基于潤濕理論的瀝青混合料最佳拌和溫度確定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于潤濕理論的瀝青混合料最佳拌和溫度確定方法，屬于公路施工方法領(lǐng)域。本發(fā)明根據(jù)潤濕理論分別測得瀝青的表面張力、瀝青與礦料的接觸角，進(jìn)而得到的高溫下瀝青與礦料的粘附功隨溫度變化的曲線關(guān)系，擬合曲線方程求得最大粘附功，即在高溫下瀝青對礦料的最佳潤濕粘附狀態(tài)，以最大粘附功(最佳潤濕狀態(tài))所對應(yīng)的溫度可以用來確定瀝青混合料的最佳拌和溫度，適用于基質(zhì)瀝青和改性瀝青。這為確定瀝青混合料的最佳拌合溫度提供了新的方法，對于選擇合適的瀝青混合料施工溫度具有一定的指導(dǎo)意義。
【專利說明】
基于潤濕理論的瀝青混合料最佳拌和溫度確定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種在高溫條件下基于潤濕理論來確定瀝青混合料拌和溫度的方法， 即在高溫溫度范圍內(nèi)瀝青與礦料粘附功存在最大值，即最佳潤濕狀態(tài)，最佳潤濕狀態(tài)所對 應(yīng)的溫度作為瀝青混合料的拌合溫度，適用于基質(zhì)瀝青和改性瀝青。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來瀝青路面的水損害問題引起人們越來越多的關(guān)注，水損害大大降低了路面 的使用性能及使用壽命。而瀝青與礦料的粘附性是影響瀝青混合料水敏感性的直接因素， 瀝青與集料的粘附過程即是瀝青在礦料表面潤濕、鋪展的過程，受瀝青性質(zhì)、礦料性質(zhì)及溫 度的影響。合理的選擇瀝青路面施工溫度的目的就是能夠?qū)崿F(xiàn)瀝青充分的潤濕集料，使瀝 青均勾的裹覆在集料表面以提高瀝青與集料的膠結(jié)能力，增強(qiáng)瀝青混合料的穩(wěn)定度。為了 使瀝青充分的潤濕礦料，選擇合適的拌合溫度非常重要。目前，國內(nèi)外對于瀝青混合料施工 溫度的選擇是由瀝青粘溫曲線來去確定的，但這對于改性瀝青并不適用，若以國內(nèi)2000年 制定的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 052-2000)中規(guī)定0.17±0.02Pa · s時(shí) 對應(yīng)的溫度作為拌和溫度，那么由此得到的改性瀝青的拌和溫度將達(dá)到200°C，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超 過了規(guī)范中規(guī)定的改性瀝青施工溫，顯然是不合適的，過高的施工溫度將帶來瀝青老化、能 源浪費(fèi)等一系列問題。因此，選擇合適的方法來確定瀝青混合料拌和溫度是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明基于潤濕理論研究了高溫下瀝青與礦料的粘附功，擬合粘附功隨溫度的變 化曲線關(guān)系，得到瀝青與礦料的最大粘附功(最佳潤濕狀態(tài)），以最佳潤濕狀態(tài)對應(yīng)的溫度 作為瀝青混合料拌。
[0004] 基于潤濕理論的瀝青混合料最佳拌和溫度確定方法，包括如下步驟：
[0005] (1)選取瀝青、礦料；
[0006] (2)測定高溫溫度100-200度范圍內(nèi)每間隔10-20度下瀝青與礦料的粘附功并繪制 粘附功隨溫度變化曲線；
[0007] (3)由曲線方程求得在高溫溫度范圍內(nèi)瀝青與礦料最大粘附功，即瀝青對礦料的 最佳潤濕狀態(tài)及對應(yīng)溫度，此溫度即為瀝青混合料的最佳拌和溫度；
[0008] 所述步驟(2)的方法包括：
[0009] (A)瀝青表面張力測定:基于懸滴法理論，測定一定溫度下的瀝青表面張力；
[0010] (B)在同一溫度下，采用躺滴法測定瀝青與礦料接觸角；
[0011] (C)根據(jù)潤濕理論中粘附功計(jì)算公式1，結(jié)合瀝青表面張力和接觸角試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算 該溫度下瀝青與礦料粘附功；
[0012] Wsl=Y1(I^cosQ)(公式 1)
[0013] 式中：
[0014] γ 1-液體表面張力，mj/m2;
[0015] Wsi-液固粘附功，mj/m2;
[0016] Θ-瀝青與礦料接觸角。
[0017] 所述步驟(B)瀝青滴定控溫裝置及礦料恒溫室設(shè)定在同一溫度下進(jìn)行恒溫，將溫 瀝青于恒溫下滴于礦料表面，測定液滴穩(wěn)定Is時(shí)的接觸角數(shù)值。
[0018] 所述步驟(B)中的礦料為被切割成2-3mm厚的薄片。
[0019] 所述瀝青為基質(zhì)瀝青，測定溫度范圍為110 °C~190 °C，間隔20 °C測量一個(gè)粘附功 值;所述瀝青為改性瀝青，測定溫度范圍為140 °C~190°C，間隔10°C測定一個(gè)粘附功值。 [0020] 所述步驟(A)使用DSA4(Drop Shape Analyzer 4)接觸角測量儀通過計(jì)算機(jī)自動 圖像采集及處理可直接得出瀝青的表面張力。
[0021] 本發(fā)明測定了秦皇島30#、50#、70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青I-D、I-DS10與廣西輝 綠巖、云羅石灰?guī)r在高溫（110°c~190°C)狀態(tài)下的粘附功，以最大粘附功對應(yīng)的溫度為最 佳拌溫度。
[0022]本發(fā)明具體主要包括如下步驟：
[0023] 1、瀝青選用秦皇島30#基質(zhì)瀝青、50#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青、I-D改性瀝青、I- DSlO改性瀝青，礦料選取廣西輝綠巖、云羅石灰?guī)r，其性能指標(biāo)滿足所使用的實(shí)體工程的要 求或按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中的要求。
[0024] 2、按照步驟3測定高溫溫度范圍內(nèi)瀝青與礦料的粘附功并繪制粘附功隨溫度變化 曲線。
[0025] (1)瀝青表面張力測定，本試驗(yàn)使用DSA4接觸角測量儀基于懸滴法理論，通過計(jì)算 機(jī)自動圖像采集及處理可直接得出瀝青的表面張力。測量溫度范圍為110°c~190°C。繪制 瀝青表面張力隨溫度變化曲線。
[0026] (2)在高溫下瀝青與礦料接觸角測定，本試驗(yàn)利用DSA4接觸角測量儀采用躺滴法 測試瀝青與礦料的接觸角，對于基質(zhì)瀝青，測試了 I l〇°C~190 °C范圍內(nèi)間隔20 °C下與輝綠 巖和石灰?guī)r礦料的接觸角；SBS改性瀝青測試了 140°C~190°C范圍內(nèi)間隔10°C與輝綠巖和 石灰?guī)r兩種礦料的接觸角。
[0027] (3)根據(jù)表面自由能理論中粘附功計(jì)算公式1，結(jié)合瀝青表面張力和接觸角試驗(yàn)數(shù) 據(jù)計(jì)算瀝青與礦料粘附功，繪制粘附功隨溫度變化曲線。
[0028] Wsi= y i(l+cos9) (公式 1)
[0029] 式中：
[0030] γ 1-液體表面張力，mj/m2;
[0031] Wsi-液固粘附功，mj/m2;
[0032] Θ-瀝青與礦料接觸角；
[0033] 根據(jù)粘附功隨溫度變化曲線擬合曲線方程，由曲線方程求得在高溫溫度范圍內(nèi)瀝 青與礦料最大粘附功，即瀝青對礦料的最佳潤濕狀態(tài)及對應(yīng)溫度，此溫度即為瀝青混合料 的最佳拌和溫度。
[0034] 3、繪制瀝青粘溫曲線，驗(yàn)證由潤濕理論得到的瀝青混合料拌和溫度的有效性。
[0035]本試驗(yàn)利用布洛克菲爾德粘度計(jì)測定了這5種瀝青五個(gè)溫度點(diǎn)的粘度，并繪制粘 溫曲線。根據(jù)粘溫曲線方程分別求得5種瀝青拌和溫度(瀝青粘度為0.17±0.02Pa · s時(shí)所 對應(yīng)的溫度），與由步驟3得到的瀝青混合料拌和溫度進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證由潤濕理論得到 的瀝青混合料拌和溫度的可行性、有效性。
[0036]本發(fā)明根據(jù)潤濕理論分別測得瀝青的表面張力、瀝青與礦料的接觸角，進(jìn)而得到 的高溫下瀝青與礦料的粘附功隨溫度變化的曲線關(guān)系，擬合曲線方程求得最大粘附功，即 在高溫下瀝青對礦料的最佳潤濕粘附狀態(tài)，最大粘附功(最佳潤濕狀態(tài))所對應(yīng)的溫度可以 用來確定瀝青混合料的最佳拌和溫度，適用于基質(zhì)瀝青和改性瀝青。
【附圖說明】
[0037]圖1:表面張力測量示意圖
[0038]圖2:瀝青表面張力隨溫度變化關(guān)系圖
[0039] 圖3:瀝青與礦料接觸角測量示意圖
[0040] 圖4:30財(cái)歷青與廣西輝綠巖粘附功曲線 [00411圖5:30財(cái)歷青粘溫曲線
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0043]實(shí)施例:根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容，具體的試驗(yàn)方法如下：
[0044] 步驟1:確定原材料
[0045] 瀝青選用秦皇島30#、50#、70#基質(zhì)瀝青、I-D改性瀝青、I-DSlO改性瀝青、I-DHV4改 性瀝青，瀝青的性能指標(biāo)如下表1;礦料選取廣西輝綠巖、云羅石灰?guī)r，其性能指標(biāo)滿足所使 用的實(shí)體工程的要求或按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中的要求。 [0046]表1:瀝青性能指標(biāo)
[0048] 步驟2:試樣準(zhǔn)備
[0049]躺滴法要求試樣表面光滑、潔凈，對于礦料，本試驗(yàn)是將粒徑大于36mm的礦料用精 密切割儀切成3mm左右厚的薄片，然后先后用400#、600#、1000#砂紙依次進(jìn)行拋光處理，拋 光后礦料表面粗糙度值Ra小于Ο.?μπι，便于瀝青在礦料表面的鋪展及后期接觸角的測量;再 分別用蒸餾水和酒精清洗表面，然后放入l〇〇±5°C真空干燥箱中烘干2h，取出后放置于干 燥器中24h備用。
[0050]步驟3:高溫條件下瀝青與礦料粘附功試驗(yàn)
[0051]高溫條件下瀝青與礦料的粘附功是根據(jù)表面自由能理論中粘附功公式1計(jì)算得 到，需要測定在高溫下瀝青的表面張力及同一溫度下瀝青與礦料的接觸角數(shù)據(jù)。
[0052] (1)高溫下瀝青表面張力測定。本試驗(yàn)使用DSAlOO接觸角測量儀(如圖1)基于懸滴 法理論，通過計(jì)算機(jī)自動圖像采集及處理可直接得出瀝青的表面張力。懸滴法測量表面張 力的基本思想是：當(dāng)液滴被靜止懸掛在毛細(xì)管的管口處時(shí)，液滴的外形主要取決于重力和 表面張力的平衡。因此，通過對液滴外形的測定，即可推算出液體的表面張力。以下即通過 懸滴法測試了兩種瀝青在不同溫度（110°c~190°C)下的表面張力。試驗(yàn)結(jié)果如下：
[0053]表2:瀝青表面張力數(shù)據(jù)
L 0056] 瀝青表_張力隨溫度變化夫糸如圖2(30#瀝青為例）。5柙瀝青表?張力隨溫度呈 線性減小，擬合直線方程斜率K及線性相關(guān)系數(shù)R2如表4，5種瀝青表面張力隨溫度變化擬合 方程線性相關(guān)系數(shù)均大于0.99。
[0057]表3:瀝青表面張力隨溫度變化直線方程斜率K及線性相關(guān)系數(shù)R2
[0059] (2)瀝青與礦料接觸角測定
[0060]本試驗(yàn)采用躺滴法測試瀝青與礦料(礦料試件處理如步驟2，）的接觸角如圖3,對 于基質(zhì)瀝青，測試了 110°C~190°C范圍內(nèi)間隔20°C下與廣西和云羅礦料的接觸角；而由于 SBS改性瀝青粘度較大，溫度低時(shí)不利于滴下液滴，故測試了 140°C~190°C范圍內(nèi)間隔10°C 與廣西輝綠巖和云羅石灰?guī)r兩種礦料的接觸角。接觸角的測量受溫度影響較大，在一定粗 糙度水平上與礦料表面的粗糙度沒有太多的關(guān)系。本試驗(yàn)將瀝青與礦料設(shè)定在同一測試溫 度下恒溫30min后再進(jìn)行測試，由DSA4接觸角測量儀自動錄像，計(jì)算機(jī)處理得到瀝青滴下后 穩(wěn)定Is的接觸角。瀝青與廣西輝綠巖和云羅石灰?guī)r接觸角數(shù)據(jù)如表4。
[0061 ]表4:基質(zhì)瀝青與礦料接觸角數(shù)據(jù) LUUOb」（3)肋肯與r科粘附功計(jì)算
[0066]根據(jù)粘附功計(jì)算公式1，結(jié)合瀝青表面張力和接觸角試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算瀝青與礦料粘 附功結(jié)果如表5:
[0067]表5:基質(zhì)瀝青與礦料粘附功數(shù)據(jù)
[0069]表5:改性瀝青與廣西輝綠巖粘附功數(shù)據(jù)
[0071] 根據(jù)表5數(shù)據(jù)，繪制瀝青與廣西輝綠巖粘附功隨溫度變化曲線如圖4(以30財(cái)歷青與 輝綠巖的粘附功為例），同樣作其他瀝青和礦料粘附功隨時(shí)間變化曲線，擬合得到曲線方程 及相關(guān)性系數(shù)R 2如下表6:
[0072] 表6:粘附功隨溫度變化曲線方程和相關(guān)性系數(shù)R2
[0074] 根據(jù)瀝青與礦料粘附功曲線進(jìn)行二次曲線擬合，求出瀝青與礦料粘附功最大值及 對應(yīng)的溫度，數(shù)據(jù)如下表7:
[0075] 表7 :瀝青與礦料最大粘附功及對應(yīng)溫度數(shù)據(jù)
[0077]高溫狀態(tài)下粘附功可以反映出液態(tài)瀝青對礦料潤濕狀態(tài)，在最大粘附功對應(yīng)的溫 度下瀝青與礦料處于最佳潤濕狀態(tài)，因此本發(fā)明即是用最佳潤濕狀態(tài)對應(yīng)的溫度來作為瀝 青混合料的拌和溫度。
[0078] 步驟4 :繪制瀝青粘溫曲線，驗(yàn)證由潤濕理論得到的瀝青混合料拌和溫度的有效 性。
[0079] 利用布洛克菲爾德粘度計(jì)測定了這5種瀝青五個(gè)溫度點(diǎn)的粘度，數(shù)據(jù)如表8。以30# 瀝青為例繪制瀝青粘溫曲線如圖5。根據(jù)粘溫曲線方程分別求得5種瀝青拌和溫度(瀝青粘 度為0.17±0.02Pa · s時(shí)所對應(yīng)的溫度)列于表9。
[0080] 衷8:不同淵度下瀝青粘度數(shù)據(jù)
[0084] 由粘溫曲線來確定瀝青混合料的拌和溫度適用于基質(zhì)瀝青，而不適用于改性瀝 青，而對于基質(zhì)瀝青由本發(fā)明提出的確定瀝青混合料拌和溫度的方法得到的瀝青混合料拌 和溫度與由粘溫曲線得到的結(jié)果接近;對于改性瀝青由本發(fā)明提出的確定瀝青混合料拌和 溫度的方法得到的瀝青混合料拌和溫度與改性瀝青的實(shí)際施工溫度更為接近，說明本發(fā)明 提出的基于潤濕理論的瀝青混合料拌和溫度確定方法是合理的、可行的。
[0085] (5)小結(jié)
[0086] 本發(fā)明根據(jù)潤濕理論分別測得瀝青的表面張力、瀝青與礦料的接觸角，進(jìn)而得到 的高溫下瀝青與礦料的粘附功隨溫度變化的曲線關(guān)系，擬合曲線方程求得最大粘附功，即 在高溫下瀝青對礦料的最佳潤濕粘附狀態(tài)，以最大粘附功(最佳潤濕狀態(tài))所對應(yīng)的溫度可 以用來確定瀝青混合料的最佳拌和溫度，適用于基質(zhì)瀝青和改性瀝青。這為確定瀝青混合 料的最佳拌合溫度提供了新的方法，對于選擇合適的瀝青混合料施工溫度具有一定的指導(dǎo) 意義。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于潤濕理論的瀝青混合料最佳拌和溫度確定方法，包括如下步驟： (1) 選取瀝青、礦料； (2) 測定高溫溫度100-200度范圍內(nèi)每間隔10-20度下瀝青與礦料的粘附功并繪制粘附 功隨溫度變化曲線； (3) 由曲線方程求得在高溫溫度范圍內(nèi)瀝青與礦料最大粘附功，即瀝青對礦料的最佳 潤濕狀態(tài)及對應(yīng)溫度，此溫度即為瀝青混合料的最佳拌和溫度； 所述步驟(2)的方法包括： (A) 瀝青表面張力測定:基于懸滴法理論，測定一定溫度下的瀝青表面張力； (B) 在同一溫度下，采用躺滴法測定瀝青與礦料接觸角； (C) 根據(jù)潤濕理論中粘附功計(jì)算公式1，結(jié)合瀝青表面張力和接觸角試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算該溫 度下瀝青與礦料粘附功； ffsi= γ i(l+c〇s0)(公式 1) 式中： γ 1-液體表面張力，mj/m2; Wsi-液固粘附功，mj/m2; Θ-瀝青與礦料接觸角。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定方法，所述步驟(B)瀝青滴定控溫裝置及礦料恒溫室設(shè)定 在溫度下進(jìn)行恒溫，將溫瀝青于恒溫下滴于礦料表面，測定液滴穩(wěn)定Is時(shí)的接觸角數(shù)值。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的確定方法，所述步驟(B)中的礦料為被切割成2-3mm厚的薄片。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定方法，所述瀝青為基質(zhì)瀝青，測定溫度范圍為110 °C~190 °C，間隔20°C測量一個(gè)粘附功值;所述瀝青為改性瀝青，測定溫度范圍為140°C~190°C，間 隔10 °C測定一個(gè)粘附功值。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定方法，所述步驟(A)使用DSA4接觸角測量儀通過計(jì)算機(jī)自 動圖像采集及處理可直接得出瀝青的表面張力。
【文檔編號】G01N13/02GK105842121SQ201610157940
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】王筵鑄, 王旭東, 張玉貞, 張蕾, 周興業(yè), 楊光, 張巖
【申請人】交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所, 中國石油大學(xué)(華東)