新型界面改性剂对酸性集料与沥青的粘附性能改善研究*

李美霞 翟明升 马程利 黄承立 虞将苗唐 峰 戚文博 叶 超

(中铁珠三角投资发展有限公司1) 广州 511458) (中铁十局集团西北工程有限公司2) 西安 410000)(中铁十局集团第三建设有限公司3) 合肥 230088) (华南理工大学土木与交通学院4) 广州 510640)

0 引 言

集料-沥青界面是沥青混合料最薄弱的环节，目前市场上针对酸性石料与沥青界面研发的改性剂很少[1].大部分的改性剂都是通过改善沥青性能以达到提高集料与沥青粘附性能的目的，但往往需要专用的设备对沥青进行改性，且存在沥青多次加热与储存稳定性的问题[2]；少部分改性剂以直接投入法改善矿质集料性能以达到生产改性沥青混合料的目的，此方法减少了改性沥青生产环节，但也存在改性不均匀的缺陷[3].

针对上述存在的问题，本研究提出一种新型的液体界面改性剂(油溶性、水溶性)及配套薄膜改性工艺.通过设定雾化装置对经过加热的石料表面进行表面改性，改性剂溶剂迅速蒸发，有用的溶质(沸点较高)迅速固化附着于石料表面中，在石料表面镀上一层微米级别的薄膜，致密而均匀.改性石料再与沥青混合经过物理化学变化达到提高集料与沥青粘附性能的效果.

1 界面改性材料与试验方法

1.1 界面改性材料

采用的界面改性剂(油溶性、水溶性)主要成分包含溶剂、树脂、固化剂、稳定剂、偶联剂及抗氧剂等.各成分均有不同的功效：其中偶联剂同时具有可以与无机材料和有机材料结合的官能团，可实现将表面活性较弱的集料与沥青紧密结合；固化剂是一类增进或控制固化反应的物质或混合物，可使树脂固化，增强界面薄膜的力学强度；稳定剂可增加改性剂的整体稳定性；配合其他助剂的使用，界面改性剂最终达到增强集料与沥青粘附性能的目的.界面改性剂组分见表1～2.

表1 油溶性界面改性剂组成成分 %

表2 水溶性界面改性剂组成成分 %

1.2 试验方法

1) 电镜扫描(SEM)试验 通过电镜扫描观察界面改性前后酸性石料表面的微观形貌变化与化学成分变化(本研究选取12 kg，9.5～13.2 mm规格花岗岩进行表面薄膜改性，改性剂(以油溶性为代表)剂量为0.3%(占石料质量)，石料加热与搅拌温度为180 ℃，搅拌时间为45 s).

2) 动态剪切流变试验(DSR) 通过获取改性前后沥青材料的滞后角与车辙因子数据[4].试验沥青材料为某SBS(I-D)改性沥青、某高粘高弹改性沥青，界面改性剂(油溶性、水溶性)分别以6%,10%(占沥青质量)的剂量添加至SBS改性沥青中.

3)拉拔试验 通过PosiTest AT-A拉拔仪以力学的角度定量的表征酸性集料与沥青的粘附强度，PosiTest AT-A拉拔仪通过竖直方向的作用力，沥青膜会逐渐被拉长，最终在集料-沥青界面薄弱的地方发生破坏，此时拉应力值表征集料与沥青的粘附强度[5].

试验制作规格为30 mm×30 mm×5 mm的花岗岩，将界面改性剂(油溶性、水溶性)均匀的涂抹于上述岩石块中，涂抹剂量分别为石块质量的0.3%，0.6%，0.8%，涂抹后的改性石块在165 ℃的温度环境下养护2 h后涂抹某SBS(I-D)改性沥青，沥青涂抹厚度统一为0.5 mm，再迅速将拉拔头粘于石块表面(每种改性剂量方案布设15个拉拔头)，在常温下养护24 h后进行拉拔试验.试验另以高粘高弹沥青试验为对比试验.

2 试验结果与讨论

2.1 粘附性能改善分析

本研究采用拉拔试验检测集料与沥青的粘附性能，结果见表3和图1.

表3 界面改性剂对界面强度的影响

图1 界面改性剂对界面强度的影响

由表3、图1可知，横向分析试验数据，随着界面改性剂(油溶性、水溶性)剂量的增加，界面拉拔强度不断提升；其中，油溶性界面改性剂添加剂量为0.8%与0.6%时，两者界面拉拔强度差距不大，由此可见，油溶性界面改性剂剂量大于0.6%后对花岗岩与沥青的界面强度影响较小；水溶性界面改性剂添加剂量为0.3%时，界面强度基本不变(相对于0%)，当改性剂添加剂量大于0.3%时，界面强度迅速增加，但其界面强度改善效果不及高粘高弹改性方案.纵向分析试验结果，在改性剂添加剂量相同的条件下，油溶性界面改性的效果好于水溶性界面改性剂.

2.2 界面改性机理探讨

2.2.1电镜扫描(SEM)结果分析

本研究电镜扫描图像见图2，化学元素分析见表4～6.

图2 改性石料表面显微结构

表4 未改性石料化学元素含量表 %

表5 界面改性剂(油溶性)化学元素含量表 %

表6 改性石料(油溶性)化学元素含量表 %

由图2可知，油溶性界面改性剂部分覆盖于粗糙的集料表面，形成一层致密的薄膜.化学元素分析表明，由表4可知，未改性花岗岩主要含 O，Si元素，其质量分数分别为50.61%，14.38%，原子数分数分别为66.95%，10.84%；由表5可知，油溶性界面改性剂主要含 C，O元素，其质量分数分别为75.07%，15.95%；原子数分数分别为83.14%，13.22%；由表6可知，改性石料的C，O，Si元素的质量分数分别为34.29%，38.56%，7.88%，原子数分数分别为46.63%，39.37%，4.58%；改性石料的O元素含量位于界面改性剂与未改性石料之间，改性石料相对于未改性石料增加了C元素，Si元素含量减小，而界面改性剂含有大量的C元素，说明界面改性剂已覆盖于石料表面，改变了石料的表面性能.

界面改性剂中的硅烷偶联剂在溶剂的作用下水解生成-OH键，而酸性集料表面含有大量的羟基-OH.界面改性剂通过雾化装置覆盖于经过加热的石料表面，溶剂迅速蒸发的同时，偶联剂中的-OH键与石料表面的-OH键通过H键相互吸附并且发生脱水缩合反应形成共价键-O-，从而实现化学键的牢固连接.同时，固化剂与其它助剂使树脂固化，增强薄膜的力学强度.

当改性石料再与沥青混合时，改性薄膜与沥青之间形成界面过渡层(见图3)，过渡层与沥青通过高温熔合、渗透、扩散作用，形成极性由强到弱，粘度由大到小，没有明显分界的渐变的胶结料膜，这种胶结料膜具有更强极性的表面活性物质，与纯沥青相比，对集料的吸附作用更强，使沥青和界面改性剂共同构成的胶结料与集料的粘聚力更大，粘附性更好[6].从而使原本的集料-沥青的两相界面，变成集料-改性剂-沥青三相双界面，并且相邻两相之间发生物理-化学的交互作用，提高了集料-沥青的界面强度[7-8].

图3 沥青界面渗透扩散示意图

2.2.2动态剪切流变试验结果分析

动态剪切流变试验滞后角结果见图4.

图4 界面改性剂对沥青滞后角的影响

滞后角能较好的反应材料的粘弹性能，粘弹材料在加载和应变响应之间有较大的滞后，完全弹性与完全粘性材料滞后角分别为0°和90°，滞后角越小证明材料越接近弹性，滞后角越大证明材料越接近粘性.试验结果显示,滞后角显著影响沥青的粘弹性质，随着温度的升高，沥青的滞后角不断增大，尤其为温度达到64 ℃以后，沥青的滞后角增加速度较快，沥青接近粘性材料；添加界面改性剂(油溶性、水溶性)后，在相同的温度条件下，沥青滞后角减小，并随着添加剂量的不同滞后角减小的程度不一样，当温度较高时，沥青滞后角减小的幅度最大，且6%油溶性改性沥青和10%油溶性改性沥青滞后角较低，说明此两种界面改性剂可以在很大程度上保留材料的弹性性质，减少永久变形的积累，从而提高路面高温抗这车能力.

动态剪切流变试验车辙因子试验结果见图5.

图5 界面改性剂对沥青车辙因子的影响

SHRP沥青结合料规范采用车辙因子G*/sinδ来反应沥青的高温性能，车辙因子G*/sinδ越大，沥青高温性能越好.由图5可知，在52～82 ℃温度范围内，随着温度的升高，G*/sinδ不断减小，沥青高温性能逐渐降低；添加界面改性剂(油溶性、水溶性)后，在相同的温度条件下，沥青的车辙因子G*/sinδ显著增大，并随着添加剂量的不同G*/sinδ增大的程度不一样，高粘高弹改性沥青G*/sinδ值最高，其次为10%油溶性界面改性沥青和6%油溶性改性沥青，10%水溶性界面改性沥青和6%水溶性改性沥青G*/sinδ略大于0%沥青，说明此油溶性界面改性剂可以在很大程度上提高沥青的高温性能，水溶性界面改性剂可提高沥青的高温性能，但效果不如油溶性界面改性剂明显.

3 结 论

1) 通过SEM电镜扫描试验可知，界面改性剂(油溶性、水溶性)通过薄膜改性工艺均匀的覆盖于集料表面，使原本的集料-沥青两相界面变成集料-改性剂-沥青三相两界面，增加了其界面改性强度.

2) 通过动态剪切流变试验可知，界面改性剂(油溶性、水溶性)能改善沥青材料的弹性性能，减少其永久变形的积累，能改善沥青材料的车辙因子G*/sinδ，从而提高沥青材料的高温性能.

3) 通过PosiTest AT-A拉拔试验可知，界面改性剂(油溶性、水溶性)能显著提高集料-沥青界面强度，且油溶性界面改性剂效果更好.

[1] 肖庆一,钱春香.偶联剂改善沥青混凝土性能及油石界面试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2004,34(4)：485-489.

[2] 周卫峰,张秀丽,原健安,等.基于沥青与集料界面粘附性的抗剥落剂的开发[J].长安大学学报，2005(25)：16-20.

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

[4] 张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用[M].北京：人民交通出版社，2006.

[5] 王璐.沥青-集料界面相结构和粘附性机理研究[D].西安：长安大学,2014.

[6] 张雷.沥青组分对沥青与集料粘附性影响的研究[J].北方交通,2009(1):44-46.

[7] CHENG D, LITTLE D N, HOLSTE J C. Use of surface free energy of asphalt-aggregate systems to predict moisture damage potential[J]. Journal of Association of Asphalt Paving Technologists,2002(1):59-64.

[8] 王勇.基于表面能理论的沥青与集料粘附性研究[D].长沙：湖南大学，2010.