解，便可得到集料在不同温度下的表面能结果，并绘制于下图.其中图3为不同温度下石灰岩集料、安山岩集料的表面能各分量值与总量值.

图3 不同温度下表面能各分量值与总量值

将其表面能总量进行对数换算，见图4.

图4 不同温度下集料的表面能总量

由图4可知：从表面能总量上来看，不同温度下集料的表面能总量具有较大的差异，总体表现为温度越高，集料的表面能总量越大，且相较于20 ℃时的表面能总量值，石灰岩集料表面能总量值最高增量为2.1倍，安山岩集料表面能增量为1.6倍.在40 ℃时，石灰岩集料的表面能总量远超于其他三个温度时的表面能值；而对于安山岩来说，当温度为30 ℃时，其表面总量已有明显的增加.其次，在10 ℃时，安山岩集料的表面能总量稍大于石灰岩；而在40 ℃时，其表面能总量稍小于石灰岩.与此同时，当温度由10 ℃上升到40 ℃时，安山岩集料表面能总量增加的速度由快而慢，而石灰岩集料的表面能总量增加的速度却与之相反，表现为由慢而快.另一方面，从表面能分量上来看，两种集料表现出一致的特征，即其表面能非极性分量和极性碱分量在表面能总量上占比较大，而极性酸分量占比较少.

4 结 论

1) 随着温度的上升，在10～40 ℃范围内，石灰岩和安山岩集料的表面能总量均呈现一定程度的增加，且相较于20 ℃时的表面能总量值，其最高增量达2.1倍；从趋势上来看，石灰岩集料表面能总量上升趋势为先慢后快，而安山岩则表现为先快后慢，两者具有一定的差异性.

2) 从表面能分量上看，在整个温度变化过程中，两种集料的表面能非极性分量和极性碱分量在其总量中占比较大，而极性酸分量占比较少.