集料-瀝青界面改性劑及改性工藝對瀝青混合料路用性能的影響*

楊 平 虞將苗 張保才 張東迎劉 漢 唐 峰 趙培全 許冬冬

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

集料-瀝青界面改性劑及改性工藝對瀝青混合料路用性能的影響*

楊 平1)虞將苗2)張保才3)張東迎4)劉 漢3)唐 峰2)趙培全4)許冬冬4)

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

針對酸性巖石與瀝青粘附性較差的缺陷，通過研究界面改性劑及薄膜改性工藝以改善瀝青混合料最薄弱的環(huán)節(jié)(集料與瀝青的界面)，達到改善瀝青混合料的路用性能的目的.研究表明，界面改性劑通過薄膜改性工藝能均勻的附著于石料表面，并與石料、瀝青發(fā)生物理-化學反應，全面提高了瀝青混合料的路用性能(高溫性能、抗水損害性能、抗疲勞性能).

界面改性劑；薄膜改性工藝；路用性能

目前，隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，汽車交通量猛增，對瀝青路面的綜合性能有了更嚴格的技術要求.而集料的質(zhì)量對瀝青路面的綜合性能有直接的影響，瀝青路面通常要求使用玄武巖和輝綠巖等中性及堿性優(yōu)質(zhì)集料作為瀝青表面層集料，但這兩類集料極度稀缺且價格昂貴，已成為制約高速公路瀝青面層工程質(zhì)量和工程造價的瓶頸問題.文中針對酸性集料與瀝青界面強度弱的技術缺陷，以改善瀝青混合料最薄弱的環(huán)節(jié)-集料與瀝青之間的界面為基礎，對儲量豐富且價格較低的酸性集料表面進行薄膜改性，探討界面改性劑及薄膜改性工藝對瀝青混合料路用性能的影響(高溫性能、抗水損害性能、抗疲勞性能)[1-3].

1 界面改性劑及薄膜改性工藝介紹

1.1 界面改性劑

采用油溶性和水溶性兩種不同體系的界面改性劑，主要成分有溶劑、樹脂、固化劑、穩(wěn)定劑、偶聯(lián)劑、抗氧劑等.界面改性劑(油溶性、水溶性)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 集料薄膜改性工藝

現(xiàn)階段外加劑傳統(tǒng)的添加工藝為先將外加劑與瀝青混合，通過改善瀝青性能達到改善瀝青混合料路用性能的目的，此方法存在瀝青二次加熱和儲存穩(wěn)定性等問題，成本較高，工序較繁瑣[4].而少量的抗剝落劑采用直接投入法與石料混合達到改性目的.而抗剝落劑只有在瀝青與集料接觸面才能發(fā)揮作用，直接投入法易造成改性劑的浪費.界面改性工藝針對傳統(tǒng)添加工藝的缺陷進行改進，其通過設定霧化裝置于瀝青拌合樓篩分倉蓋板和攪拌缸四壁對石料表面進行兩次表面薄膜改性(見圖1)，改性石料再與瀝青拌合，獲取界面改性瀝青混合料.

圖1 對接于瀝青拌和樓薄膜改性系統(tǒng)示意圖

經(jīng)過霧化處理的界面改性劑在瀝青拌合樓篩分倉和攪拌缸中噴灑于石料表面(經(jīng)過加熱處理)，界面改性劑在石料表面高溫的條件下，溶劑迅速蒸發(fā)，有用的溶質(zhì)(沸點較高)迅速附著于石料表面中，在石料表面鍍上一層微米級別的薄膜，致密而均勻.

2 試驗方案

文中采用兩種界面改性劑(油溶性、水溶性)分別在瀝青拌和樓中對酸性集料(選花崗巖為代表)進行表面薄膜改性，選取0%，0.3%，0.6%(占集料質(zhì)量)三個摻量水平，瀝青材料為某SBS(I-D)改性瀝青(用于界面改性，技術指標見表3)、某高粘高彈改性瀝青(用于對比試驗，技術指標見表4).礦質(zhì)集料級配統(tǒng)一采用AC-13C，SBS(I-D)AC-13C瀝青混合料最佳油石比為4.8%，摻加0.3%、0.6%的界面改性劑(油溶性、水溶性)最佳油石比均為4.7%，某高粘高彈改性瀝青混合料最佳油石比為4.9%，級配組成見表5.

表3 SBS(1-D)改性瀝青技術指標

表4 高粘高彈改性瀝青技術指標

表5 AC-13C瀝青混合料礦料級配組成

3 改性瀝青混合料路用性能評價

3.1 高溫穩(wěn)定性分析評價

以車轍試驗對改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能進行評價[5]，車轍試驗結果見表6.

表6 車轍試驗數(shù)據(jù)表

由表6可知，對于酸性集料(選花崗巖為代表)，界面改性劑(油溶性、水溶性)能不同程度的提高瀝青混合料的高溫抗車轍能力；油溶性改性劑隨著改性劑量的增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度不斷提高；0.6%油溶性界面改性劑與0.3%水溶性界面改性劑提高效果最明顯(分別提高 38.56%和38.41%)；高粘高彈瀝改性青混合料抗車轍能力提高36.67%.

3.2 抗水損害能力分析評價

瀝青路面水損害是瀝青混合料在水的侵蝕作用下，瀝青從集料表面發(fā)生剝落，使集料顆粒失去粘結作用.抗水損害即是指抵抗這種損害發(fā)生的能力[6-7].

文中以凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗對改性瀝青混合料的抗水損害性能進行評價，凍融劈裂試驗結果見圖2，浸水馬歇爾試驗結果見圖3.

圖2 凍融劈裂試驗結果柱狀圖

由圖2可知，對于酸性集料(選花崗巖為代表)，界面改性劑(油溶性、水溶性)能不同程度的提高瀝青混合料劈拉強度值(劈拉強度值越大，瀝青混合料抗水損害能力越強)；隨著改性劑(油溶性、水溶性)劑量的增加，凍融前后的瀝青混合料劈拉強度不斷提高(相對于0%瀝青混合料)；界面改性劑(油溶性、水溶性)對瀝青混合料的劈拉強度比改善效果不明顯，高粘高彈改性瀝青混合料凍融劈拉強度比略高于0%瀝青混合料凍融劈拉強度比(劈拉強度比越大，瀝青混合料抗水損害能力越強).

圖3 浸水馬歇爾試驗結果柱狀圖

由圖3可知，對于酸性集料(選花崗巖為代表)，界面改性劑(油溶性、水溶性)能不同程度的提高瀝青混合料穩(wěn)定度(穩(wěn)定度越大，瀝青混合料抗水損害能力越強)；隨著改性劑(油溶性、水溶性)劑量的增加，未浸水馬歇爾與浸水馬歇爾穩(wěn)定值度不斷提高(相對于0%瀝青混合料)；0.6%油溶性界面改性劑和0.6%水溶性改性劑穩(wěn)定度提高效果最明顯(0.6%油溶性改性劑：未浸水馬歇爾穩(wěn)定度提高30.56%，浸水馬歇爾穩(wěn)定度提高32.17%；0.6%水溶性改性劑：未浸水馬歇爾穩(wěn)定度提高30.25%，浸水馬歇爾穩(wěn)定度提高31.42%)；高粘高彈改性瀝青混合料未浸水馬歇爾穩(wěn)定度提高19.05%，浸水馬歇爾穩(wěn)定度提高19.00%.

界面改性劑(油溶性、水溶性)能不同程度的提高瀝青混合料殘留穩(wěn)定度(殘留穩(wěn)定度越大，瀝青混合料抗水損害能力越強)；界面改性劑(油溶性、水溶性)添加劑量為0.3%的瀝青混合料殘留穩(wěn)定度大于添加劑量為0.6%的瀝青混合料；0.3%水溶性改性劑瀝青混合料殘留穩(wěn)定度提高程度最明顯(提高2.75%，相對于0%瀝青混合料).高粘高彈改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度值略高于0%瀝青混合料.

3.3 抗疲勞性能分析評價

疲勞開裂開始大都是形成細而短的橫向開裂，繼而逐漸擴展成網(wǎng)狀，開裂的寬度和范圍不斷擴大.如果抗疲勞開裂能力差，則路面的使用壽命將大大縮短[8].

文中以瀝青混合料四點彎曲疲勞壽命試驗對改性瀝青混合料的抗疲勞性能進行評價，試驗結果見表7.

表7 四點彎曲疲勞試驗數(shù)據(jù)

由表7可知，對于酸性集料(選花崗巖為代表)，上述兩種界面改性劑(油溶性、水溶性)能不同程度的提高瀝青混合料疲勞性能；300，400，600 μm的應變水平試驗，在相同的應變水平下，隨著改性劑(油溶性、水溶性)劑量的增加，瀝青混合料的疲勞壽命和累計耗散能不斷增大，瀝青混合料的初始勁度模量略有增加(相對于0%瀝青混合料)；疲勞壽命指標能直接反應瀝青混合料的抗疲勞性能，疲勞壽命越大，抗疲勞性能越強；累計耗散能間接的反應瀝青混合料的抗疲勞性能，混合料的累計耗散能越大，發(fā)生疲勞破壞需要更大累計損傷，從而證明瀝青混合料的抗疲勞性能越好.

4 結 論

1) 文中的兩種界面改性劑(油溶性、水溶性)通過對接于拌合樓的大型薄膜改性系統(tǒng)對集料表面改性，此改性工藝增加了改性劑的比表面積，使改性劑充分均勻的覆蓋于石料表面，避免了改性劑的浪費，從而最大限度的提高集料-瀝青界面強度.

2) 界面改性劑(油溶性、水溶性)能不同程度的提高瀝青混合料抗車轍能力.0.6%油溶性界面改性劑與0.3%水溶性界面改性劑提高效果最為明顯(分別提高38.56%和38.41%)，與高粘高彈改性瀝青混合料抗車轍能力相當(提高36.7%).

3) 界面改性劑(油溶性、水溶性)能不同程度的提高瀝青混合料抗水損害能力.隨著改性劑(油溶性、水溶性)劑量的增加，瀝青混合料的劈拉強度和殘留穩(wěn)定度不斷提高；0.6%水溶性界面改性劑和0.6%油溶性界面改性劑對瀝青混合料的抗水害能力提高程度最明顯.

4) 界面改性劑(油溶性、水溶性)能不同程度的提高瀝青混合料的抗疲勞性能.在相同應變的水平下.隨著改性劑量的增加，瀝青混合料的抗疲勞性能不斷提高.

[1] 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].長安大學學報，2005(25):16-20.

[2] 許云.瀝青混合料中摻入不同抗剝落劑性能的研究[J].中外公路，2009(29):246-248.

[3] 陳應才.抗剝落劑對瀝青混合料性能作用的分析[J].建筑與發(fā)展，2009(1):55-58.

[4] 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.

[5] 中華人民共和國行業(yè)標準. 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程:JTG E20—2011[S]. 北京: 人民交通出版社, 2000.

[6] 徐霈. 基于分子動力學的瀝青與集料界面行為虛擬實驗研究[D].西安:長安大學,2013.

[7] 鄭曉光,呂偉民.瀝青路面水損害評價方法探究[J].石油瀝青，2004(3):589-595.

[8] 虞將苗.瀝青混合料疲勞性能研究[D].廣州：華南理工大學，2017.

Effect of Aggregate-asphalt Interface Modifier and Modification Technology on Pavement Performance of Asphalt Mixture

YANGPing1)YUJiangmiao2)ZHANGBaocai3)ZHANGDongying4)LIUHan3)TANGFeng2)ZHAOPeiquan4)XUDongdong4)

(CRECPearlRiverDeltaInvestmentDevelopmentCompany,Guangzhou510640,China)1)(SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)2)(No.3ConstructionCompanyofChinaRailwayNo.10EngineeringGroup,Hefei230088,China)3)(ChinaRailwayTenthGroupNorthwestEngineeringCo.Ltd.,Xian410000,China)4)

Considering the defect of poor adhesion between acidic aggregate and asphalt, the interface modifier and membrane modification technology are studied to improve the asphalt mixture’s weakest link (interface of aggregate and asphalt), with the purpose of improving the pavement performance of asphalt mixture. The results of research show that the interface modifier can be adhered to the surface of the aggregate by the process of membrane modification, creating physical and chemical reaction with the aggregate and asphalt. The pavement performance of asphalt mixture is improved comprehensively (high temperature performance, anti-water damage performance and anti-fatigue performance).

interface modifier; membrane modification process; pavement performance

U414

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.029

2017-09-31

楊平(1973一)：男，高級工程師，主要研究領域為市政工程、公路工程項目管理及施工技術研究

*國家自然科學基金面上項目(51678251)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助重點項目 (2015ZZ074)、2017年科技發(fā)展專項資金項目(2017A010103036)資助