高溫液態(tài)瀝青的表面張力是指高溫液體狀態(tài)下的瀝青與空氣接觸的表面層分子在內(nèi)部分子的分子間作用力下，產(chǎn)生的一種指向液體內(nèi)部的吸引力；在表面張力的作用下，高溫液態(tài)瀝青表面產(chǎn)生了向內(nèi)部收縮的勢(shì)能，即表面能，其表面張力與表面能在數(shù)值與量綱上相同。瀝青與集料在拌和壓實(shí)過程中，界面接觸并黏附形成瀝青膜，在表面張力的作用下，瀝青膜有不易擴(kuò)散的趨勢(shì)，進(jìn)而影響瀝青與集料的黏結(jié)性能。近年來，瀝青表面張力與表面能理論已廣泛應(yīng)用于瀝青混合料黏附性研究，且可以作為瀝青混合料界面黏結(jié)性能的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)行的高溫液態(tài)瀝青表面張力的測(cè)試方法有毛細(xì)管法、差分毛細(xì)管法和懸滴法等。毛細(xì)管法在測(cè)量瀝青上升高度時(shí)，由于液體對(duì)毛細(xì)管外壁的浸潤作用而產(chǎn)生測(cè)量誤差，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大。有研究機(jī)構(gòu)曾使用差分毛細(xì)管法測(cè)試高溫液態(tài)瀝青的表面張力，但忽略了接觸角、修正高度、毛細(xì)管內(nèi)半徑優(yōu)選及標(biāo)定對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，試驗(yàn)結(jié)果具有一定的偏差。根據(jù)筆者前期的研究，對(duì)于瀝青類高黏度液體而言，懸滴法達(dá)到平衡狀態(tài)需要較長時(shí)間，加之缺乏平衡狀態(tài)的判定準(zhǔn)則，難以得到準(zhǔn)確的懸滴圖像輪廓；且瀝青懸滴與針頭相接觸部分的黏附力較難確定，針頭的大小和類型對(duì)于瀝青表面張力測(cè)試的適用性較難確定。

基于上述分析，本文基于差分毛細(xì)管法，推導(dǎo)出瀝青表面張力計(jì)算公式，設(shè)計(jì)了差分毛細(xì)管法測(cè)試瀝青表面張力的裝置，標(biāo)定了毛細(xì)管的內(nèi)半徑，分析了毛細(xì)管內(nèi)半徑、接觸角、修正高度等因素對(duì)高溫液態(tài)瀝青表面張力測(cè)試結(jié)果的影響，改進(jìn)了差分毛細(xì)管法并對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，以期推動(dòng)高溫液態(tài)瀝青表面張力的測(cè)試技術(shù)的進(jìn)展。

1試驗(yàn)原理與方法

1.1試驗(yàn)原理

差分毛細(xì)管法測(cè)試瀝青表面張力的原理見圖1.將2根同質(zhì)異徑的毛細(xì)管插入高溫液態(tài)瀝青中，表面張力產(chǎn)生的附加壓力使毛細(xì)管內(nèi)瀝青液面高于管外瀝青液面，直至向上的壓力與管內(nèi)液體的重力達(dá)到平衡。由圖1可見：在某一初始水平面上，較細(xì)毛細(xì)管內(nèi)液體上升高度更高；由于液體對(duì)管壁有浸潤性，管內(nèi)液面呈現(xiàn)凹形半月面形態(tài)，在計(jì)算管內(nèi)液體的重力時(shí)需考慮管內(nèi)液面的高度修正。

式中：V為球冠體的體積；S為毛細(xì)管橫截面面積；r為毛細(xì)管內(nèi)半徑大??；θ為毛細(xì)管內(nèi)凹液面擬合為球冠狀之后的接觸角；γ為試驗(yàn)溫度下液體的表面張力計(jì)算值。

將Δh代入表面張力計(jì)算公式，得到式（2）：

式中：ρ為試驗(yàn)溫度下液體的密度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；h1、h2為自同一水平面起，差分組合的毛細(xì)管內(nèi)凹液面上緣的最大上升高度，因表面張力計(jì)算僅需同質(zhì)異徑毛細(xì)管內(nèi)液面的高度差，圖1中的起始平面可在管外瀝青液面與毛細(xì)管上升高度間指定；θ1、θ2為毛細(xì)管內(nèi)凹液面擬合為球冠狀之后的接觸角；r1、r2為差分組合的毛細(xì)管內(nèi)半徑大小。

圖1差分毛細(xì)管法試驗(yàn)原理

圖2毛細(xì)管內(nèi)液面的修正高度

隨著內(nèi)半徑減小，凹液面趨于半球形狀，液面與管壁的接觸角趨于零（見圖2（b）），可得式（3）：

在式（3）的基礎(chǔ)上，忽略接觸角和修正高度，得到差分毛細(xì)管法測(cè)試瀝青表面張力的現(xiàn)行公式：

（4）

值得注意的是，瀝青不透明，無法觀測(cè)凹液面底部位置，在式（2）——（4）中，液面高度統(tǒng)一取為凹液面上緣的最大上升高度；瀝青色黑不透光，無法測(cè)量接觸角，因此使用式（3）計(jì)算瀝青的表面張力。綜上，高溫液態(tài)瀝青的表面張力計(jì)算需3個(gè)參數(shù)：（1）同質(zhì)異徑毛細(xì)管內(nèi)瀝青液面的最大上升高度；（2）同質(zhì)異徑毛細(xì)管的內(nèi)半徑；（3）高溫液態(tài)瀝青的密度。上述3個(gè)參數(shù)中，瀝青密度根據(jù)GB/T 1884—2000《原油和液體石油產(chǎn)品密度實(shí)驗(yàn)室測(cè)定法（密度計(jì)法）》，采用自制密度計(jì)測(cè)試。下文將重點(diǎn)闡述毛細(xì)管內(nèi)液面上升高度和毛細(xì)管內(nèi)半徑的測(cè)定方法。

1.2液面上升高度的測(cè)量

為準(zhǔn)確測(cè)量液面上升高度，需采取以下措施：（1）保證毛細(xì)管豎直。為此，設(shè)計(jì)了差分毛細(xì)管法的試驗(yàn)裝置，該裝置可調(diào)平，將毛細(xì)管豎直粘貼在刻有參考線的金屬塊上，見圖3.（2）利用超聲波，將無水乙醇作為清洗液，清洗毛細(xì)管，防止毛細(xì)管內(nèi)部油污、灰塵等影響液面的上升高度。（3）為避免液體浸潤流動(dòng)消耗能量，導(dǎo)致上升高度受限，使用“補(bǔ)償法”確定液面上升高度：當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)液面停止上升之后，緩慢降低管外毛細(xì)管內(nèi)半徑標(biāo)定液的液面高度，直至毛細(xì)管內(nèi)液面均呈現(xiàn)下降狀態(tài)后停止，等待毛細(xì)管內(nèi)液面穩(wěn)定。

圖3差分毛細(xì)管法試驗(yàn)裝置立面圖

1）文中涉及的純度、摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3毛細(xì)管內(nèi)半徑的標(biāo)定

毛細(xì)管的實(shí)際內(nèi)半徑r與生產(chǎn)標(biāo)號(hào)NRI有一定差異，需進(jìn)行標(biāo)定。文中毛細(xì)管內(nèi)半徑在0.08——0.50mm范圍內(nèi)，難以直接測(cè)定。利用式（2），選擇無水乙醇作為標(biāo)定液，內(nèi)半徑較粗、可測(cè)的毛細(xì)管作為基準(zhǔn)管，反向標(biāo)定較細(xì)毛細(xì)管的內(nèi)半徑。標(biāo)定過程為：（1）通過電荷耦合器件（CCD）相機(jī)拍攝，并獲取基準(zhǔn)管的內(nèi)半徑。（2）使用相機(jī)拍攝毛細(xì)管內(nèi)液面上升高度，以及無水乙醇與管內(nèi)壁的接觸角；（3）記錄試驗(yàn)溫度t.根據(jù)無水乙醇的表面張力計(jì)算公式和溫度~密度特性表獲得其表面張力γe與密度ρ，見式（5）和表1.（4）將上述參數(shù)代入式（2），得到毛細(xì)管的內(nèi)半徑值。

表1無水乙醇密度與溫度關(guān)系表

1.4差分毛細(xì)管法方法改進(jìn)

選擇內(nèi)半徑r≤0.50mm和r=1.00mm的毛細(xì)管差分組合，使用測(cè)微顯微鏡標(biāo)定毛細(xì)管內(nèi)半徑，式（4）計(jì)算表面張力。改進(jìn)的差分毛細(xì)管法與現(xiàn)行方法存在以下差異：（1）采用無水乙醇作為標(biāo)定液，以式（2）進(jìn)行毛細(xì)管內(nèi)半徑標(biāo)定。測(cè)微顯微鏡僅能測(cè)定某一橫截面的毛細(xì)管內(nèi)半徑，無法得到液面上升高度范圍內(nèi)的等效內(nèi)半徑。然而，毛細(xì)管內(nèi)半徑并不均一，隨著內(nèi)半徑生產(chǎn)標(biāo)號(hào)的減小，毛細(xì)管內(nèi)徑變得粗細(xì)不均，采用測(cè)微顯微鏡測(cè)定毛細(xì)管內(nèi)半徑的誤差增加。因此，采用生產(chǎn)標(biāo)號(hào)1.00mm的毛細(xì)管作為基準(zhǔn)管，利用CCD相機(jī)測(cè)定其內(nèi)半徑，用式（2）反向標(biāo)定較細(xì)毛細(xì)管的內(nèi)半徑，以增加內(nèi)半徑標(biāo)定的精度。（2）選用內(nèi)半徑更小的毛細(xì)管進(jìn)行瀝青的表面張力測(cè)試。由于管內(nèi)液面與管壁接觸角隨著內(nèi)半徑減小逐漸減小，并趨于零。表面張力計(jì)算值的誤差，隨著毛細(xì)管內(nèi)半徑的減小逐漸減小。文中選擇毛細(xì)管內(nèi)半徑組合的生產(chǎn)標(biāo)號(hào)為0.10mm和0.20mm.內(nèi)半徑生產(chǎn)標(biāo)號(hào)為0.05mm的毛細(xì)管內(nèi)瀝青液面的理論上升高度將超過100mm（毛細(xì)管長度），因此不予選擇。（3）改進(jìn)方法使用式（3）代替式（4）計(jì)算瀝青的表面張力，考慮了管內(nèi)凹液面高度修正對(duì)高溫液態(tài)瀝青表面張力計(jì)算的影響。

2原材料與試驗(yàn)

2.1原材料

純度1）99.5%的無水乙醇（分析純）；70#基質(zhì)瀝青（B）；SBS改性瀝青（S）；5種表面活性劑：阿科瑪Cecabase 945（W1）、阿科瑪Cecabase Bio 10（W2）、諾力昂Rediset LQ-1102C（W3）、上海龍孚LYE-WMA（W4）、美德維實(shí)偉克M-1（W5），表面活性劑W1——W5摻量分別為瀝青質(zhì)量的0.4%、0.4%、0.6%、0.6%、0.6%.瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表2，其中：黏度采用布式旋轉(zhuǎn)黏度法測(cè)試，取剪切速率為25s-1時(shí)的黏度值；基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青的密度與黏度的測(cè)試溫度分別為135、165℃。

表2瀝青的技術(shù)指標(biāo)

2.2試驗(yàn)方案

為提升高溫液態(tài)瀝青表面張力的測(cè)試精度，設(shè)計(jì)以下試驗(yàn)方案：

（1）接觸角與修正高度對(duì)毛細(xì)管內(nèi)半徑的影響。測(cè)定無水乙醇與毛細(xì)管內(nèi)壁的接觸角（θ）。采用式（2）標(biāo)定毛細(xì)管的內(nèi)半徑（r），比較標(biāo)定內(nèi)半徑與生產(chǎn)標(biāo)號(hào)的差異。

（2）毛細(xì)管內(nèi)半徑對(duì)表面張力的影響。選擇生產(chǎn)標(biāo)號(hào)為0.10mm和0.20mm的差分毛細(xì)管組合，采用式（2）標(biāo)定毛細(xì)管的內(nèi)半徑，用式（3）計(jì)算瀝青的表面張力，量化毛細(xì)管內(nèi)半徑標(biāo)定前后對(duì)表面張力測(cè)試結(jié)果的影響。

（3）表面張力計(jì)算值的精度分析。選擇8種瀝青，B、B+W1、B+W2、B+W3、B+W4、B+W5、S、S+W1，對(duì)比現(xiàn)行方法和改進(jìn)方法的表面張力計(jì)算值，量化改進(jìn)差分毛細(xì)管法所測(cè)表面張力的測(cè)試精度。

（4）表面張力指標(biāo)的有效性驗(yàn)證。根據(jù)改進(jìn)的差分毛細(xì)管法，量化表面活性劑對(duì)瀝青表面張力的影響。將其與理論規(guī)律進(jìn)行對(duì)比，分析采用表面張力作為表面活性劑瀝青技術(shù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性。