新型界面改性劑對酸性集料與瀝青的粘附性能改善研究*

李美霞 翟明升 馬程利 黃承立 虞將苗唐 峰 戚文博 葉 超

(中鐵珠三角投資發(fā)展有限公司1) 廣州 511458) (中鐵十局集團西北工程有限公司2) 西安 410000)(中鐵十局集團第三建設(shè)有限公司3) 合肥 230088) (華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院4) 廣州 510640)

0 引 言

集料-瀝青界面是瀝青混合料最薄弱的環(huán)節(jié)，目前市場上針對酸性石料與瀝青界面研發(fā)的改性劑很少[1].大部分的改性劑都是通過改善瀝青性能以達到提高集料與瀝青粘附性能的目的，但往往需要專用的設(shè)備對瀝青進行改性，且存在瀝青多次加熱與儲存穩(wěn)定性的問題[2]；少部分改性劑以直接投入法改善礦質(zhì)集料性能以達到生產(chǎn)改性瀝青混合料的目的，此方法減少了改性瀝青生產(chǎn)環(huán)節(jié)，但也存在改性不均勻的缺陷[3].

針對上述存在的問題，本研究提出一種新型的液體界面改性劑(油溶性、水溶性)及配套薄膜改性工藝.通過設(shè)定霧化裝置對經(jīng)過加熱的石料表面進行表面改性，改性劑溶劑迅速蒸發(fā)，有用的溶質(zhì)(沸點較高)迅速固化附著于石料表面中，在石料表面鍍上一層微米級別的薄膜，致密而均勻.改性石料再與瀝青混合經(jīng)過物理化學(xué)變化達到提高集料與瀝青粘附性能的效果.

1 界面改性材料與試驗方法

1.1 界面改性材料

采用的界面改性劑(油溶性、水溶性)主要成分包含溶劑、樹脂、固化劑、穩(wěn)定劑、偶聯(lián)劑及抗氧劑等.各成分均有不同的功效：其中偶聯(lián)劑同時具有可以與無機材料和有機材料結(jié)合的官能團，可實現(xiàn)將表面活性較弱的集料與瀝青緊密結(jié)合；固化劑是一類增進或控制固化反應(yīng)的物質(zhì)或混合物，可使樹脂固化，增強界面薄膜的力學(xué)強度；穩(wěn)定劑可增加改性劑的整體穩(wěn)定性；配合其他助劑的使用，界面改性劑最終達到增強集料與瀝青粘附性能的目的.界面改性劑組分見表1～2.

表1 油溶性界面改性劑組成成分 %

表2 水溶性界面改性劑組成成分 %

1.2 試驗方法

1) 電鏡掃描(SEM)試驗 通過電鏡掃描觀察界面改性前后酸性石料表面的微觀形貌變化與化學(xué)成分變化(本研究選取12 kg，9.5～13.2 mm規(guī)格花崗巖進行表面薄膜改性，改性劑(以油溶性為代表)劑量為0.3%(占石料質(zhì)量)，石料加熱與攪拌溫度為180 ℃，攪拌時間為45 s).

2) 動態(tài)剪切流變試驗(DSR) 通過獲取改性前后瀝青材料的滯后角與車轍因子數(shù)據(jù)[4].試驗瀝青材料為某SBS(I-D)改性瀝青、某高粘高彈改性瀝青，界面改性劑(油溶性、水溶性)分別以6%,10%(占瀝青質(zhì)量)的劑量添加至SBS改性瀝青中.

3)拉拔試驗 通過PosiTest AT-A拉拔儀以力學(xué)的角度定量的表征酸性集料與瀝青的粘附強度，PosiTest AT-A拉拔儀通過豎直方向的作用力，瀝青膜會逐漸被拉長，最終在集料-瀝青界面薄弱的地方發(fā)生破壞，此時拉應(yīng)力值表征集料與瀝青的粘附強度[5].

試驗制作規(guī)格為30 mm×30 mm×5 mm的花崗巖，將界面改性劑(油溶性、水溶性)均勻的涂抹于上述巖石塊中，涂抹劑量分別為石塊質(zhì)量的0.3%，0.6%，0.8%，涂抹后的改性石塊在165 ℃的溫度環(huán)境下養(yǎng)護2 h后涂抹某SBS(I-D)改性瀝青，瀝青涂抹厚度統(tǒng)一為0.5 mm，再迅速將拉拔頭粘于石塊表面(每種改性劑量方案布設(shè)15個拉拔頭)，在常溫下養(yǎng)護24 h后進行拉拔試驗.試驗另以高粘高彈瀝青試驗為對比試驗.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 粘附性能改善分析

本研究采用拉拔試驗檢測集料與瀝青的粘附性能，結(jié)果見表3和圖1.

表3 界面改性劑對界面強度的影響

圖1 界面改性劑對界面強度的影響

由表3、圖1可知，橫向分析試驗數(shù)據(jù)，隨著界面改性劑(油溶性、水溶性)劑量的增加，界面拉拔強度不斷提升；其中，油溶性界面改性劑添加劑量為0.8%與0.6%時，兩者界面拉拔強度差距不大，由此可見，油溶性界面改性劑劑量大于0.6%后對花崗巖與瀝青的界面強度影響較??；水溶性界面改性劑添加劑量為0.3%時，界面強度基本不變(相對于0%)，當改性劑添加劑量大于0.3%時，界面強度迅速增加，但其界面強度改善效果不及高粘高彈改性方案.縱向分析試驗結(jié)果，在改性劑添加劑量相同的條件下，油溶性界面改性的效果好于水溶性界面改性劑.

2.2 界面改性機理探討

2.2.1電鏡掃描(SEM)結(jié)果分析

本研究電鏡掃描圖像見圖2，化學(xué)元素分析見表4～6.

圖2 改性石料表面顯微結(jié)構(gòu)

表4 未改性石料化學(xué)元素含量表 %

表5 界面改性劑(油溶性)化學(xué)元素含量表 %

表6 改性石料(油溶性)化學(xué)元素含量表 %

由圖2可知，油溶性界面改性劑部分覆蓋于粗糙的集料表面，形成一層致密的薄膜.化學(xué)元素分析表明，由表4可知，未改性花崗巖主要含 O，Si元素，其質(zhì)量分數(shù)分別為50.61%，14.38%，原子數(shù)分數(shù)分別為66.95%，10.84%；由表5可知，油溶性界面改性劑主要含 C，O元素，其質(zhì)量分數(shù)分別為75.07%，15.95%；原子數(shù)分數(shù)分別為83.14%，13.22%；由表6可知，改性石料的C，O，Si元素的質(zhì)量分數(shù)分別為34.29%，38.56%，7.88%，原子數(shù)分數(shù)分別為46.63%，39.37%，4.58%；改性石料的O元素含量位于界面改性劑與未改性石料之間，改性石料相對于未改性石料增加了C元素，Si元素含量減小，而界面改性劑含有大量的C元素，說明界面改性劑已覆蓋于石料表面，改變了石料的表面性能.

界面改性劑中的硅烷偶聯(lián)劑在溶劑的作用下水解生成-OH鍵，而酸性集料表面含有大量的羥基-OH.界面改性劑通過霧化裝置覆蓋于經(jīng)過加熱的石料表面，溶劑迅速蒸發(fā)的同時，偶聯(lián)劑中的-OH鍵與石料表面的-OH鍵通過H鍵相互吸附并且發(fā)生脫水縮合反應(yīng)形成共價鍵-O-，從而實現(xiàn)化學(xué)鍵的牢固連接.同時，固化劑與其它助劑使樹脂固化，增強薄膜的力學(xué)強度.

當改性石料再與瀝青混合時，改性薄膜與瀝青之間形成界面過渡層(見圖3)，過渡層與瀝青通過高溫熔合、滲透、擴散作用，形成極性由強到弱，粘度由大到小，沒有明顯分界的漸變的膠結(jié)料膜，這種膠結(jié)料膜具有更強極性的表面活性物質(zhì)，與純?yōu)r青相比，對集料的吸附作用更強，使瀝青和界面改性劑共同構(gòu)成的膠結(jié)料與集料的粘聚力更大，粘附性更好[6].從而使原本的集料-瀝青的兩相界面，變成集料-改性劑-瀝青三相雙界面，并且相鄰兩相之間發(fā)生物理-化學(xué)的交互作用，提高了集料-瀝青的界面強度[7-8].

圖3 瀝青界面滲透擴散示意圖

2.2.2動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果分析

動態(tài)剪切流變試驗滯后角結(jié)果見圖4.

圖4 界面改性劑對瀝青滯后角的影響

滯后角能較好的反應(yīng)材料的粘彈性能，粘彈材料在加載和應(yīng)變響應(yīng)之間有較大的滯后，完全彈性與完全粘性材料滯后角分別為0°和90°，滯后角越小證明材料越接近彈性，滯后角越大證明材料越接近粘性.試驗結(jié)果顯示,滯后角顯著影響瀝青的粘彈性質(zhì)，隨著溫度的升高，瀝青的滯后角不斷增大，尤其為溫度達到64 ℃以后，瀝青的滯后角增加速度較快，瀝青接近粘性材料；添加界面改性劑(油溶性、水溶性)后，在相同的溫度條件下，瀝青滯后角減小，并隨著添加劑量的不同滯后角減小的程度不一樣，當溫度較高時，瀝青滯后角減小的幅度最大，且6%油溶性改性瀝青和10%油溶性改性瀝青滯后角較低，說明此兩種界面改性劑可以在很大程度上保留材料的彈性性質(zhì)，減少永久變形的積累，從而提高路面高溫抗這車能力.

動態(tài)剪切流變試驗車轍因子試驗結(jié)果見圖5.

圖5 界面改性劑對瀝青車轍因子的影響

SHRP瀝青結(jié)合料規(guī)范采用車轍因子G*/sinδ來反應(yīng)瀝青的高溫性能，車轍因子G*/sinδ越大，瀝青高溫性能越好.由圖5可知，在52～82 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，G*/sinδ不斷減小，瀝青高溫性能逐漸降低；添加界面改性劑(油溶性、水溶性)后，在相同的溫度條件下，瀝青的車轍因子G*/sinδ顯著增大，并隨著添加劑量的不同G*/sinδ增大的程度不一樣，高粘高彈改性瀝青G*/sinδ值最高，其次為10%油溶性界面改性瀝青和6%油溶性改性瀝青，10%水溶性界面改性瀝青和6%水溶性改性瀝青G*/sinδ略大于0%瀝青，說明此油溶性界面改性劑可以在很大程度上提高瀝青的高溫性能，水溶性界面改性劑可提高瀝青的高溫性能，但效果不如油溶性界面改性劑明顯.

3 結(jié) 論

1) 通過SEM電鏡掃描試驗可知，界面改性劑(油溶性、水溶性)通過薄膜改性工藝均勻的覆蓋于集料表面，使原本的集料-瀝青兩相界面變成集料-改性劑-瀝青三相兩界面，增加了其界面改性強度.

2) 通過動態(tài)剪切流變試驗可知，界面改性劑(油溶性、水溶性)能改善瀝青材料的彈性性能，減少其永久變形的積累，能改善瀝青材料的車轍因子G*/sinδ，從而提高瀝青材料的高溫性能.

3) 通過PosiTest AT-A拉拔試驗可知，界面改性劑(油溶性、水溶性)能顯著提高集料-瀝青界面強度，且油溶性界面改性劑效果更好.

[1] 肖慶一,錢春香.偶聯(lián)劑改善瀝青混凝土性能及油石界面試驗研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,34(4)：485-489.

[2] 周衛(wèi)峰,張秀麗,原健安,等.基于瀝青與集料界面粘附性的抗剝落劑的開發(fā)[J].長安大學(xué)學(xué)報，2005(25)：16-20.

[3] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4] 張肖寧.瀝青與瀝青混合料的粘彈力學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2006.

[5] 王璐.瀝青-集料界面相結(jié)構(gòu)和粘附性機理研究[D].西安：長安大學(xué),2014.

[6] 張雷.瀝青組分對瀝青與集料粘附性影響的研究[J].北方交通,2009(1):44-46.

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[8] 王勇.基于表面能理論的瀝青與集料粘附性研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2010.