1、 总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 2 0收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 8第一作者:武文杰(1 9 9 8-),男,硕士。基于表面能理论的钢渣与沥青黏附性能研究武文杰 陈 长(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 2 0 1 8 0 4)摘 要 为评价钢
2、渣与沥青的黏附性能,文中采用表面能理论进行分析,采用躺滴法测试集料和沥青的表面能参数,计算出黏附功和剥落功。基于体视学原理,运用机器视觉技术提取集料的表观形态特征,计算出不同粒径下的不同集料的比表面积。在此基础上,计算集料-沥青黏附性能评价指标E2。结果表明,相同粒径、不同种类集料与沥青的黏附性由好到坏依次为钢渣、石灰岩、玄武岩,同类型沥青与同种类集料的黏附性随着粒径的增大而减小。运用改进的水煮法对结果进行验证,集料表面的沥青残留率T与E2呈正相关关系,R2达到0.8 6,评价结果相同。关键词 道路工程 钢渣 黏附性 表面能 比表面积中图分类号 U 4 1 4 随着新建道路的不断增加,对天然石
3、料的消耗也越发严重,大规模的岩石开挖对自然环境造成了不可估量的伤害。所以,寻找一种能部分或完全替代天然石料的优质筑路材料迫在眉睫。钢渣是钢铁在冶炼过程中产生的废渣,由于钢渣的力学性能与碎石相似,强度高,表面粗糙,有代替天然石料作为面层材料的潜能。因此钢渣在沥青面层中的应用在经济效益、环境效益等方面都具有重要意义1。集料与沥青黏附性能直接影响沥青路面的服役性能和使用耐久性,当黏附性较差时,沥青易产生剥落、松散、坑槽等路面病害。当前评价沥青与集料黏附性的方法主要为水煮法和水浸法,但不可避免地受主观因素的影响,试验结果偏向于定性结论。在此基础上,许多学者基于表面能理论建立了黏附模型和剥落模型,量化了
4、沥青与集料的黏附性能,获得了较好的效果。C h e n g2运用蒸汽吸附法和W i l h e l m y吊板法测定了沥青和集料的表面自由能,并通过水损害试验证明了其正确性。王倩等3运用W i l h e l m y吊板法测定了7 0号沥青、S B S改性沥青、石灰岩、辉绿岩等的表面能参数,建立黏附模型和水损害模型。邓冲等4运用蒸汽吸附法和插板法测量了不同掺量抗剥落剂沥青、集料的表面能参数,计算了黏附功和剥落功,并且进行了试验验证,具有良好的相关性。在上述基础上,本文在钢渣与沥青的黏附性能方面展开以下研究。1)运用表面能理论分析钢渣材料与沥青的黏附性能。2)基于体视学原理,运用机器视觉技术,计
5、算不同种类、不同粒径的钢渣颗粒比表面积。3)综合考虑黏附功、剥落功代表的材料特性与比表面积代表的表观形态特征,评价单位体积钢渣颗粒与沥青的黏附效果。以上研究内容均以玄武岩、石灰岩2种类型集料为对照组。1 基本理论1.1 表面能基本理论表面能是所有固体与液体的固有属性,是指在恒温、恒压情况下,产生单位新表面所需要的能量。表面能理论作为评价集料-沥青黏附性的一种方法,从能量的角度出发对集料沥青之间的黏附作用进行了定量的评价,相比其他方法更为准确5。固体或液体的表面能与固液界面能公式分别如式(1)、式(2)所示6。=LW+P=LW+2+-(1)s l=s+l-2sLWlLW-2sPlP(2)式中:为
6、表面能,m J/m2;s l为固液界面能,m J/m2;上标LW、P、+、-分别为表面能非极性色散分量、表面能极性分量、表面能酸性分量、表面能碱性分量;下标s、l分别为固体和液体。黏附功是在集料与沥青两相作用时,沥青在集料表面黏附效果的评价指标,黏附功数值越大,则沥青与单位面积集料在无水条件下的黏附效果越好,其表达式如式(3)所示。在有水条件下,沥青与集料之间的相互作用变得复杂,产生了沥青与水的两相作用,以及水与集料的两相作用7。剥落功是在有水作用下,集料与沥青黏附效果的评价指标,剥落功数值越小,则沥青与单位面积集料在有水条件下的黏附效果越好,其表达式如式(4)所示8。Wa s=a+s-a s
7、=2sLWaLW+2s+a-+2a-s+(3)Wa s w=a w+s w-a s=2sLWaLW+2s+a-+2a-s+(4)式中:Wa s为沥青与集料黏附功,m J/m2;Wa s w为剥落功,m J/m2;下标a、s、w分别为沥青、集料、水。如上所述,黏附功和剥落功的单位均为m J/m2,是指单位面积集料与沥青接触所造成的吉布斯自由能的变化,表征的是集料与沥青的材料特性,并没有考虑集料的形态学特征。因此,国内外学者在能量比E R(黏附功/剥落功)的基础上,提出了综合考虑材料特性和形态特性的集料-沥青黏附性能评价指标E29,计算方法如式(5)所示。E2=Wa sWa s wS S A(5)
8、式中:S S A为集料比表面积。1.2 体视学测量比表面积原理现行规范J T GF 4 0-2 0 0 4 公路沥青路面施工技术规范 中提出了采用表面积系数和通过率结合的混合料集料比表面积粗略计算方法,如式(6)所示。但该方法并未考虑集料种类带来的差别,实际上,在不考虑个体差异的情况下,同一粒径下不同种类的集料比表面积也不同。因此,本文实际测量了不同种类、不同粒径集料的比表面积。S A=(PiF At)(6)式中:S A为集料总比表面积;Pi为各种粒径的通过百分率;F Ai为相应于各种粒径集料的表面积系数。测量集料比表面积的方法有B E T、直接对比法等,这些测定方法操作复杂,不适用于大样本测
9、量。所以本文采用了基于定量体视学原理及等效椭圆法计算集料的比表面积,相关计算公式如式(7)(1 4)所示1 0。c o=(ux x-uy y)2+4ux y2(7)a=2ux x+uy y+c o(8)b=2ux x+uy y-c o(9)c=2a2-b2(1 0)Pe=4 b+8(a-b)(1 1)=a2+a b2a2-b2l na+a2-b2b2 a2c(1 2)r=3a2b(1 3)Sv=3r(1 4)式中:ux x、uy y分别为X、Y坐标方向二阶中心矩;ux x为X、Y坐标方向二阶混合矩;a、b、c分别为等效椭圆长半轴长、短半轴长、焦距长;Pe为等效椭圆周长;为等效椭圆修正系数;r为
10、椭球体积等效半径;Sv为比表面积。2 试验与测试2.1 试验材料试验原材料包括:7 0号基质沥青、钢渣、玄武岩、石灰岩。沥青与集料的相关技术指标均满足规范J T GF 4 0-2 0 0 4 公路沥青路面施工技术规范 相关要求,具体技术指标见表1、表2。表1 7 0号基质沥青技术参数试验项目试验结果技术要求试验方法 针入度(2 5,1 0 0g,5s)/0.1mm6 86 08 0T 0 6 0 4软化点/4 8.04 6T 0 6 0 61 5延度(5c m/m i n)/c m1 5 01 0 0T 0 6 0 5表2 粗集料技术参数试验项目试验结果钢渣石灰岩 玄武岩技术要求试验方法压碎值
11、/%1 3.81 6.71 4.22 6 T 0 3 1 6洛杉矶磨耗损失/%1 4.62 2.81 5.32 8 T 0 3 1 7吸水率/%1.6 40.7 30.4 12.0T 0 3 0 4表观相对密度3.4 3 2 2.7 3 4 2.6 8 8 2.6T 0 3 0 4针片状颗粒含量/%9.61 0.39.81 8 T 0 3 1 22.2 集料与沥青表面能参数测试如图1所示,当液体浸润固体表面时,在固液气三相交界处会形成夹角,当润湿过程达到平衡状态时,液体与固体的表面能以及固液界面能满足式(1 5)1 1。进一步可通过已知表面能参数的3种测试溶剂润湿平整的固体材料,测定接触角,代
12、入式(1 6)中,联立求解出固体材料的表面能参数。392 0 2 3年第1期武文杰 陈 长:基于表面能理论的钢渣与沥青黏附性能研究图1 表面能示意图s-a s=lc o s(1 5)l(1+c o s)=2sLWlL W+(s+l-+s-l+)(1 6)图2 J Y-P H a接触角测量仪本文采用J Y-P H a接触角测量仪测定7 0号沥青、玄武岩、石灰岩、钢渣与水、乙二醇、丙三醇3种测试溶剂的接触角,测试溶剂表面能参数。每组试验平行测试5次,取算数平均值作为测定的接触角值,具体测量结果见表3。表3 水、乙二醇表面能参数m J/m2测试试剂LWP+-水 7 2.82 1.85 1.02 5.
13、52 5.5乙二醇4 8.02 9.01 9.03.03 0.1丙三醇6 4.03 4.03 0.03.95 7.4 测量步骤如下。1)将沥青加热成液态,将载玻片浸入待测沥青中,之后悬挂在烘箱中,等待玻璃板上只覆盖一层均匀的沥青膜,多余沥青沿玻璃板滴下,并在干燥器中干燥1 2h后可用于测量。2)选用大粒径集料颗粒,切割为薄片,并用砂纸打磨表面,清洗烘干后使用。2.3 集料比表面积测试本文选取了钢渣、玄武岩、石灰岩3种集料进行比表面积测试,每种集料均选取4.7 59.5,9.51 3.2,1 3.21 6mm3组粒径组。为了避免集料个体差异对试验结果的影响,每种集料的每一粒径组随机选取5 0 0
14、粒,共计45 0 0粒集料颗粒。各组的比表面积计算结果取均值,单位为mm-1。本文从垂直方向拍摄集料图片,并采用平行光照射,避免产生阴影。在右下角放置标准尺寸硬币,作为像素尺寸与实际尺寸换算的依据,见图3。图3 集料原始采集图像为保证集料识别的准确性,本文对图像采取以下预处理措施1 2-1 5。1)二值化处理。将相机拍摄的R G B图像转化为灰度图像,进而通过自适应阈值法将图形转化为二值图像。2)中值滤波处理。采用对边缘影响较小的中值滤波对图像进行3 0次降噪处理。3)内部填充处理。针对中值滤波无法处理的内部噪声,本文采用填充操作进行处理,将边界内的部分用白色填充。4)膨胀腐蚀处理。针对二值图
15、像中集料边缘存在毛刺现象,本文采用膨胀腐蚀操作对图像边缘进行处理。图4 集料预处理步骤图在上述基础上,对集料颗粒区域采用八联通识别和标记,结果见图5。图5 集料颗粒识别图为计算集料比表面积数据,本文提取集料颗粒的中心二阶矩,计算结果见式(1 7)(1 9)。ux x=1nni=1(xi-x2)+11 2(1 7)49武文杰 陈 长:基于表面能理论的钢渣与沥青黏附性能研究2 0 2 3年第1期uy y=1nni=1(yi-y2)+11 2(1 8)ux y=1nni=1(xi-x2)(yi-y2)+11 2(1 9)式中:ux x为X坐标方向二阶中心矩;uy y为Y坐标方向二阶中心矩;ux y为
16、X、Y坐标方向二阶混合矩;xi、yi为集料图像的第i个像素点X、Y坐标;x、y为集料图形的几何中心点X、Y坐标值;n为集料图形的像素点总和。3 计算结果与分析根据上述理论与测试结果,7 0号沥青、玄武岩、石灰石、钢渣表面能参数计算结果见表4。表4 沥青与集料表面能参数m J/m2集料LW+-7 0号沥青1 8.6 11 4.2 61.6 52.3 6 0玄武岩5 5.3 05 4.7 15.3 70.0 1 6石灰岩5 8.8 95 5.8 36.8 60.3 4 1钢渣 7 0.0 35 1.9 41 3.7 95.9 3 0 各种类、各粒径集料剥落功、黏附功、比表面积、单位体积黏附功、单位体积剥落功计算结果见表5、图6。表5 集料与沥青黏附性计算结果表计算结果/集料种类粒径/mm黏附功/m J剥落功/m J比表面积/mm-1E2玄武岩4.7 59.59.51 3.21 3.21 66 3.3 15 1.4 05 1 9.5 03 8 1.6 03 0 3.3 16 3 9.8 74 7 0.0 23 7 3.5 9石灰岩4.7 59.59.51 3.21 3.21 66 5.9 8
