硅烷偶聯(lián)劑對半柔性路面材料性能增強機理研究

程培峰,馬廣濤,張展銘,李藝銘

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

灌入式半柔性路面特指將水泥基灌漿料灌入大空隙瀝青混合料中而形成的一種剛?cè)岵穆访娌牧蟍1]。其最早起源于法國, 1954年法國在Cognac機場跑道上進行了半柔性路面的試鋪。隨后,英國、美國以及前蘇聯(lián)等國家對半柔性路面的性能等繼續(xù)進行深入研究,研究表明,半柔性路面可以提高路面的高溫穩(wěn)定性并延長路面的使用壽命。

由于半柔性路面材料屬于復(fù)合材料,當(dāng)水泥基灌漿材料注入瀝青混凝土骨架后,半柔性路面的性能受到水泥-瀝青結(jié)合界面強度的影響。周亮等[2]分析了半柔性路面的破壞形態(tài),指出半柔性路面的破壞通常發(fā)生在水泥與瀝青界面以及水泥本身的破壞;張曉燕等[3]研究發(fā)現(xiàn),陽離子水泥瀝青(cement asphalt,CA)灌漿材料可顯著提高半柔性路面材料低溫性能,而陰離子CA灌漿材料對半柔性路面材料的低溫性能改善作用不顯著。

筆者通過在水泥砂漿中添加硅烷偶聯(lián)劑作為界面優(yōu)化劑來改善水泥-瀝青界面,并通過不同摻量下半柔性材料的性能改善情況,確定硅烷偶聯(lián)劑的最佳摻量,并在最佳摻量基礎(chǔ)上,基于界面優(yōu)化原理,分析了硅烷偶聯(lián)劑作為界面優(yōu)化劑對半柔性材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響規(guī)律,以期為改善半柔性路面的應(yīng)用性能以及擴展其應(yīng)用空間提出技術(shù)依據(jù)。

1 試驗原材料

1.1 瀝 青

試驗所用瀝青采用SBS-I-C改性瀝青,瀝青基本物理性能如表1。

表1 SBS-I-C改性瀝青的性能技術(shù)指標(biāo)Table 1 Performance and technical indexes of SBS-I-C modified asphalt

1.2 水 泥

試驗采用普通42.5硅酸鹽水泥,按照《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》[4]對各技術(shù)指標(biāo)進行檢測,結(jié)果均滿足要求,具體試驗結(jié)果如表2。

1.3 硅烷偶聯(lián)劑

試驗選用KH-550型硅烷偶聯(lián)劑,化學(xué)組成為r-氨丙基三乙氧基硅烷,具體指標(biāo)如表3。

表3 KH-550型硅烷偶聯(lián)劑主要技術(shù)指標(biāo)Table 3 Main technical indexes of KH-550 silane coupling agent

2 試件配合比設(shè)計及試件制備工藝

2.1 試件配合比設(shè)計

2.1.1 基體瀝青混合料配合比設(shè)計

試驗級配選用SFAC-13(灌注式半柔性路面基體瀝青混合料),級配組成如表4,所用的粗細集料采用玄武巖,礦粉采用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r礦粉。

表4 SFAC-13 瀝青混合料級配Table 4 Asphalt mixture gradation of SFAC-13

2.1.2 基體瀝青混合料技術(shù)性能

基體混合料的最佳瀝青用量采用謝倫堡析漏和肯塔堡飛散試驗確定為4.2%,最佳油石比為4.4%,其主要技術(shù)性能指標(biāo)如表5。

表5 基體瀝青混合料主要技術(shù)指標(biāo)Table 5 Main technical indexes of matrix asphalt mixture

2.1.3 硅烷偶聯(lián)劑摻量設(shè)計

對于硅烷偶聯(lián)劑,筆者采用直接加入法,即將KH-550型硅烷偶聯(lián)劑直接加入水泥基灌漿材料之中,通過預(yù)試驗確定最終試驗摻量為水泥質(zhì)量的0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%,呈梯度遞增趨勢。

2.1.4 水泥基灌漿材料配合比設(shè)計及灌漿量的確定

通過正交試驗確定了水泥基灌漿材料的水灰比。其中硅烷偶聯(lián)劑摻量按外摻計,并按照《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應(yīng)用技術(shù)指南》要求,確定UEA膨脹劑(u-type expansive agent for concrete)及河砂質(zhì)量,最終確定的具體配比見表6。

表6 水泥基灌漿料配合比及技術(shù)參數(shù)Table 6 Mix proportion and technical parameters of cement based grouting materials

選定水泥基灌漿料配合比后,在此基礎(chǔ)上對不同硅烷偶聯(lián)劑摻量下水泥基灌漿料的技術(shù)參數(shù)進行測試,具體結(jié)果見表7。表7中各項技術(shù)參數(shù)符合《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》[4]。

表7 不同硅烷偶聯(lián)劑摻量下水泥基灌漿料技術(shù)參數(shù)Table 7 Technical parameters of cement-based grouting materials with different silane coupling agent dosages

基于文獻[5],以連通空隙率為標(biāo)準(zhǔn)進行試件灌漿量的研究。采用各平行試件的平均值計算,即連通空隙率為22.3%,馬歇爾試件高度、直徑分別為63、101.6 mm,灌漿前試件質(zhì)量為961 g,膠漿密度取1.84 g/cm3,因此不同硅烷偶聯(lián)劑摻量下灌漿試驗結(jié)果見表8。

表8 水泥基灌漿料灌漿灌注量情況Table 8 Grouting volume of cement-based grouting material

由表8可以看出,實際灌漿量在不同摻量的情況下均大于理論灌漿量。為保證灌漿效果以及最大程度控制因灌漿材料多少導(dǎo)致灌漿結(jié)果出現(xiàn)差異,最終選定實際灌漿量為300 g。

2.2 試件制備工藝

2.2.1 水泥基灌漿材料制備

按照所確定的最佳水灰比制備灌漿材料。灌漿材料制備工藝:用水泥砂漿攪拌機攪拌,加入固體灌漿材料慢攪不少于1 min,加入液體灌漿材料快攪不少于4 min,試驗溫度為25 ℃。

2.2.2 基體瀝青混合料制備

分別采用擊實法和輪碾法成型基體瀝青混合料,擊實法采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,雙面擊實50次成型;輪碾法采用輪碾成型機制備。

2.2.3 灌注及養(yǎng)生工藝

采用振動臺“振動下滲法”[4]進行灌注。

制備步驟如下:

1)對于馬歇爾試件,冷卻至室溫后用塑料膠帶和保鮮膜將試件的側(cè)面及底面封死,直立放置于水泥振動臺中心點。對于車轍試件,在不脫模的情況下冷卻至室溫,放置于水泥振動臺中心點。

2)將制作好的灌漿料由基體瀝青混合料邊緣向中心澆筑,澆筑過程中應(yīng)邊振動邊澆筑,保證基體瀝青混合料灌注充分、密實。

3)待基體瀝青混合料表面溢出水泥基漿體,且灌漿材料不再下滲時,關(guān)閉振動臺,并用橡皮刮刀刮平、刮除試件頂面多余的灌漿材料,直至漏出粗集料為止。

4)將灌漿完成的試件在溫度20±2 ℃、相對濕度大于95%的條件下分別養(yǎng)護1、3、7、28 d。

試件灌漿效果如圖1。

圖1 試件灌漿效果Fig. 1 Grouting effect of specimen

3 硅烷偶聯(lián)劑改善半柔性路面材料路用性能分析

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度

馬歇爾穩(wěn)定度(MS)作為瀝青路面早期的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)之一,能夠在一定程度上反映瀝青混合料的抗變形能力,試驗結(jié)果如圖2。

圖2 不同硅烷偶聯(lián)劑摻量下的馬歇爾試驗結(jié)果Fig. 2 Marshall test results with different silane coupling agent dosage

馬歇爾試驗是瀝青混合料配合比設(shè)計的主要試驗[6]。由圖2可知,所制試件均滿足規(guī)范要求,隨著硅烷偶聯(lián)劑摻量的增加,不同養(yǎng)護時間下的半柔性路面混合料MS呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定的趨勢。在養(yǎng)護時間為7 d時,半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度由18.72 kN增長到22.62 kN,并在摻量為0.5%左右到達峰值,相較于未摻加硅烷偶聯(lián)劑的試件提升了20.83%,說明摻加硅烷偶聯(lián)劑能夠大幅度提高半柔性路面的力學(xué)性能。

3.2 高溫穩(wěn)定性

半柔性路面的高溫穩(wěn)定性通常采用動穩(wěn)定度(DS)來表征,反映高溫抗車轍的能力。動穩(wěn)定度試驗結(jié)果如圖3。

圖3 不同硅烷偶聯(lián)劑摻量下的動穩(wěn)定度Fig. 3 Dynamic stability with different silane coupling agent dosage

由圖3可知,不同養(yǎng)護時間下各組半柔性路面材料的動穩(wěn)定度隨摻量變化趨勢基本相同,即高于0.3%的硅烷偶聯(lián)劑可明顯的提高半柔性路面的動穩(wěn)定性,從而提高半柔性路面的高溫穩(wěn)定性。在養(yǎng)護時間為7 d時,隨著硅烷偶聯(lián)劑摻量的增加,DS的變化趨勢并不呈現(xiàn)線性增長,在摻量為0.5%時到達峰值。此時DS為14 808.03次/mm,相比未摻加硅烷偶聯(lián)劑的試件,DS提高了22.00% ,但在摻量到達0.7%時,與摻量為0.5%時相比,DS下降。由此表明,對于半柔性路面,硅烷偶聯(lián)劑摻量并不是越多越好,摻量過多導(dǎo)致高溫穩(wěn)定性下降。

3.3 低溫抗裂性

對于半柔性路面材料低溫性能的評價,目前仍沿用普通瀝青混合料的評價方法,即以-10 ℃彎曲試驗的破壞應(yīng)變作為低溫性能評價指標(biāo),試驗結(jié)果如圖4。

圖4 不同硅烷偶聯(lián)劑摻量下的彎拉應(yīng)變Fig. 4 Flexural strain with different silane coupling agent dosage

由圖4可知,對于不同養(yǎng)護時間下的半柔性路面材料,隨養(yǎng)護時間增長,彎拉應(yīng)變也不斷增加。在7 d養(yǎng)護條件下,隨著硅烷偶聯(lián)劑摻量的增加,彎拉應(yīng)變先增加后下降,摻量為0.5%時達到峰值,增幅達43.84%。由此說明,一定摻量的硅烷偶聯(lián)劑能夠顯著提高半柔性路面材料的低溫性能。

3.4 水穩(wěn)定性

研究發(fā)現(xiàn),浸水馬歇爾試驗評價半柔性路面水穩(wěn)定性能存在一定局限性,主要表現(xiàn)為殘留穩(wěn)定度高于100%[7],因此采用凍融劈裂試驗測定半柔性路面的水穩(wěn)定性,結(jié)果如圖5。

圖5 不同硅烷偶聯(lián)劑摻量下的凍融劈裂強度比Fig. 5 Freeze-thaw splitting strength ratio with different silane coupling agent dosage

由圖5可知,根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求,試件灌漿成型后,凍融劈裂強度比TSR≥80%,對于養(yǎng)護時間大于1 d的不同摻量試件均滿足要求。隨著硅烷偶聯(lián)劑摻量的增加,半柔性路面的TSR呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,并在摻量為0.5%左右到達峰值。養(yǎng)護7 d摻量為0.5%時TSR為93.42%,對比空白對照組的TSR (84.93%)提升了10.00%,說明硅烷偶聯(lián)劑增強了基體瀝青混合料以及水泥基灌漿材料的黏結(jié)性,有效提高了水泥-瀝青界面的穩(wěn)定性,阻礙了水對半柔性路面材料的剝離侵蝕作用。

3.5 硅烷偶聯(lián)劑最佳摻量確定

研究表明,與未摻加硅烷偶聯(lián)劑的半柔性路面材料(普通半柔性材料)相比,摻加了硅烷偶聯(lián)劑可顯著提高半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變及凍融劈裂強度比,說明一定摻量的硅烷偶聯(lián)劑對半柔性路面的力學(xué)及路用性能具有顯著的改善效果,且存在最佳摻量。同時由圖2～圖5可知,養(yǎng)護時間對半柔性路面混合料路用性能有著較大影響。隨著養(yǎng)護時間增長,半柔性路面混合料路用性能呈現(xiàn)不斷增長趨勢,1～7 d為路用性能高速增長期;7～28 d以后,路用性能仍呈現(xiàn)增長趨勢但增長速率變低。

隨著硅烷偶聯(lián)劑摻量的增加,半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變及凍融劈裂強度比均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,0.5%摻量為其拐點。摻量過多在經(jīng)濟成本提高的同時使其強度下降,故最終確定硅烷偶聯(lián)劑的最佳摻量為0.5%。

4 硅烷偶聯(lián)劑改善半柔性路面材料路用性能機理研究

4.1 化學(xué)機理

硅烷偶聯(lián)劑是一種能夠同時與有機材料與無機材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的特殊物質(zhì),可與復(fù)合材料之間形成化學(xué)鍵[8-9],從而在無機材料與有機材料之間架起橋梁,將2種不同化學(xué)結(jié)構(gòu)類型及親和力相差很大的材料在表面連接起來,其作用機理被普遍認同的是化學(xué)鍵合理論[8]。同時硅烷偶聯(lián)劑在進行偶聯(lián)時可發(fā)生水解反應(yīng)、縮合反應(yīng)、氫鍵形成反應(yīng)、共價鍵形成反應(yīng)等。美國學(xué)者B.ARKLES[10]對此提出4種反應(yīng)模式,即硅烷水解反應(yīng)、硅醇縮合反應(yīng)、氫鍵形成反應(yīng)和共價鍵形成反應(yīng)。其反應(yīng)主要過程表達式如圖6。

圖6 硅烷偶聯(lián)劑化學(xué)反應(yīng)過程Fig. 6 Chemical reaction process of silane coupling agent

將硅烷偶聯(lián)劑運用在半柔性路面結(jié)構(gòu)中,其特有結(jié)構(gòu)使水泥-瀝青接觸面之間形成鍵合,使其界面穩(wěn)定度及強度增加。分析試驗結(jié)果可知:當(dāng)摻量較少時,其水解生成的共價鍵不足以在水泥基灌漿材料表面形成單分子層,導(dǎo)致水泥-瀝青接觸面未形成穩(wěn)定的鍵合,整體強度較低;摻入最佳用量的硅烷偶聯(lián)劑恰好能使水泥基灌漿材料表面形成單分子層,從而達到最佳改性效果;當(dāng)摻量過多時,其親無機分子的極性基團與水泥顆粒充分結(jié)合,但同時所含有的過量的氨基官能團硅烷背離水泥顆粒指向外側(cè),導(dǎo)致水泥基材料顆粒表面呈現(xiàn)憎水性,阻止水分子進入水泥顆粒表面,從而對水泥基灌漿材料的水化起到抑制作用,導(dǎo)致水泥水化受阻,對強度造成負面影響。故在半柔性路面材料中摻加適量的硅烷偶聯(lián)劑,發(fā)揮偶聯(lián)作用,促進界面融合,有效改善瀝青-水泥接觸界面的黏結(jié)條件,從而提高材料整體性能[11]。

4.2 基于界面改性原理的硅烷偶聯(lián)劑改性機理

4.2.1 灌注率計算

筆者采用養(yǎng)護7 d的半柔性路面材料灌漿前后連通孔隙率的變化以及灌注率表征水泥基灌漿材料灌注情況,從而定量表征水泥-瀝青界面情況。半柔性路面材料的連通孔隙率與灌注率的測定方法按《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》[4]規(guī)定測定,具體計算方法如式(1)～式(3):

連通空隙率應(yīng)按式(1)、式(2)計算:

(1)

(2)

式中:Vm為混合料和封閉空隙的體積,cm3;ma為干燥試件的空中質(zhì)量,g;mw為試件的水中質(zhì)量,g;ρw為25 ℃時水的密度,g/cm3,取ρw=0.997 1 g/cm3;Pc為連通空隙率,%;V為試件的體積,cm3。

灌注率應(yīng)按式(3)計算:

(3)

式中:Pr為灌注率,%;Pc為灌注前的連通空隙率,%;P′c為灌注后的連通空隙率,%。

以硅烷偶聯(lián)劑摻量為變量,每組摻量進行3組試驗并控制半柔性路面材料灌注前孔隙率為22.3%±0.2%以內(nèi),養(yǎng)護7 d后進行試驗,試驗數(shù)據(jù)取平均值后具體結(jié)果見圖7。

圖7 不同硅烷偶聯(lián)劑摻量下灌注前后連通空隙率變化以及灌注率Fig. 7 Changes in connectivity porosity and perfusion rate before and after perfusion under different amounts of silane coupling agent

由圖7可知,未摻加硅烷偶聯(lián)劑時灌注率最小,最小灌注率為85.7%,大于《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》[4]所規(guī)定的灌注率(85%)。在控制灌注前連通孔隙率誤差的情況下,半柔性路面材料的灌注率隨著硅烷偶聯(lián)劑摻量的增加,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在硅烷偶聯(lián)劑摻量為0.5%時到達峰值,峰值為94.6%。由此可見,隨著硅烷偶聯(lián)劑的加入,半柔性路面材料的灌漿量不斷變化。

在宏觀角度上,由于硅烷偶聯(lián)劑摻量的不同,水泥基灌漿材料的流動性等性能存在較大差異,從而導(dǎo)致灌注效果的不同;在微觀角度,由于硅烷偶聯(lián)劑的摻加,使水泥-瀝青接觸界面更加緊密,可灌注率增大,導(dǎo)致其灌注量存在不同,也表征著水泥基灌漿材料與瀝青混凝土骨架之間的連接更加緊密;同時灌注率的變化規(guī)律與路用性能變化規(guī)律高度近似,也能側(cè)面體現(xiàn)水泥-瀝青界面的性能可影響半柔性路面材料宏觀性能。

4.2.2 定性分析

同時針對半柔性路面材料特有的水泥-瀝青界面,筆者采用高拍儀等儀器,對界面改性前后的半柔性材料的水泥-瀝青界面進行觀察,結(jié)果如圖8。圖8中黑色部分為瀝青,灰白色部分為已經(jīng)硬化的水泥基灌漿材料。

圖8 半柔性材料微觀結(jié)構(gòu)Fig. 8 Microscopic structure of semi-flexible material

從圖8(a)可以看出,對于未摻加硅烷偶聯(lián)劑進行界面改性的試件,水泥-瀝青界面粗糙,水泥邊緣凹凸不平,棱角分明,同時水泥與瀝青的交界處有一個連貫而穩(wěn)定的平裂縫,這說明未摻加硅烷偶聯(lián)劑的試件水泥與瀝青之間的連接不穩(wěn)定,即水泥-瀝青界面穩(wěn)定性較差。從圖8(b)可以看出,對于摻加最佳摻量的硅烷偶聯(lián)劑的試件,水泥與瀝青的連接較緊密,水泥表面比較平整,界面邊緣的水泥用瀝青包裹與瀝青形成良好的連接。界面處的瀝青與水泥形成一個整體,沒有產(chǎn)生明顯的裂縫。這說明硅烷偶聯(lián)劑確實在兩者之間起到偶聯(lián)作用,從而提高了半柔性材料中的水泥-瀝青界面的融合程度和穩(wěn)定性。對比性能試驗結(jié)果可認為,硅烷偶聯(lián)劑通過對水泥-瀝青界面微觀結(jié)構(gòu)的影響,從而改變半柔性材料的宏觀性能。

5 結(jié) 論

基于界面優(yōu)化原理分析半柔性路面的材料性能,并在此基礎(chǔ)上研究了不同摻量的硅烷偶聯(lián)劑對半柔性路面材料的路用性能改性作用以及作用機理,研究表明:

1)采用硅烷偶聯(lián)劑進行界面優(yōu)化的半柔性路面材料,在高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性上表現(xiàn)良好。并綜合分析各路用性能漲幅可知,硅烷偶聯(lián)劑對半柔性路面材料的低溫抗裂性提升較大。

2)硅烷偶聯(lián)劑改性半柔性路面材料存在最佳摻量(0.5%)。在最佳摻量基礎(chǔ)上半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變及凍融劈裂強度比的增幅分別為20.83%、22.00%、43.84%、10.00%。

3)硅烷偶聯(lián)劑對半柔性材料的水泥-瀝青界面有明顯的改性效果。在最佳摻量0.5%的情況下,其能夠大幅增加水泥基灌漿材料的灌注率,從85.7%增長為95.6%,增長了10.4%。通過微觀形態(tài)分析,硅烷偶聯(lián)的加入明顯加強了水泥基灌漿材料與瀝青混合料骨架之間的聯(lián)系,使水泥-瀝青界面穩(wěn)定性升高,界面趨于平整且無明顯裂縫。