酸性集料与沥青粘附性能试验研究

魏道凯 尹 斌 文海东

（1.山东交通职业学院，山东 潍坊 261206；2.日喀则市交通运输局，西藏 日喀则 867000；3.山东省交通运输行业公路工程材料教学研究实验室，山东 潍坊 261206）

沥青路面广泛应用于城市交通系统，具有良好的力学性能和路用性能，行车舒适性高、养护维修简单。随着我国基础设施建设的不断发展，高速公路、市政道路对沥青集料的要求也越来越高。沥青混凝土集料主要为石灰岩、玄武岩等碱性集料，由于供应不足，影响了道路建设的进度和成本。酸性集料具有强度高、耐磨性好、抗磨耗性能优异等特点。但酸性集料与沥青黏附性差，容易导致酸性集料表面沥青剥落，从而影响酸性集料路用性能，限制酸性集料的应用。因此，采用合理的方法改善酸性集料与沥青的黏附性能是提高集料供应的重要措施。目前，主要是通过改性剂改善酸性集料与沥青的粘附性能，但往往需要专用设备来改善。部分研究采用直接投入改性剂改善酸性集料的性能以达到改性的目的，虽然减少了改性沥青的生产环节，但也存在混合料改性不均匀的问题。为了解决上述问题，本文提出了一种基于油溶性、水溶性的液体界面改性剂，通过雾化设备对加热的酸性集料表面进行改性，经改性剂溶剂挥发后，沸点较高的溶质固化附着于酸性集料表面，形成微米级薄膜，可显著提高酸性集料与沥青的粘附性能。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

（1）采用油溶性、水溶性界面改性剂，主要成分为树脂、溶剂、固化剂、稳定剂、偶联剂和抗氧化剂等。其中，偶联剂可与有机材料、无机材料结合，提高酸性集料与沥青的黏附性能。固化剂与树脂结合、固化，可增强界面剂薄膜的力学强度。稳定剂可提高界面改性剂的稳定性。

（2）本试验选用花岗岩酸性集料，粒径为9.5～13.2mm，石料加热与搅拌的温度为180℃，搅拌时间为45s。

1.2 试验方法

本试验采用电镜扫描试验、动态剪切流变试验和抗拔试验。

（1）电镜扫描试验是通过电镜扫描酸性集料表面改性前后的变化情况。

（2）动态剪切流变试验是观察SIS改性沥青与6%剂量的界面改性剂混合后滞后角与车辙的试验数据。

（3）抗拔试验是通过PosTest AT-A拉拔仪测试酸性集料与沥青的粘附强度，观察沥青膜拉长后的破坏情况，并以沥青膜薄弱处破坏时的应力值作为酸性集料与沥青的粘附强度。为便于观察和测量抗拔试验结果，在进行抗拔试验时，制作了30mm×30mm×5mm的试块，将截面改性剂均涂于试块表面，涂抹剂量分别为石块质量的0.3%、0.6%、0.8%，165℃环境下养护2h，然后涂抹SBS改性沥青，沥青涂抹厚度均为0.5mm。涂抹沥青后，将拉拔头粘附在改性沥青上，常温养护24h后进行拉拔试验。

2 试验结果及讨论

2.1 改性界面剂黏附性能改善分析

通过拉拔试验获得了酸性集料与沥青的黏附性能数据，发现随改性界面剂涂抹量的增加，黏附性能增强。通过油溶性改性界面剂与水溶性改性界面剂的对比试验，发现油溶性改性界面剂剂量在0.6%和0.8%时，抗拔强度差异较小，但均高于0.3%剂量（见图1），说明油溶性改性界面剂剂量在0.6%以后继续增加剂量对界面强度影响不大。水溶性改性界面剂剂量低于0.3%时，其界面强度没有明显改善。但剂量超过0.3%时，界面强度明显增强，且随界面剂用量的增加，强度上升，但界面强度仍低于高黏高弹改性沥青。根据抗拔试验结果分析，在改性界面剂剂量相同的情况下，油溶性改性界面剂性能优于水溶性改性界面剂。

图1 酸性集料与沥青改性强度分析

2.2 改性界面剂改性机理研究

2.2.1 电镜扫描结果分析

①通过对酸性集料与沥青改性后集料表面和化学元素含量进行分析，油溶性改性界面剂在酸性集料表面形成致密薄膜，充当了酸性集料与沥青界面的粘合剂。在对酸性集料化学元素含量进行分析时，未改性的酸性集料化学元素主要为O和Si，质量分数占比分别为50.62%、14.37%，原子数分数为66.96%、10.83%。油溶性改性界面剂化学元素主要为C和O，其质量分数为75.08%、15.94%，原子数分数为83.15%、13.21%。经油性改性界面剂改性后，酸性集料化学元素中C、O、Si元素质量分数为34.27%、38.55%和7.89%，原子数分数为46.64%、39.38%和4.59%。经改性的酸性集料O元素质量分数介于未改性集料与改性界面剂之间，且随着油溶性改性界面剂的增加，酸性集料中C元素质量分数增加，Si元素质量分数减少，表明酸性集料与油溶性改性界面剂充分结合，酸性集料力学性质发生变化。

②深入研究酸性集料改性机理的主要原因是改性界面剂中偶联剂水解形成-OH键，经雾化装置喷射在经加热的酸性集料表面，溶剂受热蒸发，偶联剂中的-OH键与酸性集料表面的-OH键结合产生脱水缩合反应，形成了稳定的共价键-O-。同时，固化剂与树脂等助剂强化了薄膜力学强度，从而形成了稳定的界面结构。

③当改性的酸性集料与沥青结合时，酸性集料表面的改性界面剂薄膜与沥青黏结，形成界面过渡层，经高温熔合、渗透和扩散，酸性集料表面薄膜与沥青形成了无明显分解的胶结材料。该胶结材料为强极性表面活性物质，与普通沥青相比，该材料与集料吸附作用更强，从而使单一的双相单界面改变为三相双界面，即酸性集料-沥青界面改变为酸性集料-改性界面剂-沥青，且通过改性界面剂的挥发作用，分别与酸性集料、沥青之间产生物理-化学交互作业，增强了酸性集料与沥青的粘附强度。

2.2.2 动态剪切流变试验结果分析

①滞后角指标体现了材料黏弹性能，即材料在加载和应变响应后的滞后性。完全黏性材料滞后角为0°、完全弹性材料滞后角为90°，因此，滞后角越小，说明该材料性能越接近于弹性，反之则表明材料为粘性。通过动态剪切流变试验结果分析，经高温加热后，沥青滞后角逐渐由弹性转为黏性，当温度大于64℃时，沥青滞后角增速加快（见图2），其黏性不断上升。在相同温度条件下，经改性界面剂改性后的沥青滞后角比未改性的沥青滞后角小，且改性界面剂剂量不同，滞后角变化特性也不同。当温度较高时，经改性后的沥青滞后角与未改性的沥青滞后角差异最大，且经6%、10%剂量油溶性改性界面剂改性后的沥青滞后角指标均低于未改性的沥青滞后角，表明改性界面剂不仅能改善酸性集料与沥青的黏附性能，还能改善沥青的弹性，避免沥青在高温条件下因弹性下降而形成永久累积变形，从而提高沥青混合料的抗车辙性能。

图2 改性界面剂对酸性集料与沥青滞后角的影响

②依据SHRP沥青结合料规范提出的沥青混合料设计方法，可使用车辙因子反映沥青混合料的高温性能，且车辙因子与混合料高温性能呈正相关关系。温度越高，车辙因子越低，混合料高温性能下降（见图3）；反之温度较低时，车辙因子和高温性能均提高。通过对比未添加改性界面剂、高黏高弹沥青和6%、10%改性界面剂对混合料车辙因子的影响，在相同温度条件下，未添加改性界面剂的混合料车辙因子随温度升高而明显上升，高黏高弹沥青和改性后的沥青与其相同，但不同材料、不同剂量的改性界面剂车辙因子存在明显差异。其中，未改性沥青混合料的车辙因子最低，高弹高黏改性沥青车辙因子最高，添加6%和10%水溶性改性界面剂的沥青混合料车辙因子略高于未改性混合料，添加油溶性改性界面剂的沥青混合料高于添加水溶性改性界面剂的沥青混合料。由此可见，水溶性改性界面剂和油溶性改性界面剂均能提高车辙因子和沥青混合料的高温性能，并且油溶性改性界面剂性能明显优于水溶性改性界面剂。

图3 改性界面剂对酸性集料与沥青车辙因子的影响

3 结语

经本试验研究表明：

（1）改性界面剂能够实现酸性集料改性，通过物理-化学反应在酸性集料表面形成偶联剂薄膜，充当酸性集料与沥青的黏结界面，并形成致密、黏附性能良好的胶结材料，提高了酸性集料与沥青的黏附性能和弹性性能。

（2）通过电镜扫描试验，改性界面剂能够将酸性集料-沥青的双相单界面变为三相双界面，提高了酸性集料与沥青的黏附强度。

（3）通过动态剪切试验研究，改性界面剂能改善沥青混合料的高温性能，减少沥青混合料在高温环境下的累积变形，提高沥青混合料的路用性能。

（4）经本试验研究得出，在道路工程中可通过添加改性界面剂来改善酸性集料与沥青的黏附性能，且油溶性改性界面剂效果明显优于水溶性改性界面剂。