一种纳米ZnO在沥青中的分散状态的评价方法

摘要

本发明所涉及的纳米ZnO在沥青中分散状态的评价方法，其是基于数字图像处理技术获取纳米ZnO粒子在沥青中分散状态参数，采用面积比变异系数和数量变异系数评价纳米ZnO粒子的分散均匀性，同时采用平均粒径评价纳米ZnO粒子分散程度，从而可定量地评价纳米ZnO在沥青中的分散状态，弥补了纳米ZnO在沥青中分散状态缺少定量评价的不足，同时，本发明的方法简单，操作过程容易，评价结果准确，为研究新旧沥青混溶的状态提供了技术支持，并为沥青混合料的热再生提供指导，利于的推广。

说明书

技术领域

本发明属于道路工程领域，具体涉及纳米ZnO在沥青中分散状态的定量 评价方法。

背景技术

随着道路沥青需求的日益增长，对回收沥青路面材料的再生循环利用研 究也日趋重视。由于沥青组成的复杂性，新旧沥青混合后难以区分，而新旧 沥青的混溶状态会直接影响再生沥青的性能。目前，可以采用纳米氧化物作 为示踪剂，对沥青进行标记，通过对新旧沥青混溶后纳米示踪剂行为的观测 分析，来确定新旧沥青的混溶状态。其中，以纳米ZnO作为示踪剂标记沥青 效果最好。

纳米ZnO标记沥青，其在沥青中的分散状态对标记效果有重要的影响。 纳米ZnO在沥青中的分散状态分为分散均匀性和分散程度两方面。纳米ZnO 的分散程度越高，分布的越均匀，就越有利于纳米ZnO粒子作为示踪剂标记 沥青效果的发挥。朱成选择的纳米ZnO作为示踪剂标记新沥青，模拟了沥青 混合料再生过程，通过对新旧沥青混溶之后的纳米ZnO的分散状态的观测， 定性地说明了新旧沥青发生了部分混溶。徐伟对纳米ZnO示踪剂的分散情况， 如示踪剂粒子的分散间距，进行简单地分析，对分散均匀性进行了定性说明。 但该研究缺少对示踪剂在沥青中分散状态的参数的统计，如粒子数量、面积、 粒径等。

上述有关纳米示踪剂在沥青中分散状态的研究仅限于定性的观测，不能 对纳米示踪剂在沥青中分散均匀性与分散程度进行定量地评价。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种评价结果可靠、过 程简单并且可定量检测的纳米ZnO在沥青中分散状态的评价方法。

本发明解决问题所采用的方案是由以下步骤组成：

(1)将含有经过表面改性的纳米ZnO的沥青滴于铜片上，加热铜片底部 至50～60℃,使沥青滴分散，之后冷却至室温，削平沥青表面至铜片上留下厚 度为0.5mm的ZnO/沥青薄膜；

(2)在5～10min内将步骤(1)中得到的ZnO/沥青薄膜按照常规的真空 镀膜法喷金，得到ZnO/沥青试样；

(3)利用扫描电镜对步骤(2)中得到的ZnO/沥青试样表面某一位置处 进行扫描，得到一张放大倍数为1000倍的矩形图像，矩形图像中白点的面积、 数量对应为纳米ZnO粒子的面积、数量；

(4)将步骤(3)中得到的矩形图像均分为n个矩形网格，25≥n≥16， 利用Image-ProPlus软件对每个网格中的白点进行数据统计，即得到每个网格 中纳米ZnO粒子的面积、数量和粒径；

(5)利用步骤(4)中所得到的纳米ZnO粒子的面积和数量分别计算矩 形图像所对应的位置处纳米ZnO粒子分布的面积比变异系数S_x、数量变异系 数M_x；利用步骤(4)中得到的纳米ZnO粒子的粒径计算该位置处纳米ZnO 粒子的平均粒径

(6)根据上一步所得面积比变异系数S_x和数量变异系数M_x，按照下式 计算得到纳米ZnO粒子的分布指数T，

分布指数T＝S_x*05+M_x*05

当分布指数T<0.200时，则表示纳米ZnO粒子分散均匀；当平均粒径<0.490，则表示纳米ZnO粒子分散程度高；否则，相反，即可完成对纳米ZnO 的分散状态的定量评价。

上述纳米ZnO粒子的粒径大小为30±5nm。

上述步骤(1)之前还包括步骤(a)

其中步骤(a)具体是：以硅烷偶联剂、钛酸偶联剂或铝酸偶联剂中任意 一种为偶联剂用常规干燥法对纳米ZnO进行表面改性，偶联剂用量为纳米ZnO 质量的1％。

上述步骤(1)中纳米ZnO在沥青中的重量掺量是4％。

上述步骤(3)与步骤(4)之间还包括步骤(b)和步骤(c)：

步骤(b)具体是：对步骤(3)的扫描位置处进行二次扫描，得到相同 位置处的另一张矩形图像；

步骤(c)具体是：利用Image-ProPlus软件分别对步骤(3)中得到的矩 形图像与步骤(b)中得到的矩形图像上的白点进行数据统计，得到白点面积 和白点数量，并依据统计数据分别绘制两张矩形图像上所有不同面积白点的 频率分布直方图，通过对频率分布直方图上相同面积白点的频率值对比，确 定频率值变化较大的白点的面积范围，并将该面积范围内的白点定义为干扰 点，统计时排除对该部分干扰点的数据统计。

上述步骤(5)与步骤(6)之间还包括步骤(d)和步骤(e)；

步骤(d)具体是：在ZnO/沥青试样表面另外选取两个位置，按照步骤(3) 的操作分别得到这两个位置处的放大倍数为1000倍的矩形图像，按照步骤 (4)、(5)的操作，分别得到这两个位置处的面积比变异系数、数量变异系 数和平均粒径；

步骤(e)具体是：计算步骤(5)和步骤(d)所得到的面积比变异系数、 数量变异系数和平均粒径的平均值。

本发明的纳米ZnO在沥青中分散状态的评价方法，是基于数字图像处理 技术获取纳米ZnO粒子在沥青中分散状态参数，采用面积比变异系数和数量 变异系数评价纳米ZnO粒子的分散均匀性，同时采用平均粒径评价纳米ZnO 粒子分散程度，从而可定量地评价纳米ZnO在沥青中的分散状态，弥补了纳 米ZnO在沥青中分散状态缺少定量评价的不足，同时，本发明的方法简单， 操作过程容易，评价结果准确，为研究新旧沥青混溶的状态提供了技术支持， 并为沥青混合料的热再生提供指导，利于的推广。

附图说明

图1为实施例的刀削法试样；

图2为实施例的第一个位置处SEM图像；

图3为实施例的试样研究界面示意图；

图4为实施例的第二个位置处SEM图像；

图5为实施例的第三个位置处SEM图像。

具体实施方式

现结合实验数据和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明：

以100g沥青为例，本实施例的纳米ZnO在沥青中分散状态的评价方法依 次由以下步骤实现：

(a)称取4g粒径大小为30±5nm的ZnO粒子，向其中加入0.04g硅烷 偶联剂，用常规的干燥法对其进行表面改性。

(1)将改性后的纳米ZnO与沥青混合后滴于铜片上，加热铜片底部至 55℃,使沥青滴分散，之后冷却至室温，削平沥青表面至铜片上留下厚度为 0.5mm的ZnO/沥青薄膜；

(2)在8min内将步骤(1)中得到的ZnO/沥青膜按照常规的真空镀膜 法进行喷金，得到ZnO/沥青试样，如图1；

(3)利用扫描电镜对步骤(2)中得到的ZnO/沥青试样表面的某一位置 处进行扫描，获取该位置处尺寸为128×86μm、放大倍数为1000倍的矩形图 像，如图2，矩形图像中白点的面积、数量对应为纳米ZnO粒子的面积、数 量；

(b)对步骤(3)中的扫描位置进行第二次扫描，获取该相同位置处尺 寸为128×86μm、放大倍数为1000倍的另一张矩形图像；

(c)利用Image-ProPlus软件分别对步骤(3)中得到的矩形图像与步骤 (b)中得到的矩形图像上的白点面积和数量进行统计，并依据所统计的数据 分别绘制两张矩形图像上所有不同面积白点的频率分布直方图；通过对频率 分布直方图上相同面积白点的频率值对比，确定频率值变化较大的白点的面 积范围为0～0.02μm²，并将该部分面积范围内的白点定义为干扰点，后续统计 时排除对该部分干扰点的数据统计；

(4)将步骤(3)中得到的矩形图像划分成5×5的25个小矩形网格，参 见图3，每个矩形尺寸为25.6×17.2μm，利用Image-ProPlus软件对每个网格 中除干扰点外的剩余白点的面积、数量参数进行统计，即得到每个网格中纳 米ZnO颗粒的面积、数量和粒径；

表1图2中25个网格的纳米ZnO面积统计数据(单位：μm²)

表2图2中各网格中纳米ZnO数量数据(单位：个)

(5)利用上述表所得到的纳米ZnO粒子的面积和数量分别计算矩形图像 所对应的位置处纳米ZnO粒子分布的面积比变异系数S_x、数量变异系数M_x； 利用步骤(4)中得到的纳米ZnO粒子的粒径计算该位置处纳米ZnO粒子的 平均粒径

(d)在步骤(2)的ZnO/沥青试样表面另外选取两个位置，按照步骤(3) 的操作分别得到这两个位置处的放大倍数为1000倍的矩形图像，如图4、5 所示，按照步骤(4)、(5)的操作，分别得到这两个位置处的面积比变异系 数、数量变异系数和平均粒径；

表3图3中25个小区域的纳米ZnO面积统计数据(单位：μm²)

表4图4中25个小区域的纳米ZnO面积统计数据(单位：μm²)

表5图3中各网格中纳米ZnO数量数据(单位：个)

表6图4中各网格中纳米ZnO数量数据(单位：个)

(e)利用表1～6中的数据，结合平均值公式、标准差公式、变异系数公 式计算图2、3、4中三张图像中纳米ZnO面积比变异系数S_x分别为0.177、 0.180、0.184，纳米ZnO数量变异系数M_x分别为0.130、0.134、0.125，纳米 ZnO平均粒径分别为0.464μm、0.478μm、0.489μm，计算步骤(5)和步 骤(d)三个位置处所得到的面积比变异系数、数量变异系数和平均粒径的平 均值，平均粒径为0.477μm，面积比变异系数为0.180和数量变异系数为0.130。

(6)根据面积比变异系数S_x和数量变异系数M_x，按照下式计算得到纳 米ZnO粒子的分布指数T，

分布指数T＝S_x×05+M_x×05＝0.155

本实施例的分布指数T<0.200，则表示纳米ZnO粒子分散均匀；当平均 粒径则表示纳米ZnO粒子分散程度良好；否则，相反。