酸性集料界面改性及對(duì)瀝青混合料性能影響的研究

軒 杰，耿九光

(1.河南省交通檢測(cè)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 451450；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710000)

0 引言

瀝青混合料中，瀝青與集料相連接的界面是其最重要的部分，且兩者的黏附強(qiáng)弱會(huì)直接影響瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫性和強(qiáng)度等一系列的重要性能[1-2]。目前，提高瀝青與集料界面強(qiáng)度的方法較多，主要有使用堿性集料、抗剝落劑或者采用高黏高彈的改性瀝青等措施[3-4]。

上述方法雖然在一定程度上可以增強(qiáng)集料與瀝青界面的強(qiáng)度，但同時(shí)也存在一定的不足。堿性集料雖然與瀝青有很好的黏附性，但往往其抗壓強(qiáng)度、耐磨耗性能較差，且堿性集料的大量使用導(dǎo)致石料資源越來(lái)越匱乏；而抗剝落劑的使用性能易受環(huán)境影響，同時(shí)抗剝落劑的熱穩(wěn)定性與耐久性也存在很大的質(zhì)疑；通過(guò)改性瀝青性能來(lái)增強(qiáng)瀝青與集料界面的黏附性方法需要專門(mén)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)瀝青進(jìn)行改性，且在使用過(guò)程中存在多次加熱老化的問(wèn)題[5]。

鑒于上述存在的問(wèn)題，本文提出一種新型的石料改性劑。其制作工藝簡(jiǎn)單、操作方便，通過(guò)霧化裝置向加熱的酸性集料表面噴灑，一邊攪拌集料一邊噴灑，使得改性劑中的溶劑在高溫下蒸發(fā)，而改性劑中的溶質(zhì)則固化于集料表面，形成一層致密的薄膜，從而增強(qiáng)集料與瀝青的黏附性。

1 原材料試驗(yàn)

1.1 瀝青

本試驗(yàn)研究所用的瀝青為西藏某公司提供的SBS-ⅠC改性瀝青，按照技術(shù)規(guī)范要求測(cè)試，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

本文所用的集料為當(dāng)?shù)睾勇咽ㄟ^(guò)篩選、清洗后經(jīng)過(guò)多級(jí)破碎的破碎卵石。破碎卵石為3檔，分別為：0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm，其破碎面指標(biāo)如表2所示，破碎效果較好。按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，如表3、表4所示。本試驗(yàn)用的礦粉與水泥指標(biāo)如表5、表6所示。

表2 破碎卵石破碎面含量檢測(cè)

表3 粗集料技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表4 細(xì)集料物理性能指標(biāo)

表5 礦粉物理性能指標(biāo)

表6 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.3 硅烷偶聯(lián)劑與環(huán)氧樹(shù)脂

硅烷偶聯(lián)劑采用東莞市康錦新材料科技有限公司生產(chǎn)的KH570型硅烷偶聯(lián)劑,硅烷偶聯(lián)劑是一種具有雙極性基團(tuán)的有機(jī)化合物,通過(guò)形成分子“橋”來(lái)改善基體與硅烷功能性化合物之間的相互作用。

環(huán)氧樹(shù)脂采用深圳市明德化工有限公司生產(chǎn)的E44環(huán)氧樹(shù)脂，無(wú)色透明，固化劑為650固化劑，淺黃棕色，兩者的配比為1∶1。

1.4 破碎卵石化學(xué)成分

本文對(duì)破碎進(jìn)行化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表7所示。

表7 破碎卵石化學(xué)成分

2 黏附性改善方案

由表7可知破碎卵石SiO2含量大于65%，為酸性石料，與瀝青的黏附性較差，需對(duì)其進(jìn)行黏附性改善處理。傳統(tǒng)的水煮法誤差較大，本文采用水浸法對(duì)破碎卵石與瀝青黏附性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究[6]。黏附性改善方案如表8所示。

表8 不同粘附性改善方案

為了對(duì)比試驗(yàn)研究，分別采用3種試驗(yàn)方案。其中表8中方案1未摻加其它改性試劑，方案2通過(guò)將水泥與石料混合來(lái)改善黏附性，其中水泥摻量為2%，方案3為采用硅烷偶聯(lián)劑與環(huán)氧樹(shù)脂組成的改性劑對(duì)破碎卵石表面進(jìn)行改性。方案3中使用的集料界面改性劑以無(wú)水乙醇為溶劑，其它試劑為溶質(zhì)，按照質(zhì)量比為mKH570硅烷偶聯(lián)劑：m環(huán)氧樹(shù)脂：m固化劑：m無(wú)水乙醇=20∶10∶10∶60配置而成。具體的使用方法為：將加熱的石料放入攪拌鍋內(nèi)，然后用噴霧裝置向石料中噴灑石料改性劑(占石料質(zhì)量的2.5%)，一邊噴灑一邊攪拌，使改性劑與石料能夠充分拌勻，在高溫下改性劑中的無(wú)水乙醇溶劑會(huì)揮發(fā)掉，最后使溶質(zhì)粘附在石料表面上，從而達(dá)到對(duì)石料改性目的。

將破碎卵石過(guò)篩，選取13.2～9.5 mm粒徑大小的集料烘干后備用。先將集料與水泥等攪拌均勻，再加瀝青攪拌，待瀝青均勻裹覆集料后取出集料顆粒放在玻璃板上，室溫下放置24 h，然后再放入80 ℃恒溫水槽中，通過(guò)不同的浸水時(shí)間與瀝青剝落評(píng)價(jià)瀝青與破碎卵石黏附性。黏附性結(jié)果如表9所示。

表9 黏附性試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知，隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，方案1剝落面積較大，黏附等級(jí)為四級(jí)，通過(guò)摻加水泥與改性劑后瀝青與破碎卵石的黏附性增強(qiáng)，剝落面積較少，黏附等級(jí)為五級(jí)。因此，通過(guò)改善措施處理后可以明顯提升破碎卵石與瀝青黏附性。

3 瀝青混合料設(shè)計(jì)與性能研究

3.1 瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

瀝青混合料設(shè)計(jì)需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件選用適宜的級(jí)配，本文采用AC-13Ⅰ型密級(jí)配。瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)如表10所示，合成級(jí)配如圖1所示。

圖1 AC-13合成級(jí)配

表10 AC-13瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

3.2 最佳油石比確定

按照經(jīng)驗(yàn)要求以0.5%為間隔，瀝青的用量選取為4.5%～6.5%。體積指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如表11所示，最佳瀝青用量下馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表12。

表11 破碎卵石試件體積指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

表12 瀝青混合料最佳瀝青用量馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.3 高溫性研究

高溫性能是瀝青混合料重要路用性能，本文采用相同級(jí)配進(jìn)行試件成型，試驗(yàn)結(jié)果如表13所示。

表13 不同試驗(yàn)方案高溫性能試驗(yàn)結(jié)果

從表13可知，3種方案對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響為方案3>方案2>方案1，集料界面改性劑可以明顯提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度。從表13可知，方案2比方案1動(dòng)穩(wěn)定度提高了4.9%，方案3比方案1動(dòng)穩(wěn)定度提高了10.0%。集料界面改性劑的摻入改變了破碎卵石表面的性質(zhì)，進(jìn)一步增強(qiáng)了界面之間的黏附性，宏觀上表現(xiàn)為提高了瀝青混合料的高溫性能。

3.4 水穩(wěn)定性研究

通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)混合料水穩(wěn)定性研究，規(guī)范要求的浸水殘留穩(wěn)定度≥80%，凍融劈裂強(qiáng)度比≥80%，按照規(guī)定要求進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果分別如表14、表15所示。

表14 瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度

表15 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

從表14可以看出，通過(guò)添加水泥與界面改性劑的殘留穩(wěn)定度比未采取改善措施分別提高了3.0%、6.7%，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的80%。說(shuō)明經(jīng)過(guò)改善后的破碎卵石與瀝青的黏附性較好。從表15得知，不同改善措施對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)的改善順序?yàn)椋悍桨?>方案2>方案1，且采用集料界面改性劑與水泥的TSR比SBS改性瀝青提高了20.8%與6.9%，最高高出規(guī)范要求80%的13個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)果表明。采用集料界面改性劑可以增強(qiáng)集料與瀝青界面的強(qiáng)度，提高破碎卵石瀝青混合料的抗水損害性能。

3.5 低溫性能研究

采用相同的級(jí)配制作車轍板，將其切成250 mm×35 mm×30 mm的棱柱體，在-10 ℃下保溫4 h后采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表16所示。

表16 3種方案小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表16表明從方案1到方案3抗彎拉強(qiáng)度與最大彎拉應(yīng)變呈增大趨勢(shì)，由表16可知，方案2與方案3的抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量分別比方案1的提高了12.1%、8.6%、1.2%和20.4%、12.3%、6.0%，其中方案3對(duì)破碎卵石瀝青混合料的低溫性能改善最佳。通過(guò)集料界面改性劑對(duì)破碎卵石表面進(jìn)行改性，使其表面變得粗糙，如此集料與瀝青的黏附性得到改善，瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度也得到了提升，使得破碎卵石瀝青混合料低溫性能更強(qiáng)。

4 掃描電子顯微鏡分析

本試驗(yàn)采用刮刀從破碎卵石表面刮一層石料粉末，通過(guò)集料界面改性劑對(duì)其改性，經(jīng)過(guò)固化后通過(guò)Hitachi 生產(chǎn)的S-4800型掃描電鏡SEM進(jìn)行觀察。并對(duì)其化學(xué)元素進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果如表17、圖2與圖3所示。

圖2 為未改性的破碎卵石粉末

圖3 為改性后的破碎卵石粉末

表17 集料改性前后化學(xué)元素

從表17可看出卵石集料主要元素有O、Si、S、Al等，改性集料相較未改性前增加了C元素，且Si元素減少，而改性劑還有大量的O元素，說(shuō)明界面改性劑已經(jīng)覆蓋于集料表面，改變了其集料表面性能。除此外界面改性劑中硅烷偶聯(lián)劑含有-OH鍵，酸性集料表面有大量的-OH鍵，兩鍵通過(guò)脫水縮合形成-O-鍵，從而增強(qiáng)了集料與界面改性劑的黏結(jié)強(qiáng)度。而表面界面改性劑與瀝青混合，經(jīng)過(guò)高溫融合擴(kuò)散使其更好的黏結(jié)在一起。從圖2與圖3對(duì)比可知，改性前后發(fā)生根本性的變化，經(jīng)過(guò)改性后的石料粉末表面比未改性的石料粉末表面更粗糙，光滑面相對(duì)改性前減少，且改性后的石料表面形成顆粒狀物質(zhì)增多[7]。說(shuō)明了改性后石料表面發(fā)生變化，形成的新化學(xué)物質(zhì)改變了破碎卵石表面巖性與表面形貌，提高了集料與瀝青界面的黏附性，從宏觀表現(xiàn)為通過(guò)集料界面改性劑改善的混合料路用性能要優(yōu)于其它試驗(yàn)方案。

5 結(jié)論

a.破碎卵石雖然為酸性石料與瀝青的黏附性較差，但其來(lái)源廣泛，抗壓強(qiáng)度較高，耐磨性強(qiáng)符合工程應(yīng)用要求。

b.3種試驗(yàn)方案對(duì)比可知，集料界面改性劑可以大幅度增強(qiáng)瀝青與集料的黏附性，提升混合料的路用性能。

c.經(jīng)集料界面改性劑處理后的破碎卵石表面會(huì)形成新的物質(zhì)，石料表面變得粗糙，從而提高了破碎卵石與瀝青的黏附性。