集料-沥青界面改性剂及改性工艺对沥青混合料路用性能的影响*

杨 平 虞将苗 张保才 张东迎刘 汉 唐 峰 赵培全 许冬冬

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

集料-沥青界面改性剂及改性工艺对沥青混合料路用性能的影响*

杨 平1)虞将苗2)张保才3)张东迎4)刘 汉3)唐 峰2)赵培全4)许冬冬4)

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

针对酸性岩石与沥青粘附性较差的缺陷，通过研究界面改性剂及薄膜改性工艺以改善沥青混合料最薄弱的环节(集料与沥青的界面)，达到改善沥青混合料的路用性能的目的.研究表明，界面改性剂通过薄膜改性工艺能均匀的附着于石料表面，并与石料、沥青发生物理-化学反应，全面提高了沥青混合料的路用性能(高温性能、抗水损害性能、抗疲劳性能).

界面改性剂；薄膜改性工艺；路用性能

目前，随着经济的迅速发展，汽车交通量猛增，对沥青路面的综合性能有了更严格的技术要求.而集料的质量对沥青路面的综合性能有直接的影响，沥青路面通常要求使用玄武岩和辉绿岩等中性及碱性优质集料作为沥青表面层集料，但这两类集料极度稀缺且价格昂贵，已成为制约高速公路沥青面层工程质量和工程造价的瓶颈问题.文中针对酸性集料与沥青界面强度弱的技术缺陷，以改善沥青混合料最薄弱的环节-集料与沥青之间的界面为基础，对储量丰富且价格较低的酸性集料表面进行薄膜改性，探讨界面改性剂及薄膜改性工艺对沥青混合料路用性能的影响(高温性能、抗水损害性能、抗疲劳性能)[1-3].

1 界面改性剂及薄膜改性工艺介绍

1.1 界面改性剂

采用油溶性和水溶性两种不同体系的界面改性剂，主要成分有溶剂、树脂、固化剂、稳定剂、偶联剂、抗氧剂等.界面改性剂(油溶性、水溶性)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 集料薄膜改性工艺

现阶段外加剂传统的添加工艺为先将外加剂与沥青混合，通过改善沥青性能达到改善沥青混合料路用性能的目的，此方法存在沥青二次加热和储存稳定性等问题，成本较高，工序较繁琐[4].而少量的抗剥落剂采用直接投入法与石料混合达到改性目的.而抗剥落剂只有在沥青与集料接触面才能发挥作用，直接投入法易造成改性剂的浪费.界面改性工艺针对传统添加工艺的缺陷进行改进，其通过设定雾化装置于沥青拌合楼筛分仓盖板和搅拌缸四壁对石料表面进行两次表面薄膜改性(见图1)，改性石料再与沥青拌合，获取界面改性沥青混合料.

图1 对接于沥青拌和楼薄膜改性系统示意图

经过雾化处理的界面改性剂在沥青拌合楼筛分仓和搅拌缸中喷洒于石料表面(经过加热处理)，界面改性剂在石料表面高温的条件下，溶剂迅速蒸发，有用的溶质(沸点较高)迅速附着于石料表面中，在石料表面镀上一层微米级别的薄膜，致密而均匀.

2 试验方案

文中采用两种界面改性剂(油溶性、水溶性)分别在沥青拌和楼中对酸性集料(选花岗岩为代表)进行表面薄膜改性，选取0%，0.3%，0.6%(占集料质量)三个掺量水平，沥青材料为某SBS(I-D)改性沥青(用于界面改性，技术指标见表3)、某高粘高弹改性沥青(用于对比试验，技术指标见表4).矿质集料级配统一采用AC-13C，SBS(I-D)AC-13C沥青混合料最佳油石比为4.8%，掺加0.3%、0.6%的界面改性剂(油溶性、水溶性)最佳油石比均为4.7%，某高粘高弹改性沥青混合料最佳油石比为4.9%，级配组成见表5.

表3 SBS(1-D)改性沥青技术指标

表4 高粘高弹改性沥青技术指标

表5 AC-13C沥青混合料矿料级配组成

3 改性沥青混合料路用性能评价

3.1 高温稳定性分析评价

以车辙试验对改性沥青混合料的高温稳定性能进行评价[5]，车辙试验结果见表6.

表6 车辙试验数据表

由表6可知，对于酸性集料(选花岗岩为代表)，界面改性剂(油溶性、水溶性)能不同程度的提高沥青混合料的高温抗车辙能力；油溶性改性剂随着改性剂量的增加，沥青混合料的动稳定度不断提高；0.6%油溶性界面改性剂与0.3%水溶性界面改性剂提高效果最明显(分别提高 38.56%和38.41%)；高粘高弹沥改性青混合料抗车辙能力提高36.67%.

3.2 抗水损害能力分析评价

沥青路面水损害是沥青混合料在水的侵蚀作用下，沥青从集料表面发生剥落，使集料颗粒失去粘结作用.抗水损害即是指抵抗这种损害发生的能力[6-7].

文中以冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验对改性沥青混合料的抗水损害性能进行评价，冻融劈裂试验结果见图2，浸水马歇尔试验结果见图3.

图2 冻融劈裂试验结果柱状图

由图2可知，对于酸性集料(选花岗岩为代表)，界面改性剂(油溶性、水溶性)能不同程度的提高沥青混合料劈拉强度值(劈拉强度值越大，沥青混合料抗水损害能力越强)；随着改性剂(油溶性、水溶性)剂量的增加，冻融前后的沥青混合料劈拉强度不断提高(相对于0%沥青混合料)；界面改性剂(油溶性、水溶性)对沥青混合料的劈拉强度比改善效果不明显，高粘高弹改性沥青混合料冻融劈拉强度比略高于0%沥青混合料冻融劈拉强度比(劈拉强度比越大，沥青混合料抗水损害能力越强).

图3 浸水马歇尔试验结果柱状图

由图3可知，对于酸性集料(选花岗岩为代表)，界面改性剂(油溶性、水溶性)能不同程度的提高沥青混合料稳定度(稳定度越大，沥青混合料抗水损害能力越强)；随着改性剂(油溶性、水溶性)剂量的增加，未浸水马歇尔与浸水马歇尔稳定值度不断提高(相对于0%沥青混合料)；0.6%油溶性界面改性剂和0.6%水溶性改性剂稳定度提高效果最明显(0.6%油溶性改性剂：未浸水马歇尔稳定度提高30.56%，浸水马歇尔稳定度提高32.17%；0.6%水溶性改性剂：未浸水马歇尔稳定度提高30.25%，浸水马歇尔稳定度提高31.42%)；高粘高弹改性沥青混合料未浸水马歇尔稳定度提高19.05%，浸水马歇尔稳定度提高19.00%.

界面改性剂(油溶性、水溶性)能不同程度的提高沥青混合料残留稳定度(残留稳定度越大，沥青混合料抗水损害能力越强)；界面改性剂(油溶性、水溶性)添加剂量为0.3%的沥青混合料残留稳定度大于添加剂量为0.6%的沥青混合料；0.3%水溶性改性剂沥青混合料残留稳定度提高程度最明显(提高2.75%，相对于0%沥青混合料).高粘高弹改性沥青混合料残留稳定度值略高于0%沥青混合料.

3.3 抗疲劳性能分析评价

疲劳开裂开始大都是形成细而短的横向开裂，继而逐渐扩展成网状，开裂的宽度和范围不断扩大.如果抗疲劳开裂能力差，则路面的使用寿命将大大缩短[8].

文中以沥青混合料四点弯曲疲劳寿命试验对改性沥青混合料的抗疲劳性能进行评价，试验结果见表7.

表7 四点弯曲疲劳试验数据

由表7可知，对于酸性集料(选花岗岩为代表)，上述两种界面改性剂(油溶性、水溶性)能不同程度的提高沥青混合料疲劳性能；300，400，600 μm的应变水平试验，在相同的应变水平下，随着改性剂(油溶性、水溶性)剂量的增加，沥青混合料的疲劳寿命和累计耗散能不断增大，沥青混合料的初始劲度模量略有增加(相对于0%沥青混合料)；疲劳寿命指标能直接反应沥青混合料的抗疲劳性能，疲劳寿命越大，抗疲劳性能越强；累计耗散能间接的反应沥青混合料的抗疲劳性能，混合料的累计耗散能越大，发生疲劳破坏需要更大累计损伤，从而证明沥青混合料的抗疲劳性能越好.

4 结 论

1) 文中的两种界面改性剂(油溶性、水溶性)通过对接于拌合楼的大型薄膜改性系统对集料表面改性，此改性工艺增加了改性剂的比表面积，使改性剂充分均匀的覆盖于石料表面，避免了改性剂的浪费，从而最大限度的提高集料-沥青界面强度.

2) 界面改性剂(油溶性、水溶性)能不同程度的提高沥青混合料抗车辙能力.0.6%油溶性界面改性剂与0.3%水溶性界面改性剂提高效果最为明显(分别提高38.56%和38.41%)，与高粘高弹改性沥青混合料抗车辙能力相当(提高36.7%).

3) 界面改性剂(油溶性、水溶性)能不同程度的提高沥青混合料抗水损害能力.随着改性剂(油溶性、水溶性)剂量的增加，沥青混合料的劈拉强度和残留稳定度不断提高；0.6%水溶性界面改性剂和0.6%油溶性界面改性剂对沥青混合料的抗水害能力提高程度最明显.

4) 界面改性剂(油溶性、水溶性)能不同程度的提高沥青混合料的抗疲劳性能.在相同应变的水平下.随着改性剂量的增加，沥青混合料的抗疲劳性能不断提高.

[1] 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.

[2] 许云.沥青混合料中掺入不同抗剥落剂性能的研究[J].中外公路，2009(29):246-248.

[3] 陈应才.抗剥落剂对沥青混合料性能作用的分析[J].建筑与发展，2009(1):55-58.

[4] 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.

[5] 中华人民共和国行业标准. 公路工程沥青及沥青混合料试验规程:JTG E20—2011[S]. 北京: 人民交通出版社, 2000.

[6] 徐霈. 基于分子动力学的沥青与集料界面行为虚拟实验研究[D].西安:长安大学,2013.

[7] 郑晓光,吕伟民.沥青路面水损害评价方法探究[J].石油沥青，2004(3):589-595.

[8] 虞将苗.沥青混合料疲劳性能研究[D].广州：华南理工大学，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

杨平(1973一)：男，高级工程师，主要研究领域为市政工程、公路工程项目管理及施工技术研究

*国家自然科学基金面上项目(51678251)、中央高校基本科研业务费专项资金资助重点项目 (2015ZZ074)、2017年科技发展专项资金项目(2017A010103036)资助