集料表面改性剂对沥青混凝土水稳定性的影响研究*

陈烜捷 罗 蓉 张安富 冯光乐

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉理工大学化学化工与生命科学学院2) 武汉 430070) (湖北省交通厅工程质量监督局3) 武汉 430014)

集料表面改性剂对沥青混凝土水稳定性的影响研究*

陈烜捷1)罗 蓉1)张安富2)冯光乐3)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (武汉理工大学化学化工与生命科学学院2)武汉 430070) (湖北省交通厅工程质量监督局3)武汉 430014)

为了研究集料表面改性剂对沥青混凝土水稳定性的影响.通过微观和宏观相结合的方法研究集料表面改性剂的改性机理并确定最佳体积分数；采用静滴法测试沥青和不同体积分数表面改性剂改性后的集料的表面能参数，计算并分析沥青与集料的粘附功、剥落功随改性剂体积分数的变化规律；并进行宏观沥青混合料水稳定性试验，测试水稳定性指标包括浸水残留稳定度、真空饱水试验残留稳定度和冻融劈裂试验强度比.结果表明，集料表面改性剂可以很好地改善沥青混合料水稳定性，并且随集料表面改性剂体积分数的变化沥青与集料的粘附功、剥落功与沥青混合料水稳定性的变化规律保持一致.

道路工程；沥青混凝土；集料表面改性剂；表面能；水稳定性

0 引 言

水损害是沥青混凝土路面较为常见的路面病害之一，解决水损害问题最主要的方法是提高集料与沥青的粘附性[1]，其方法主要有两种：使用与沥青粘附性较好的碱性集料；向混凝土中添加抗剥落剂.目前常用的抗剥落剂包括：使用消石灰改性，使沥青与集料在碱性条件下形成更好的粘附；使用胺基高分子聚合物增强沥青的极性增强沥青与集料的表面粘附.

以上的两种方法都可以在一定程度上提高沥青与集料的粘附，但是都有所不足.使用碱性集料会提高沥青混合料的水稳定性，但是混合料的强度和耐疲劳性能会有所降低，因为碱性集料的力学性能包括抗压强度、耐磨耗性能等没有酸性集料好.而目前抗剥落剂的使用不能从根本上防止水损害的出现.因为加入抗剥落剂后沥青与集料的胶结强度仍然没有氢键大，当水进入沥青混凝土后就会以氢键的形式与集料结合，使沥青膜从集料表面剥离[2].并且抗剥落剂还存在其他不足，如易发生离析、热稳定性较差和耐久性不足等.因此，可以从水损害产生的微观机理出发，找到一种热稳定性强，耐久性好的抗剥落措施来提高沥青混凝土的水稳定性.

鉴于此，采用集料表面改性剂对酸性集料进行表面改性，并结合表面能理论，对集料表面能参数进行测试和计算分析.同时，对沥青混合料宏观路用性能展开验证，从微观机理上量化集料表面改性剂的有效性，并结合表面能参数与沥青混合料验证表面改性剂的最佳体积分数.

1 集料表面改性机理及表面能定义

1.1 集料表面改性的机理

集料表面改性剂的分子中同时具有无机官能团和有机官能团，对集料进行表面处理后，可以在集料(无机材料)和沥青(有机材料)之间形成桥梁的作用，使沥青可以在集料表面迅速的铺展开来并对集料表面形成良好的浸润.从而提高集料与沥青的粘附性并进一步提高沥青混合料的水稳定性能.用表面能理论研究集料表面改性后沥青与集料结合能的大小可以很好地预测集料表面改性剂对混合料水稳定性能的影响.

1.2 表面能基本参数

表面能理论可以定量的评价沥青与集料的粘附性大小，通过粘附功、剥落功等指标评价沥青混合料水稳定性能的好坏[3].

在表面能理论中，γ为物质的表面张力即表面能；γLW为非极性分量范德华力作用；γAB为极性分量Lewis酸碱力作用(其中γ+为酸分量、γ-为碱分量).其中γLW，γ+，γ-为表面能理论的基本参量.

1.3 沥青与集料的粘附功、剥落功

沥青与集料的粘附功是指，沥青与集料在无水条件下发生粘结引起的整个体系表面自由能的减少量，粘附功的绝对值越大，则沥青与集料之间的粘附越强[4]，两者粘附功的表达式为

式中：下标s，a为集料和沥青.

沥青与集料的剥落功是指，集料表面的沥青被水分子取代沥青膜发生剥离，由沥青-集料界面分离成为沥青-水、水-集料新界面这一过程中整个体系表面自由能的变化，剥落功值绝对值越大，则沥青膜越容易从集料表面剥落，混合料发生水损害的可能性也越大[5].则沥青与集料的剥落功可表示为

(2)

式中：下标w为水.

2 原材料及试验

2.1 原材料

2.1.1 沥青

沥青为70号基质石油沥青，沥青三大指标测试结果见表1，均符合文献[5]的要求.

表1 沥青三大指标

2.1.2 集料

选用较为典型的酸性集料破碎砾石，力学性能较好，但破碎砾石集料组成较复杂，从颜色分类大致可分为黑色、红色、青色、黄色和白色这五种.不同颜色的砾石与沥青的粘附性有所差异，其中除黑色以外，其他四种颜色集料与沥青的粘附性较差[6]，且这四种颜色集料质量占到集料总质量90%以上，所以需要对集料进行表面改性后才能使集料与沥青粘附性达到使用要求.选用破碎卵石按粒径共分为四档，分别为0～2.36，2.36～4.75，4.75～13.2和13.2～19 mm.各颜色集料质量分数及与沥青的粘附性结果见表2.

表2 各颜色集料质量百分数与沥青粘附性

2.1.3 集料表面改性

由于破碎砾石这种集料组成较为复杂，各组成集料与沥青的粘附性有所差异，若用抗剥落剂对沥青进行改性，会存在改性后沥青与集料匹配性欠佳的问题，因此这种改性方法存在一定的不足.若采用直接对集料进行表面改性的方法，一方面可以避开改性沥青与集料匹配性不佳的问题，另一方面可以解决抗剥落剂热稳定性较差的问题.采用集料表面改性剂(A偶联剂)，无色透明液体，可溶于水，热稳定性能较好可以在水解后喷洒于集料表面[7].将偶联剂配置成体积分数为0.3%，0.5%，0.7%，1.0%的水溶液，静置20 min以上.进行表面能试验时将集料在溶液中浸润20 s后取出，在170 ℃的温度下进行干燥固化处理，待集料冷却至室温后，进行静滴法实验.进行混合料试验时将溶液以2%的质量比喷洒于集料表面，在170 ℃的温度下对集料进行干燥固化处理，并进行后续试验.

2.2 集料与沥青表面能参数测试试验及结果

2.2.1 集料表面能测试及结果

采用光学角接触仪通过静滴法测定接触角[8]，测试方法见图1(图中θ为接触角).

图1 静滴法测接触角示意图

选用黄色破碎卵石进行静滴法试验.将集料表面打磨光滑，并测试4种已知表面能参数的溶剂(蒸馏水、甲酰胺、丙三醇和乙二醇)在集料表面的接触角，将接触角代入杨氏-杜普雷公式[9]，即.

(3)

不同体积分数集料表面改性剂改性后集料的表面能参数结果见表3.

表3 集料表面能参数

2.2.2 沥青表面能测试及结果

沥青表面能测试同样采用光学角接触仪测定接触角，将沥青制成玻片并用溶剂滴于表面测得接触角，进而得到沥青表面能参数见表4.

表4 沥青表面能参数

2.2.3 表面能试验结果分析

已经通过静滴法试验测得不同体积分数集料表面改性剂处理过的集料的表面能参数和沥青的表面能参数，将沥青和集料的表面能参数分别代入式(1)和式(2)可以得到沥青与集料的粘附功与剥落功.粘附功与剥落功结果见表5.

表5 沥青与集料的粘附功与剥落功

由表5中粘附功与剥落功的数据可以绘制集料表面改性剂体积分数与沥青-集料粘附功与剥落功的关系曲线图，见图2.

图2 与集料表面改性剂体积分数关系曲线

由图2a)可知，随着集料表面改性剂体积分数的增加，沥青与集料的粘附功呈上升趋势，当体积分数大于0.5%后曲线基本呈直线，因此，体积分数为0.5%时粘附功绝对值达到最大，沥青与集料的粘附性最好.

由图2b)可知，随着集料表面改性剂体积分数的增加，沥青与集料的剥落功呈下降趋势，在0%～0.5%剥落功绝对值不断减小，表明沥青膜从集料表面剥离的可能性越小，混合料发生水损害的可能性也减小；在体积分数0.5%～1.0%曲线基本成直线.因此，集料表面改性剂可以提高混合料的水稳定性，并且0.5%为最佳体积分数.

综上所述，基于表面能理论，集料表面改性剂可以改变集料表面性质，使沥青更容易浸润集料，并且沥青膜抵抗剥离的能力增强.由计算分析可知，集料表面改性剂(A偶联剂)体积分数为0.5%时，可以提高沥青与集料的粘附，并且使混合料抗水损害性能达到最佳.

2.3 沥青混合料试验及结果

2.3.1 试验方案

从微观机理出发，根据表面能理论计算得到不同体积分数集料表面改性剂改性后，沥青-集料的粘附功与剥落功.现从宏观上对机理和改性效果进行验证，对五种不同体积分数表面改性剂处理的混合料进行水稳定性试验.选用级配为AC-20C，油石比4.4%，级配曲线见图3.

图3 级配曲线

具体的试验方案见表6.五种混合料试验方案中，控制变量为集料表面改性剂体积分数，所用原材料、级配以及油石比均保持一致，以对比分析五种试验方案水稳定性试验结果的差异.

表6 混合料试验方案

2.3.2 试验方法及结果分析

表7 五种方案水稳定性试验结果汇总 %

沥青混合料水稳定性的指标随集料表面改性剂体积分数的变化曲线见图4.

图4 混合料水稳定性与集料表面改性剂体积分数关系图

由图4可知，五种试验方案中混合料浸水残留稳定度、真空饱水试验残留稳定度、冻融劈裂强度比随着体积分数变化的曲线呈现先上升后平缓的趋势，在表面改性剂体积分数为0.5%混合料水稳定性能达到最佳值.

由以上的分析可以得出结论：集料表面改性剂可以明显改善混合料的水稳定性能，并且在体积分数为0.5%时集料表面改性剂对混合料水稳定性的改善效果最佳.

2.4 表面能指标与水稳定性关系分析

从水损害产生的微观机理出发，研究集料表面改性剂对沥青与集料表面能的影响，结合宏观混合料水稳定性试验，验证表面改性剂对混合料水稳定性的影响.结合这两方面分析，由沥青-集料的粘附功与剥落功、混合料水稳定性指标与表面改性剂体积分数的关系曲线可知，五种试验方案中粘附性与水稳定的强弱关系呈现一定的相关性，强弱顺序为方案三≈方案五≈方案四>方案二>方案一.

由以上的分析可知，表面能粘附功与剥落功和混合料水稳定性随表面改性剂体积分数的变化强弱顺序一致，且可以确定改性剂的最佳体积分数为0.5%.这一方面证明了集料表面改性剂改善混合料水稳定性的有效性，另一方面也证明了表面能理论混合料水稳定性的正确性.

3 结 论

1) 由表面能的试验和计算分析可以得到，集料表面改性剂(A偶联剂)可以明显提高沥青与酸性集料粘附性能和酸性集料混合料的水稳定性，并且当改性剂体积分数为0.5%改性效果最佳，说明改性集料也可作为提高沥青混合料水稳定性的技术手段之一.

2) 通过表面能计算分析结果与沥青混合料宏观水稳定性试验结果对比分析发现，采用表面能理论得到的沥青与集料的粘附功、剥落功与沥青混合料水稳定性的变化规律保持一致，证明表面能理论可有效用于量化集料改性剂对沥青混合料水稳定性影响并定量确定外掺剂最佳体积分数.

3) 通过室内试验已证实了集料表面改性剂(A偶联剂)对改善沥青混合料水稳定的有效性，但是将其进一步用于大规模制备沥青混凝土仍需针对性地开展集料改性工艺研究，在保证改性效果的同时便于大规模施工操作.

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Effect of Aggregate Surface Modifier on the Moisture Stability of Asphalt Concrete

CHEN Xuanjie1)LUO Rong1)ZHANG Anfu2)FENG Guangle3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(SchoolofChemistry,ChemicalEngineeringandLifeSciences,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)3)

In order to study the effect of aggregate surface modifier on the moisture stability of asphalt concrete, the modification mechanism and the optimum concentration of the surface modifier are studied by the combination of micro and macro approaches. The surface energy parameters of asphalt and aggregates modified by different concentrations of surface modifier are tested by intravenous drop method. Besides, the change of the adhesion work and the stripping power of the asphalt and aggregates are calculated and analyzed. The moisture stability test of the asphalt mixture is tested. The moisture stability indexes include the stability of water immersion, the residual stability of vacuum saturated water test and the strength ratio of freeze-thaw splitting test. The results show that the surface modifier can improve the moisture stability of the asphalt mixture and improve the adhesion of the asphalt and aggregate with the change of the concentration of the surface modifier. The law of change is consistent.

road engineering; asphalt concrete; aggregate surface modifier; surface energy; moisture stability

2017-04-18

*交通运输部建设科技计划项目资助(2014318J22120)

U414.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.022

陈烜捷(1993—)：男，硕士生，主要研究领域为道路与桥梁工程