基于自制接触角测量仪的温拌阻燃沥青接触角测量

赵溪，彭文举

（1.唐山市交通运输局，河北唐山 063000；2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004）



基于自制接触角测量仪的温拌阻燃沥青接触角测量

赵溪1，彭文举2

（1.唐山市交通运输局，河北唐山 063000；2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004）

摘要：基于自制接触角测量仪，制定适合沥青接触角测量的测样方法与测试数据评定方法，测定了不同掺量下Sasobit温拌沥青、阻燃沥青、温拌阻燃沥青与蒸馏水、甘油、甲酰胺3种试液的接触角。结果表明自制接触角测量仪使用镜像测量法可精确测量沥青的接触角，温拌剂对沥青接触角的影响大于阻燃剂，阻燃沥青接触角普遍大于温拌沥青。

关键词：隧道；接触角；温拌阻燃沥青；接触角测量仪；表面能理论

随着公路隧道的不断涌现和隧道交通量的增大，隧道火灾发生的频率逐渐增大。据国外统计，公路火灾发生频率约为0.711 07 veh/km，隧道内火灾发生频率约为0.331 107 veh/km，沥青路面隧道的火灾成为一个国际性难题。同时由于隧道环境的封闭性，沥青路面较高的摊铺、压实温度在增大能源消耗的同时将增大烟尘等有毒物质的排放量，这不仅会增加施工难度，还会对施工人员的身体健康造成不良影响。基于以上两个原因，温拌阻燃技术应运而生。

目前，国内外对温拌阻燃沥青进行了较多研究：吴喜荣等研究了温拌阻燃降噪型沥青混合料OGFC在隧道路面中的应用，并对降噪效果进行了评价；曹乐等对温拌阻燃沥青的阻燃性能进行研究并探讨了温拌剂与阻燃剂的相容性；王修山等研究了温拌阻燃沥青混合料的路用性能。总体而言，对于温拌阻燃沥青的研究偏向于材料的阻燃作用与施工降温效应，而对于抗水损害性能的理论研究较欠缺。作为评价沥青混合料抗水损害性能的新方法，表面能理论得到较为广泛的应用。根据Fowkes理论，沥青表面自由能可根据沥青接触角和相应已知液体的表面张力计算得出。由于已知液体的表面张力可通过化学手册查得，只需测试沥青接触角即可计算出沥青表面自由能。该文对温拌阻燃沥青的接触角进行测量分析，为温拌阻燃沥青的抗水损害性能研究提供理论参考。

1　自制接触角测量仪

针对目前接触角测量仪价格昂贵、仪器设备复杂不便于携带且用于沥青测试的测样方法存在精度差、数据变异性大等问题，参照成型的接触角测量仪自制简易接触角测量仪，并制定适合于沥青接触角测量的制样测试方法。

1.1设备构成

为了测量沥青表面自由能及表面自由能分量，参考文献［9～11］自制简易接触角测量仪。其基本组装设备包括待测样品、微量进样器、高清数码电子显微摄像头和PC机，工作原理如图1所示。

图1　自制接触角测量仪的工作原理示意图

1.2制样方法

（1）将标准载玻片洗干净并干燥，于100℃以下预热。

（2）加热烧杯内沥青至熔融状态，将载玻片垂直插入沥青中，浸渍完成后缓慢取出载玻片以免产生气泡。

（3）将载玻片于120～130℃下恒温垂直放置10 min以上，保证试样表面平整。

（4）取出载玻片冷却至室温，完成制样。

1.3测量步骤

由于沥青为温敏性材料，温度对沥青的各项参数具有较大影响，为保证测试数据的可比性，测试在恒温环境中进行，推荐试验温度为20～25℃。

目前接触角测量仪对液滴图形的获取主要有两种方式：第一种是通过调节使样品表面处于水平，进而使摄像头能清晰地捕捉试样上的液滴。该方式与正投影类似，称之为正投影测样。该方式只要待测样表面保持平整，处于同一平面即能进行准确测量。另一种是通过调节光线使摄像头能捕捉到液滴在试样表面的镜像，通过内嵌软件对镜像图像的分析确定接触界面进而进行角度测量。该方式只要求待测样所在区域部分处于同一平面即可，但要求待测样表面光滑，能形成镜像图像。

1.3.1正投影测样

由于沥青材料的特殊性，需借助其他板体材料进行制样（如载玻片）。同时由于沥青粘滞性较强，制样过程中很难保证试样边缘平整，如图2（a）所示，试样边缘沥青膜厚度往往较试样中间部分大，且不同宽度范围内各边缘位置沥青膜厚度不尽相同。

图2　沥青正投影试样测试误差分析

图2（a）中白色区域由于试样近端边缘与远端边缘均较中间区域高，实际获取图像如图2（b）所示。显然θ2＞θ1，即采用正投影方法使接触角数值减小。同时前一液滴测试完成进入下一液滴图像获取时，由于边缘沥青厚度的不均匀性，将使同一试液与沥青的接触角出现较大的变异性。这很好地解释了为什么在接触角测量仪研发初期采用专用接触角测量仪进行沥青接触角测量时存在部分测试结果偏小且变异系数较大的现象。

1.3.2镜像测样

针对表面较为光滑试样，还可使用镜像测样方式，即通过调节光线使液滴形成镜像，通过处理找出接触界面。理论上这种方式能较好地解决正投影测样所带来的误差。该文采用量高法进行测量，测样步骤（如图3所示）如下：1）对液滴图像进行拟合，作出液滴轮廓圆1；2）对液滴倒影进行拟合，作出液滴镜像轮廓圆2；3）连接两圆交点，交线即为液滴与沥青接触界面，并过圆1圆心作交线垂线；4）标注出矢高h、弦长D，接触角θ=2arctan（2h/D）。

图3　接触角测量步骤

1.4数据评定

为了保证测试数据准确可靠，以用于进一步计算分析，对测试数据作如下评定：

（1）物质表面能可分为色散分量γd、极性分量γp，二者之和为表面能总和γ。根据表面能理论，由液固界面表面自由能分析可得：

式中：θ为液固界面接触角，对于已知液体，可在化学手册中查得；下标s、l分别表示固体和液体。

（2）为了进一步保证数据的有效性，采用文献［16］中的方法进行判断。即对于给定的某一固体，不同液体的γlcosθ与γl存在线性关系，如果二者线性相关性较差，则说明试验数据存在错误或变异性较大，需重新进行试验。将该相关系数定义为

由表1和图4可知：各接触角变异系数均小于1%，且两相关系数均达到0.99，较部分文献均有较大提高，表明自制接触角测量仪测试数据具有高度的准确性，可用于后续测试分析。

表1　基质沥青的接触角

图4　基质沥青接触角评定

2　温拌阻燃沥青接触角

采用70#基质沥青、Sasobit温拌剂、卤系阻燃剂十溴二苯乙烷（DBDPE）及蒸馏水、甘油、甲酰胺3种试液，变换掺加物及掺加比例，对不同掺量温拌阻燃沥青进行接触角测量。

2.1Sasobit温拌沥青接触角

物质固-液两相界面的特性直接关系到物质的功能，其不仅与2个相互接触的物质固有特性有关，还受到两相物质界面层组成、结构、形态及界面上相互作用状态的影响。接触角作为固-液两相界面的重要表征，通过分析接触角的变化可反过来表征固、液性质的改变。

为了研究Sasobit温拌剂对沥青性质的影响，采用蒸馏水、甘油、甲酰胺3种试液对不同掺量Sasobit温拌沥青进行接触角测量，结果如图5所示。

图5　Sasobit温拌沥青接触角测量结果

由图5可知：3种试液与沥青接触角大小顺序分别为蒸馏水＞甘油＞甲酰胺，这是由3种试液表面能大小差异所决定的。掺入Sasobit后沥青与试液接触角均发生较大变化，蒸馏水、甘油、甲酰胺与沥青接触角分别增加1.92°、2.23°及减小2.21°，表明Sasobit温拌剂对沥青接触角有一定影响，不同试液与沥青接触角改变值可达到2°左右。随着Sasobit掺量的增加，蒸馏水、甘油接触角呈现减小趋势，甲酰胺接触角则呈现增大趋势，且Sasobit对蒸馏水接触角的影响较大。表面能理论认为沥青与水的接触角可表示沥青与水的粘附性能进而反映沥青的抗水损害性能，可认为Sasobit温拌剂对沥青抗水损害性能具有一定影响。

2.2阻燃沥青接触角

为了研究DBDPE阻燃剂对沥青性质的影响，采用蒸馏水、甘油、甲酰胺3种试液对DBDPE阻燃沥青进行接触角测量，结果如图6所示。

图6　DBDPE阻燃沥青接触角测量结果

由图6可知：DBDPE掺量由零增加到4%，蒸馏水、甘油、甲酰胺与沥青的接触角分别减小0.4°、0.02°、0.18°，角度改变幅度很小，这是由于低掺量DBDPE阻燃剂并未从本质上改变沥青性质，只是简单地均匀分布于沥青内部，构成阻燃沥青“胶浆”的一部分。8%掺量下，3种试液接触角均发生突变，形成了拐点，较4%掺量下接触角分别增大2.41°、0.59°及减小1.15°，较12%掺量下接触角分别增大1.45°、1.24°及减小1.59°。

对比图5、图6，不同掺量下各试液与Sasobit温拌沥青接触角极差分别为3.94°、2.21°、2.21°，而各试液与DBDPE阻燃沥青接触角极差分别为3.41°、1.34°、2.08°，Sasobit温拌沥青接触角极差值均大于DBDPE阻燃沥青接触角。这是由于Sasobit作为蜡质有机物与沥青混融后改变了沥青自身组成比例，对沥青性质产生了较大影响；而阻燃剂作为一种无机物粉末与沥青只发生简单的物理混合作用，对沥青性质并未产生较大影响。不论是温拌沥青还是阻燃沥青，水与沥青的接触角明显大于其他试液与沥青的接触角。

2.3温拌阻燃沥青接触角

为了研究温拌剂与阻燃剂交互作用对沥青接触角的影响，在8%DBDPE阻燃沥青中加入不同掺量Sasobit温拌剂、在4%Sasobit温拌沥青中加入不同掺量阻燃剂组成温拌阻燃沥青，采用蒸馏水、甘油、甲酰胺对其接触角进行测量，结果如图7所示。

图7　温拌阻燃沥青接触角测量结果

对比图7（a）与图5可知：掺入阻燃剂后，沥青接触角普遍呈增大趋势，这与试样表面粗糙程度对测试接触角有一定影响有关，粉状物质的阻燃剂掺入沥青后会适当增大沥青表面的粗糙度，相比Sasobit沥青，其能与沥青完全混融形成整体阻燃沥青，接触角会适当增大。且掺入阻燃剂后接触角变化幅度随Sasobit温拌剂掺量变化而变大。

对比图7（a）、（b）可知：图7（a）中接触角变化幅度更大，而图7（b）中各试液与不同掺量沥青接触角差值较小，说明相比DBDPE阻燃剂，Sasobit对沥青接触角的影响较大，即Sasobit对沥青水稳定性的影响更大，与前述分析结论一致。

3　结论与展望

采用自制接触角测量仪对温拌阻燃沥青接触角进行测量，研究温拌剂、阻燃剂及温拌剂与阻燃剂协同作用对沥青接触角的影响，主要结论如下：

（1）自制接触角测量仪采用镜像测样方法能精确测量沥青接触角，对测试出接触角进行评定的相关系数均可达到0.99以上。

（2）由于试液自身表面能大小不同，3种试液与沥青接触角大小顺序为蒸馏水＞甘油＞甲酰胺。

（3）整体而言，3种试液与阻燃沥青的接触角值比其与Sasobit温拌沥青的接触角值大。

（4）Sasobit温拌剂对沥青接触角的影响幅度比DBDPE阻燃剂大，Sasobit对沥青水稳定性具有一定影响。

参考文献：

［1］ 宿秀丽.隧道沥青混合料温拌阻燃技术研究［D］.西安：长安大学，2012.

［2］ 朱玉红，王强，马胜军.温拌阻燃沥青混合料路用性能研究［J］.中国建材科技，2013（5）.

［3］ 吴喜荣，李素贤.温拌阻燃降噪沥青混合料在隧道路面的应用技术［J］.水利与建筑工程学报，2014，12（6）.

［4］ 曹乐，王修山.新型温拌阻燃沥青混合料的阻燃性能分析［J］.交通标准化，2012（16）.

［5］ 王修山，袁玉卿，郭涛，等.温拌阻燃沥青混合料特性分析［J］.筑路机械与施工机械化，2012（12）.

［6］ Koc Murat，Bulut Rifat.Assessment of a sessile drop device and a new testing approach measuring contact angles on aggregates and asphalt binders［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2014，26（3）.

［7］ 陈燕娟，高建明，陈华鑫.基于表面能理论的沥青-集料体系的粘附特性研究［J］.东南大学学报：自然科学版，2014，44（1）.

［8］ 赵振国.胶体与界面化学［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［9］ 张佩.基于图像分析技术的接触角测量方法研究［D］.上海：华东理工大学，2014.

［10］ 陈武.基于图像处理的沥青表面自由能的测试分析［D］.长沙：长沙理工大学，2011.

［11］ 熊艳，贾志海，蔡小舒.图像分析法测量液滴接触角［J］.计测技术，2010（2）.

［12］ Al-Rawashdeh Abdalla S，Sargand Shad.Performance assessment of a warm asphalt binder in the presence of water by using surface free energy concepts and nanoscale techniques［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2014，26（5）.

［13］ 李健，黄飞飞，周益，等.接触角测试的量高法的适用范围［J］.科学技术与工程，2013，13（16）.

［14］ 杜文琴，巫莹柱.接触角测量的量高法和量角法的比较［J］.纺织学报，2007，28（7）.

［15］ 魏建明，张玉贞，Yout Cheff，等.躺滴法表征沥青的表面自由能［J］.石油学报：石油加工，2009，25（2）.

［16］ Kwok D Y，Neumann A W.Contact angle measurement and contact angle interpretation［J］.Advances in Colloid and Interface Science，1999，81（3）.

中图分类号：U454.7

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0246-04

收稿日期：2015-12-18