基于润湿理论的沥青混合料最佳拌和温度确定方法

摘要

本发明涉及基于润湿理论的沥青混合料最佳拌和温度确定方法，属于公路施工方法领域。本发明根据润湿理论分别测得沥青的表面张力、沥青与矿料的接触角，进而得到的高温下沥青与矿料的粘附功随温度变化的曲线关系，拟合曲线方程求得最大粘附功，即在高温下沥青对矿料的最佳润湿粘附状态，以最大粘附功(最佳润湿状态)所对应的温度可以用来确定沥青混合料的最佳拌和温度，适用于基质沥青和改性沥青。这为确定沥青混合料的最佳拌合温度提供了新的方法，对于选择合适的沥青混合料施工温度具有一定的指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在高温条件下基于润湿理论来确定沥青混合料拌和温度的方法，即在高温温度范围内沥青与矿料粘附功存在最大值，即最佳润湿状态，最佳润湿状态所对应的温度作为沥青混合料的拌合温度，适用于基质沥青和改性沥青。

背景技术

近年来沥青路面的水损害问题引起人们越来越多的关注，水损害大大降低了路面的使用性能及使用寿命。而沥青与矿料的粘附性是影响沥青混合料水敏感性的直接因素，沥青与集料的粘附过程即是沥青在矿料表面润湿、铺展的过程，受沥青性质、矿料性质及温度的影响。合理的选择沥青路面施工温度的目的就是能够实现沥青充分的润湿集料，使沥青均匀的裹覆在集料表面以提高沥青与集料的胶结能力，增强沥青混合料的稳定度。为了使沥青充分的润湿矿料，选择合适的拌合温度非常重要。目前，国内外对于沥青混合料施工温度的选择是由沥青粘温曲线来去确定的，但这对于改性沥青并不适用，若以国内2000年制定的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)中规定0.17±0.02P_a·s时对应的温度作为拌和温度，那么由此得到的改性沥青的拌和温度将达到200℃，这已远远超过了规范中规定的改性沥青施工温，显然是不合适的，过高的施工温度将带来沥青老化、能源浪费等一系列问题。因此，选择合适的方法来确定沥青混合料拌和温度是十分必要的。

发明内容

本发明基于润湿理论研究了高温下沥青与矿料的粘附功，拟合粘附功随温度的变化曲线关系，得到沥青与矿料的最大粘附功(最佳润湿状态)，以最佳润湿状态对应的温度作为沥青混合料拌。

基于润湿理论的沥青混合料最佳拌和温度确定方法，包括如下步骤：

(1)选取沥青、矿料；

(2)测定高温温度100-200度范围内每间隔10-20度下沥青与矿料的粘附功并绘制粘附功随温度变化曲线；

(3)由曲线方程求得在高温温度范围内沥青与矿料最大粘附功，即沥青对矿料的最佳润湿状态及对应温度，此温度即为沥青混合料的最佳拌和温度；

所述步骤(2)的方法包括：

(A)沥青表面张力测定：基于悬滴法理论，测定一定温度下的沥青表面张力；

(B)在同一温度下，采用躺滴法测定沥青与矿料接触角；

(C)根据润湿理论中粘附功计算公式1，结合沥青表面张力和接触角试验数据计算该温度下沥青与矿料粘附功；

W_sl＝γ_l(1+cosθ)>

式中：

γ_l—液体表面张力，mJ/m²；

W_sl—液固粘附功，mJ/m²；

θ—沥青与矿料接触角。

所述步骤(B)沥青滴定控温装置及矿料恒温室设定在同一温度下进行恒温，将温沥青于恒温下滴于矿料表面，测定液滴稳定1s时的接触角数值。

所述步骤(B)中的矿料为被切割成2-3mm厚的薄片。

所述沥青为基质沥青，测定温度范围为110℃～190℃，间隔20℃测量一个粘附功值；所述沥青为改性沥青，测定温度范围为140℃～190℃，间隔10℃测定一个粘附功值。

所述步骤(A)使用DSA4(Drop Shape Analyzer 4)接触角测量仪通过计算机自动图像采集及处理可直接得出沥青的表面张力。

本发明测定了秦皇岛30#、50#、70#基质沥青和SBS改性沥青I-D、I-DS10与广西辉绿岩、云罗石灰岩在高温(110℃～190℃)状态下的粘附功，以最大粘附功对应的温度为最佳拌温度。

本发明具体主要包括如下步骤：

1、沥青选用秦皇岛30#基质沥青、50#基质沥青、70#基质沥青、I-D改性沥青、I-DS10改性沥青，矿料选取广西辉绿岩、云罗石灰岩，其性能指标满足所使用的实体工程的要求或按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的要求。

2、按照步骤3测定高温温度范围内沥青与矿料的粘附功并绘制粘附功随温度变化曲线。

(1)沥青表面张力测定，本试验使用DSA4接触角测量仪基于悬滴法理论，通过计算机自动图像采集及处理可直接得出沥青的表面张力。测量温度范围为110℃～190℃。绘制沥青表面张力随温度变化曲线。

(2)在高温下沥青与矿料接触角测定，本试验利用DSA4接触角测量仪采用躺滴法测试沥青与矿料的接触角，对于基质沥青，测试了110℃～190℃范围内间隔20℃下与辉绿岩和石灰岩矿料的接触角；SBS改性沥青测试了140℃～190℃范围内间隔10℃与辉绿岩和石灰岩两 种矿料的接触角。

(3)根据表面自由能理论中粘附功计算公式1，结合沥青表面张力和接触角试验数据计算沥青与矿料粘附功，绘制粘附功随温度变化曲线。

W_sl＝γ_l(1+cosθ)>

式中：

γ_l—液体表面张力，mJ/m²；

W_sl—液固粘附功，mJ/m²；

θ—沥青与矿料接触角；

根据粘附功随温度变化曲线拟合曲线方程，由曲线方程求得在高温温度范围内沥青与矿料最大粘附功，即沥青对矿料的最佳润湿状态及对应温度，此温度即为沥青混合料的最佳拌和温度。

3、绘制沥青粘温曲线，验证由润湿理论得到的沥青混合料拌和温度的有效性。

本试验利用布洛克菲尔德粘度计测定了这5种沥青五个温度点的粘度，并绘制粘温曲线。根据粘温曲线方程分别求得5种沥青拌和温度(沥青粘度为0.17±0.02P_a·s时所对应的温度)，与由步骤3得到的沥青混合料拌和温度进行比较分析，验证由润湿理论得到的沥青混合料拌和温度的可行性、有效性。

本发明根据润湿理论分别测得沥青的表面张力、沥青与矿料的接触角，进而得到的高温下沥青与矿料的粘附功随温度变化的曲线关系，拟合曲线方程求得最大粘附功，即在高温下沥青对矿料的最佳润湿粘附状态，最大粘附功(最佳润湿状态)所对应的温度可以用来确定沥青混合料的最佳拌和温度，适用于基质沥青和改性沥青。

附图说明

图1：表面张力测量示意图

图2：沥青表面张力随温度变化关系图

图3：沥青与矿料接触角测量示意图

图4：30#沥青与广西辉绿岩粘附功曲线

图5：30#沥青粘温曲线

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例：根据本发明的内容，具体的试验方法如下：

步骤1：确定原材料

沥青选用秦皇岛30#、50#、70#基质沥青、I-D改性沥青、I-DS10改性沥青、I-DHV4改性沥青，沥青的性能指标如下表1；矿料选取广西辉绿岩、云罗石灰岩，其性能指标满足所使用的实体工程的要求或按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的要求。

表1：沥青性能指标

步骤2：试样准备

躺滴法要求试样表面光滑、洁净，对于矿料，本试验是将粒径大于36mm的矿料用精密切割仪切成3mm左右厚的薄片，然后先后用400#、600#、1000#砂纸依次进行抛光处理，抛光后矿料表面粗糙度值Ra小于0.1μm，便于沥青在矿料表面的铺展及后期接触角的测量；再分别用蒸馏水和酒精清洗表面，然后放入100±5℃真空干燥箱中烘干2h，取出后放置于干燥器中24h备用。

步骤3：高温条件下沥青与矿料粘附功试验

高温条件下沥青与矿料的粘附功是根据表面自由能理论中粘附功公式1计算得到，需要测定在高温下沥青的表面张力及同一温度下沥青与矿料的接触角数据。

(1)高温下沥青表面张力测定。本试验使用DSA100接触角测量仪(如图1)基于悬滴法理论，通过计算机自动图像采集及处理可直接得出沥青的表面张力。悬滴法测量表面张力的基本思想是：当液滴被静止悬挂在毛细管的管口处时，液滴的外形主要取决于重力和表面张力的平衡。因此，通过对液滴外形的测定,即可推算出液体的表面张力。以下即通过悬滴法测试了两种沥青在不同温度(110℃～190℃)下的表面张力。试验结果如下：

表2：沥青表面张力数据

沥青表面张力随温度变化关系如图2(30#沥青为例)。5种沥青表面张力随温度呈线性减小，拟合直线方程斜率K及线性相关系数R²如表4，5种沥青表面张力随温度变化拟合方程线性相关系数均大于0.99。

表3：沥青表面张力随温度变化直线方程斜率K及线性相关系数R²

(2)沥青与矿料接触角测定

本试验采用躺滴法测试沥青与矿料(矿料试件处理如步骤2，)的接触角如图3，对于基质沥青，测试了110℃～190℃范围内间隔20℃下与广西和云罗矿料的接触角；而由于SBS改性沥青粘度较大，温度低时不利于滴下液滴，故测试了140℃～190℃范围内间隔10℃与广西辉绿岩和云罗石灰岩两种矿料的接触角。接触角的测量受温度影响较大，在一定粗糙度水平上与矿料表面的粗糙度没有太多的关系。本试验将沥青与矿料设定在同一测试温度下恒温30min后再进行测试，由DSA4接触角测量仪自动录像，计算机处理得到沥青滴下后稳定1s的接触角。沥青与广西辉绿岩和云罗石灰岩接触角数据如表4。

表4：基质沥青与矿料接触角数据

表4：改性沥青与矿料接触角数据

(3)沥青与矿料粘附功计算

根据粘附功计算公式1，结合沥青表面张力和接触角试验数据计算沥青与矿料粘附功结果如表5：

表5：基质沥青与矿料粘附功数据

表5：改性沥青与广西辉绿岩粘附功数据

根据表5数据，绘制沥青与广西辉绿岩粘附功随温度变化曲线如图4(以30#沥青与辉绿岩的粘附功为例)，同样作其他沥青和矿料粘附功随时间变化曲线，拟合得到曲线方程及相关性系数R²如下表6：

表6：粘附功随温度变化曲线方程和相关性系数R²

根据沥青与矿料粘附功曲线进行二次曲线拟合，求出沥青与矿料粘附功最大值及对应的温度，数据如下表7：

表7：沥青与矿料最大粘附功及对应温度数据

高温状态下粘附功可以反映出液态沥青对矿料润湿状态，在最大粘附功对应的温度下沥青与矿料处于最佳润湿状态，因此本发明即是用最佳润湿状态对应的温度来作为沥青混合料的拌和温度。

步骤4：绘制沥青粘温曲线，验证由润湿理论得到的沥青混合料拌和温度的有效性。

利用布洛克菲尔德粘度计测定了这5种沥青五个温度点的粘度，数据如表8。以30#沥青为例绘制沥青粘温曲线如图5。根据粘温曲线方程分别求得5种沥青拌和温度(沥青粘度为0.17±0.02P_a·s时所对应的温度)列于表9。

表8：不同温度下沥青粘度数据

表9：由粘温曲线得到的沥青拌合温度

由粘温曲线来确定沥青混合料的拌和温度适用于基质沥青，而不适用于改性沥青，而对于基质沥青由本发明提出的确定沥青混合料拌和温度的方法得到的沥青混合料拌和温度与由粘温曲线得到的结果接近；对于改性沥青由本发明提出的确定沥青混合料拌和温度的方法得到的沥青混合料拌和温度与改性沥青的实际施工温度更为接近，说明本发明提出的基于润湿理论的沥青混合料拌和温度确定方法是合理的、可行的。

(5)小结

本发明根据润湿理论分别测得沥青的表面张力、沥青与矿料的接触角，进而得到的高温下沥青与矿料的粘附功随温度变化的曲线关系，拟合曲线方程求得最大粘附功，即在高温下沥青对矿料的最佳润湿粘附状态，以最大粘附功(最佳润湿状态)所对应的温度可以用来确定沥青混合料的最佳拌和温度，适用于基质沥青和改性沥青。这为确定沥青混合料的最佳拌合温度提供了新的方法，对于选择合适的沥青混合料施工温度具有一定的指导意义。