趙溪，彭文舉

（1.唐山市交通運(yùn)輸局，河北唐山 063000；2.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長沙 410004）

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基于自制接觸角測量儀的溫拌阻燃瀝青接觸角測量

趙溪1，彭文舉2

（1.唐山市交通運(yùn)輸局，河北唐山 063000；2.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長沙 410004）

摘要：基于自制接觸角測量儀，制定適合瀝青接觸角測量的測樣方法與測試數(shù)據(jù)評(píng)定方法，測定了不同摻量下Sasobit溫拌瀝青、阻燃瀝青、溫拌阻燃瀝青與蒸餾水、甘油、甲酰胺3種試液的接觸角。結(jié)果表明自制接觸角測量儀使用鏡像測量法可精確測量瀝青的接觸角，溫拌劑對(duì)瀝青接觸角的影響大于阻燃劑，阻燃瀝青接觸角普遍大于溫拌瀝青。

關(guān)鍵詞：隧道；接觸角；溫拌阻燃瀝青；接觸角測量儀；表面能理論

隨著公路隧道的不斷涌現(xiàn)和隧道交通量的增大，隧道火災(zāi)發(fā)生的頻率逐漸增大。據(jù)國外統(tǒng)計(jì)，公路火災(zāi)發(fā)生頻率約為0.711 07 veh/km，隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生頻率約為0.331 107 veh/km，瀝青路面隧道的火災(zāi)成為一個(gè)國際性難題。同時(shí)由于隧道環(huán)境的封閉性，瀝青路面較高的攤鋪、壓實(shí)溫度在增大能源消耗的同時(shí)將增大煙塵等有毒物質(zhì)的排放量，這不僅會(huì)增加施工難度，還會(huì)對(duì)施工人員的身體健康造成不良影響?；谝陨蟽蓚€(gè)原因，溫拌阻燃技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

目前，國內(nèi)外對(duì)溫拌阻燃瀝青進(jìn)行了較多研究：吳喜榮等研究了溫拌阻燃降噪型瀝青混合料OGFC在隧道路面中的應(yīng)用，并對(duì)降噪效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)；曹樂等對(duì)溫拌阻燃瀝青的阻燃性能進(jìn)行研究并探討了溫拌劑與阻燃劑的相容性；王修山等研究了溫拌阻燃瀝青混合料的路用性能?？傮w而言，對(duì)于溫拌阻燃瀝青的研究偏向于材料的阻燃作用與施工降溫效應(yīng)，而對(duì)于抗水損害性能的理論研究較欠缺。作為評(píng)價(jià)瀝青混合料抗水損害性能的新方法，表面能理論得到較為廣泛的應(yīng)用。根據(jù)Fowkes理論，瀝青表面自由能可根據(jù)瀝青接觸角和相應(yīng)已知液體的表面張力計(jì)算得出。由于已知液體的表面張力可通過化學(xué)手冊查得，只需測試瀝青接觸角即可計(jì)算出瀝青表面自由能。該文對(duì)溫拌阻燃瀝青的接觸角進(jìn)行測量分析，為溫拌阻燃瀝青的抗水損害性能研究提供理論參考。

1　自制接觸角測量儀

針對(duì)目前接觸角測量儀價(jià)格昂貴、儀器設(shè)備復(fù)雜不便于攜帶且用于瀝青測試的測樣方法存在精度差、數(shù)據(jù)變異性大等問題，參照成型的接觸角測量儀自制簡易接觸角測量儀，并制定適合于瀝青接觸角測量的制樣測試方法。

1.1設(shè)備構(gòu)成

為了測量瀝青表面自由能及表面自由能分量，參考文獻(xiàn)［9～11］自制簡易接觸角測量儀。其基本組裝設(shè)備包括待測樣品、微量進(jìn)樣器、高清數(shù)碼電子顯微攝像頭和PC機(jī)，工作原理如圖1所示。

圖1　自制接觸角測量儀的工作原理示意圖

1.2制樣方法

（1）將標(biāo)準(zhǔn)載玻片洗干凈并干燥，于100℃以下預(yù)熱。

（2）加熱燒杯內(nèi)瀝青至熔融狀態(tài)，將載玻片垂直插入瀝青中，浸漬完成后緩慢取出載玻片以免產(chǎn)生氣泡。

（3）將載玻片于120～130℃下恒溫垂直放置10 min以上，保證試樣表面平整。

（4）取出載玻片冷卻至室溫，完成制樣。

1.3測量步驟

由于瀝青為溫敏性材料，溫度對(duì)瀝青的各項(xiàng)參數(shù)具有較大影響，為保證測試數(shù)據(jù)的可比性，測試在恒溫環(huán)境中進(jìn)行，推薦試驗(yàn)溫度為20～25℃。

目前接觸角測量儀對(duì)液滴圖形的獲取主要有兩種方式：第一種是通過調(diào)節(jié)使樣品表面處于水平，進(jìn)而使攝像頭能清晰地捕捉試樣上的液滴。該方式與正投影類似，稱之為正投影測樣。該方式只要待測樣表面保持平整，處于同一平面即能進(jìn)行準(zhǔn)確測量。另一種是通過調(diào)節(jié)光線使攝像頭能捕捉到液滴在試樣表面的鏡像，通過內(nèi)嵌軟件對(duì)鏡像圖像的分析確定接觸界面進(jìn)而進(jìn)行角度測量。該方式只要求待測樣所在區(qū)域部分處于同一平面即可，但要求待測樣表面光滑，能形成鏡像圖像。

1.3.1正投影測樣

由于瀝青材料的特殊性，需借助其他板體材料進(jìn)行制樣（如載玻片）。同時(shí)由于瀝青粘滯性較強(qiáng)，制樣過程中很難保證試樣邊緣平整，如圖2（a）所示，試樣邊緣瀝青膜厚度往往較試樣中間部分大，且不同寬度范圍內(nèi)各邊緣位置瀝青膜厚度不盡相同。

圖2　瀝青正投影試樣測試誤差分析

圖2（a）中白色區(qū)域由于試樣近端邊緣與遠(yuǎn)端邊緣均較中間區(qū)域高，實(shí)際獲取圖像如圖2（b）所示。顯然θ2＞θ1，即采用正投影方法使接觸角數(shù)值減小。同時(shí)前一液滴測試完成進(jìn)入下一液滴圖像獲取時(shí)，由于邊緣瀝青厚度的不均勻性，將使同一試液與瀝青的接觸角出現(xiàn)較大的變異性。這很好地解釋了為什么在接觸角測量儀研發(fā)初期采用專用接觸角測量儀進(jìn)行瀝青接觸角測量時(shí)存在部分測試結(jié)果偏小且變異系數(shù)較大的現(xiàn)象。

1.3.2鏡像測樣

針對(duì)表面較為光滑試樣，還可使用鏡像測樣方式，即通過調(diào)節(jié)光線使液滴形成鏡像，通過處理找出接觸界面。理論上這種方式能較好地解決正投影測樣所帶來的誤差。該文采用量高法進(jìn)行測量，測樣步驟（如圖3所示）如下：1）對(duì)液滴圖像進(jìn)行擬合，作出液滴輪廓圓1；2）對(duì)液滴倒影進(jìn)行擬合，作出液滴鏡像輪廓圓2；3）連接兩圓交點(diǎn)，交線即為液滴與瀝青接觸界面，并過圓1圓心作交線垂線；4）標(biāo)注出矢高h(yuǎn)、弦長D，接觸角θ=2arctan（2h/D）。

圖3　接觸角測量步驟

1.4數(shù)據(jù)評(píng)定

為了保證測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，以用于進(jìn)一步計(jì)算分析，對(duì)測試數(shù)據(jù)作如下評(píng)定：

（1）物質(zhì)表面能可分為色散分量γd、極性分量γp，二者之和為表面能總和γ。根據(jù)表面能理論，由液固界面表面自由能分析可得：

式中：θ為液固界面接觸角，對(duì)于已知液體，可在化學(xué)手冊中查得；下標(biāo)s、l分別表示固體和液體。

（2）為了進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的有效性，采用文獻(xiàn)［16］中的方法進(jìn)行判斷。即對(duì)于給定的某一固體，不同液體的γlcosθ與γl存在線性關(guān)系，如果二者線性相關(guān)性較差，則說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在錯(cuò)誤或變異性較大，需重新進(jìn)行試驗(yàn)。將該相關(guān)系數(shù)定義為

由表1和圖4可知：各接觸角變異系數(shù)均小于1%，且兩相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.99，較部分文獻(xiàn)均有較大提高，表明自制接觸角測量儀測試數(shù)據(jù)具有高度的準(zhǔn)確性，可用于后續(xù)測試分析。

表1　基質(zhì)瀝青的接觸角

圖4　基質(zhì)瀝青接觸角評(píng)定

2　溫拌阻燃瀝青接觸角

采用70#基質(zhì)瀝青、Sasobit溫拌劑、鹵系阻燃劑十溴二苯乙烷（DBDPE）及蒸餾水、甘油、甲酰胺3種試液，變換摻加物及摻加比例，對(duì)不同摻量溫拌阻燃瀝青進(jìn)行接觸角測量。

2.1Sasobit溫拌瀝青接觸角

物質(zhì)固-液兩相界面的特性直接關(guān)系到物質(zhì)的功能，其不僅與2個(gè)相互接觸的物質(zhì)固有特性有關(guān)，還受到兩相物質(zhì)界面層組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)及界面上相互作用狀態(tài)的影響。接觸角作為固-液兩相界面的重要表征，通過分析接觸角的變化可反過來表征固、液性質(zhì)的改變。

為了研究Sasobit溫拌劑對(duì)瀝青性質(zhì)的影響，采用蒸餾水、甘油、甲酰胺3種試液對(duì)不同摻量Sasobit溫拌瀝青進(jìn)行接觸角測量，結(jié)果如圖5所示。

圖5　Sasobit溫拌瀝青接觸角測量結(jié)果

由圖5可知：3種試液與瀝青接觸角大小順序分別為蒸餾水＞甘油＞甲酰胺，這是由3種試液表面能大小差異所決定的。摻入Sasobit后瀝青與試液接觸角均發(fā)生較大變化，蒸餾水、甘油、甲酰胺與瀝青接觸角分別增加1.92°、2.23°及減小2.21°，表明Sasobit溫拌劑對(duì)瀝青接觸角有一定影響，不同試液與瀝青接觸角改變值可達(dá)到2°左右。隨著Sasobit摻量的增加，蒸餾水、甘油接觸角呈現(xiàn)減小趨勢，甲酰胺接觸角則呈現(xiàn)增大趨勢，且Sasobit對(duì)蒸餾水接觸角的影響較大。表面能理論認(rèn)為瀝青與水的接觸角可表示瀝青與水的粘附性能進(jìn)而反映瀝青的抗水損害性能，可認(rèn)為Sasobit溫拌劑對(duì)瀝青抗水損害性能具有一定影響。

2.2阻燃瀝青接觸角

為了研究DBDPE阻燃劑對(duì)瀝青性質(zhì)的影響，采用蒸餾水、甘油、甲酰胺3種試液對(duì)DBDPE阻燃瀝青進(jìn)行接觸角測量，結(jié)果如圖6所示。

圖6　DBDPE阻燃瀝青接觸角測量結(jié)果

由圖6可知：DBDPE摻量由零增加到4%，蒸餾水、甘油、甲酰胺與瀝青的接觸角分別減小0.4°、0.02°、0.18°，角度改變幅度很小，這是由于低摻量DBDPE阻燃劑并未從本質(zhì)上改變?yōu)r青性質(zhì)，只是簡單地均勻分布于瀝青內(nèi)部，構(gòu)成阻燃瀝青“膠漿”的一部分。8%摻量下，3種試液接觸角均發(fā)生突變，形成了拐點(diǎn)，較4%摻量下接觸角分別增大2.41°、0.59°及減小1.15°，較12%摻量下接觸角分別增大1.45°、1.24°及減小1.59°。

對(duì)比圖5、圖6，不同摻量下各試液與Sasobit溫拌瀝青接觸角極差分別為3.94°、2.21°、2.21°，而各試液與DBDPE阻燃瀝青接觸角極差分別為3.41°、1.34°、2.08°，Sasobit溫拌瀝青接觸角極差值均大于DBDPE阻燃瀝青接觸角。這是由于Sasobit作為蠟質(zhì)有機(jī)物與瀝青混融后改變了瀝青自身組成比例，對(duì)瀝青性質(zhì)產(chǎn)生了較大影響；而阻燃劑作為一種無機(jī)物粉末與瀝青只發(fā)生簡單的物理混合作用，對(duì)瀝青性質(zhì)并未產(chǎn)生較大影響。不論是溫拌瀝青還是阻燃瀝青，水與瀝青的接觸角明顯大于其他試液與瀝青的接觸角。

2.3溫拌阻燃瀝青接觸角

為了研究溫拌劑與阻燃劑交互作用對(duì)瀝青接觸角的影響，在8%DBDPE阻燃瀝青中加入不同摻量Sasobit溫拌劑、在4%Sasobit溫拌瀝青中加入不同摻量阻燃劑組成溫拌阻燃瀝青，采用蒸餾水、甘油、甲酰胺對(duì)其接觸角進(jìn)行測量，結(jié)果如圖7所示。

圖7　溫拌阻燃瀝青接觸角測量結(jié)果

對(duì)比圖7（a）與圖5可知：摻入阻燃劑后，瀝青接觸角普遍呈增大趨勢，這與試樣表面粗糙程度對(duì)測試接觸角有一定影響有關(guān)，粉狀物質(zhì)的阻燃劑摻入瀝青后會(huì)適當(dāng)增大瀝青表面的粗糙度，相比Sasobit瀝青，其能與瀝青完全混融形成整體阻燃瀝青，接觸角會(huì)適當(dāng)增大。且摻入阻燃劑后接觸角變化幅度隨Sasobit溫拌劑摻量變化而變大。

對(duì)比圖7（a）、（b）可知：圖7（a）中接觸角變化幅度更大，而圖7（b）中各試液與不同摻量瀝青接觸角差值較小，說明相比DBDPE阻燃劑，Sasobit對(duì)瀝青接觸角的影響較大，即Sasobit對(duì)瀝青水穩(wěn)定性的影響更大，與前述分析結(jié)論一致。

3　結(jié)論與展望

采用自制接觸角測量儀對(duì)溫拌阻燃瀝青接觸角進(jìn)行測量，研究溫拌劑、阻燃劑及溫拌劑與阻燃劑協(xié)同作用對(duì)瀝青接觸角的影響，主要結(jié)論如下：

（1）自制接觸角測量儀采用鏡像測樣方法能精確測量瀝青接觸角，對(duì)測試出接觸角進(jìn)行評(píng)定的相關(guān)系數(shù)均可達(dá)到0.99以上。

（2）由于試液自身表面能大小不同，3種試液與瀝青接觸角大小順序?yàn)檎麴s水＞甘油＞甲酰胺。

（3）整體而言，3種試液與阻燃瀝青的接觸角值比其與Sasobit溫拌瀝青的接觸角值大。

（4）Sasobit溫拌劑對(duì)瀝青接觸角的影響幅度比DBDPE阻燃劑大，Sasobit對(duì)瀝青水穩(wěn)定性具有一定影響。

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中圖分類號(hào)：U454.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0246-04

收稿日期：2015-12-18