酸性集料與瀝青粘附性能試驗研究

魏道凱 尹 斌 文海東

（1.山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261206；2.日喀則市交通運輸局，西藏 日喀則 867000；3.山東省交通運輸行業(yè)公路工程材料教學(xué)研究實驗室，山東 濰坊 261206）

瀝青路面廣泛應(yīng)用于城市交通系統(tǒng)，具有良好的力學(xué)性能和路用性能，行車舒適性高、養(yǎng)護維修簡單。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，高速公路、市政道路對瀝青集料的要求也越來越高。瀝青混凝土集料主要為石灰?guī)r、玄武巖等堿性集料，由于供應(yīng)不足，影響了道路建設(shè)的進度和成本。酸性集料具有強度高、耐磨性好、抗磨耗性能優(yōu)異等特點。但酸性集料與瀝青黏附性差，容易導(dǎo)致酸性集料表面瀝青剝落，從而影響酸性集料路用性能，限制酸性集料的應(yīng)用。因此，采用合理的方法改善酸性集料與瀝青的黏附性能是提高集料供應(yīng)的重要措施。目前，主要是通過改性劑改善酸性集料與瀝青的粘附性能，但往往需要專用設(shè)備來改善。部分研究采用直接投入改性劑改善酸性集料的性能以達到改性的目的，雖然減少了改性瀝青的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，但也存在混合料改性不均勻的問題。為了解決上述問題，本文提出了一種基于油溶性、水溶性的液體界面改性劑，通過霧化設(shè)備對加熱的酸性集料表面進行改性，經(jīng)改性劑溶劑揮發(fā)后，沸點較高的溶質(zhì)固化附著于酸性集料表面，形成微米級薄膜，可顯著提高酸性集料與瀝青的粘附性能。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

（1）采用油溶性、水溶性界面改性劑，主要成分為樹脂、溶劑、固化劑、穩(wěn)定劑、偶聯(lián)劑和抗氧化劑等。其中，偶聯(lián)劑可與有機材料、無機材料結(jié)合，提高酸性集料與瀝青的黏附性能。固化劑與樹脂結(jié)合、固化，可增強界面劑薄膜的力學(xué)強度。穩(wěn)定劑可提高界面改性劑的穩(wěn)定性。

（2）本試驗選用花崗巖酸性集料，粒徑為9.5～13.2mm，石料加熱與攪拌的溫度為180℃，攪拌時間為45s。

1.2 試驗方法

本試驗采用電鏡掃描試驗、動態(tài)剪切流變試驗和抗拔試驗。

（1）電鏡掃描試驗是通過電鏡掃描酸性集料表面改性前后的變化情況。

（2）動態(tài)剪切流變試驗是觀察SIS改性瀝青與6%劑量的界面改性劑混合后滯后角與車轍的試驗數(shù)據(jù)。

（3）抗拔試驗是通過PosTest AT-A拉拔儀測試酸性集料與瀝青的粘附強度，觀察瀝青膜拉長后的破壞情況，并以瀝青膜薄弱處破壞時的應(yīng)力值作為酸性集料與瀝青的粘附強度。為便于觀察和測量抗拔試驗結(jié)果，在進行抗拔試驗時，制作了30mm×30mm×5mm的試塊，將截面改性劑均涂于試塊表面，涂抹劑量分別為石塊質(zhì)量的0.3%、0.6%、0.8%，165℃環(huán)境下養(yǎng)護2h，然后涂抹SBS改性瀝青，瀝青涂抹厚度均為0.5mm。涂抹瀝青后，將拉拔頭粘附在改性瀝青上，常溫養(yǎng)護24h后進行拉拔試驗。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 改性界面劑黏附性能改善分析

通過拉拔試驗獲得了酸性集料與瀝青的黏附性能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨改性界面劑涂抹量的增加，黏附性能增強。通過油溶性改性界面劑與水溶性改性界面劑的對比試驗，發(fā)現(xiàn)油溶性改性界面劑劑量在0.6%和0.8%時，抗拔強度差異較小，但均高于0.3%劑量（見圖1），說明油溶性改性界面劑劑量在0.6%以后繼續(xù)增加劑量對界面強度影響不大。水溶性改性界面劑劑量低于0.3%時，其界面強度沒有明顯改善。但劑量超過0.3%時，界面強度明顯增強，且隨界面劑用量的增加，強度上升，但界面強度仍低于高黏高彈改性瀝青。根據(jù)抗拔試驗結(jié)果分析，在改性界面劑劑量相同的情況下，油溶性改性界面劑性能優(yōu)于水溶性改性界面劑。

圖1 酸性集料與瀝青改性強度分析

2.2 改性界面劑改性機理研究

2.2.1 電鏡掃描結(jié)果分析

①通過對酸性集料與瀝青改性后集料表面和化學(xué)元素含量進行分析，油溶性改性界面劑在酸性集料表面形成致密薄膜，充當(dāng)了酸性集料與瀝青界面的粘合劑。在對酸性集料化學(xué)元素含量進行分析時，未改性的酸性集料化學(xué)元素主要為O和Si，質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比分別為50.62%、14.37%，原子數(shù)分?jǐn)?shù)為66.96%、10.83%。油溶性改性界面劑化學(xué)元素主要為C和O，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75.08%、15.94%，原子數(shù)分?jǐn)?shù)為83.15%、13.21%。經(jīng)油性改性界面劑改性后，酸性集料化學(xué)元素中C、O、Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.27%、38.55%和7.89%，原子數(shù)分?jǐn)?shù)為46.64%、39.38%和4.59%。經(jīng)改性的酸性集料O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于未改性集料與改性界面劑之間，且隨著油溶性改性界面劑的增加，酸性集料中C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，表明酸性集料與油溶性改性界面劑充分結(jié)合，酸性集料力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。

②深入研究酸性集料改性機理的主要原因是改性界面劑中偶聯(lián)劑水解形成-OH鍵，經(jīng)霧化裝置噴射在經(jīng)加熱的酸性集料表面，溶劑受熱蒸發(fā)，偶聯(lián)劑中的-OH鍵與酸性集料表面的-OH鍵結(jié)合產(chǎn)生脫水縮合反應(yīng)，形成了穩(wěn)定的共價鍵-O-。同時，固化劑與樹脂等助劑強化了薄膜力學(xué)強度，從而形成了穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。

③當(dāng)改性的酸性集料與瀝青結(jié)合時，酸性集料表面的改性界面劑薄膜與瀝青黏結(jié)，形成界面過渡層，經(jīng)高溫熔合、滲透和擴散，酸性集料表面薄膜與瀝青形成了無明顯分解的膠結(jié)材料。該膠結(jié)材料為強極性表面活性物質(zhì)，與普通瀝青相比，該材料與集料吸附作用更強，從而使單一的雙相單界面改變?yōu)槿嚯p界面，即酸性集料-瀝青界面改變?yōu)樗嵝约?改性界面劑-瀝青，且通過改性界面劑的揮發(fā)作用，分別與酸性集料、瀝青之間產(chǎn)生物理-化學(xué)交互作業(yè)，增強了酸性集料與瀝青的粘附強度。

2.2.2 動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果分析

①滯后角指標(biāo)體現(xiàn)了材料黏彈性能，即材料在加載和應(yīng)變響應(yīng)后的滯后性。完全黏性材料滯后角為0°、完全彈性材料滯后角為90°，因此，滯后角越小，說明該材料性能越接近于彈性，反之則表明材料為粘性。通過動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果分析，經(jīng)高溫加熱后，瀝青滯后角逐漸由彈性轉(zhuǎn)為黏性，當(dāng)溫度大于64℃時，瀝青滯后角增速加快（見圖2），其黏性不斷上升。在相同溫度條件下，經(jīng)改性界面劑改性后的瀝青滯后角比未改性的瀝青滯后角小，且改性界面劑劑量不同，滯后角變化特性也不同。當(dāng)溫度較高時，經(jīng)改性后的瀝青滯后角與未改性的瀝青滯后角差異最大，且經(jīng)6%、10%劑量油溶性改性界面劑改性后的瀝青滯后角指標(biāo)均低于未改性的瀝青滯后角，表明改性界面劑不僅能改善酸性集料與瀝青的黏附性能，還能改善瀝青的彈性，避免瀝青在高溫條件下因彈性下降而形成永久累積變形，從而提高瀝青混合料的抗車轍性能。

圖2 改性界面劑對酸性集料與瀝青滯后角的影響

②依據(jù)SHRP瀝青結(jié)合料規(guī)范提出的瀝青混合料設(shè)計方法，可使用車轍因子反映瀝青混合料的高溫性能，且車轍因子與混合料高溫性能呈正相關(guān)關(guān)系。溫度越高，車轍因子越低，混合料高溫性能下降（見圖3）；反之溫度較低時，車轍因子和高溫性能均提高。通過對比未添加改性界面劑、高黏高彈瀝青和6%、10%改性界面劑對混合料車轍因子的影響，在相同溫度條件下，未添加改性界面劑的混合料車轍因子隨溫度升高而明顯上升，高黏高彈瀝青和改性后的瀝青與其相同，但不同材料、不同劑量的改性界面劑車轍因子存在明顯差異。其中，未改性瀝青混合料的車轍因子最低，高彈高黏改性瀝青車轍因子最高，添加6%和10%水溶性改性界面劑的瀝青混合料車轍因子略高于未改性混合料，添加油溶性改性界面劑的瀝青混合料高于添加水溶性改性界面劑的瀝青混合料。由此可見，水溶性改性界面劑和油溶性改性界面劑均能提高車轍因子和瀝青混合料的高溫性能，并且油溶性改性界面劑性能明顯優(yōu)于水溶性改性界面劑。

圖3 改性界面劑對酸性集料與瀝青車轍因子的影響

3 結(jié)語

經(jīng)本試驗研究表明：

（1）改性界面劑能夠?qū)崿F(xiàn)酸性集料改性，通過物理-化學(xué)反應(yīng)在酸性集料表面形成偶聯(lián)劑薄膜，充當(dāng)酸性集料與瀝青的黏結(jié)界面，并形成致密、黏附性能良好的膠結(jié)材料，提高了酸性集料與瀝青的黏附性能和彈性性能。

（2）通過電鏡掃描試驗，改性界面劑能夠?qū)⑺嵝约?瀝青的雙相單界面變?yōu)槿嚯p界面，提高了酸性集料與瀝青的黏附強度。

（3）通過動態(tài)剪切試驗研究，改性界面劑能改善瀝青混合料的高溫性能，減少瀝青混合料在高溫環(huán)境下的累積變形，提高瀝青混合料的路用性能。

（4）經(jīng)本試驗研究得出，在道路工程中可通過添加改性界面劑來改善酸性集料與瀝青的黏附性能，且油溶性改性界面劑效果明顯優(yōu)于水溶性改性界面劑。