硅烷偶联剂对半柔性路面材料性能增强机理研究

程培峰,马广涛,张展铭,李艺铭

(东北林业大学 土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引 言

灌入式半柔性路面特指将水泥基灌浆料灌入大空隙沥青混合料中而形成的一种刚柔并济的路面材料[1]。其最早起源于法国, 1954年法国在Cognac机场跑道上进行了半柔性路面的试铺。随后,英国、美国以及前苏联等国家对半柔性路面的性能等继续进行深入研究,研究表明,半柔性路面可以提高路面的高温稳定性并延长路面的使用寿命。

由于半柔性路面材料属于复合材料,当水泥基灌浆材料注入沥青混凝土骨架后,半柔性路面的性能受到水泥-沥青结合界面强度的影响。周亮等[2]分析了半柔性路面的破坏形态,指出半柔性路面的破坏通常发生在水泥与沥青界面以及水泥本身的破坏;张晓燕等[3]研究发现,阳离子水泥沥青(cement asphalt,CA)灌浆材料可显著提高半柔性路面材料低温性能,而阴离子CA灌浆材料对半柔性路面材料的低温性能改善作用不显著。

笔者通过在水泥砂浆中添加硅烷偶联剂作为界面优化剂来改善水泥-沥青界面,并通过不同掺量下半柔性材料的性能改善情况,确定硅烷偶联剂的最佳掺量,并在最佳掺量基础上,基于界面优化原理,分析了硅烷偶联剂作为界面优化剂对半柔性材料微观结构和宏观性能的影响规律,以期为改善半柔性路面的应用性能以及扩展其应用空间提出技术依据。

1 试验原材料

1.1 沥 青

试验所用沥青采用SBS-I-C改性沥青,沥青基本物理性能如表1。

表1 SBS-I-C改性沥青的性能技术指标Table 1 Performance and technical indexes of SBS-I-C modified asphalt

1.2 水 泥

试验采用普通42.5硅酸盐水泥,按照《道路灌注式半柔性路面技术规程》[4]对各技术指标进行检测,结果均满足要求,具体试验结果如表2。

1.3 硅烷偶联剂

试验选用KH-550型硅烷偶联剂,化学组成为r-氨丙基三乙氧基硅烷,具体指标如表3。

表3 KH-550型硅烷偶联剂主要技术指标Table 3 Main technical indexes of KH-550 silane coupling agent

2 试件配合比设计及试件制备工艺

2.1 试件配合比设计

2.1.1 基体沥青混合料配合比设计

试验级配选用SFAC-13(灌注式半柔性路面基体沥青混合料),级配组成如表4,所用的粗细集料采用玄武岩,矿粉采用优质石灰岩矿粉。

表4 SFAC-13 沥青混合料级配Table 4 Asphalt mixture gradation of SFAC-13

2.1.2 基体沥青混合料技术性能

基体混合料的最佳沥青用量采用谢伦堡析漏和肯塔堡飞散试验确定为4.2%,最佳油石比为4.4%,其主要技术性能指标如表5。

表5 基体沥青混合料主要技术指标Table 5 Main technical indexes of matrix asphalt mixture

2.1.3 硅烷偶联剂掺量设计

对于硅烷偶联剂,笔者采用直接加入法,即将KH-550型硅烷偶联剂直接加入水泥基灌浆材料之中,通过预试验确定最终试验掺量为水泥质量的0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%,呈梯度递增趋势。

2.1.4 水泥基灌浆材料配合比设计及灌浆量的确定

通过正交试验确定了水泥基灌浆材料的水灰比。其中硅烷偶联剂掺量按外掺计,并按照《公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术指南》要求,确定UEA膨胀剂(u-type expansive agent for concrete)及河砂质量,最终确定的具体配比见表6。

表6 水泥基灌浆料配合比及技术参数Table 6 Mix proportion and technical parameters of cement based grouting materials

选定水泥基灌浆料配合比后,在此基础上对不同硅烷偶联剂掺量下水泥基灌浆料的技术参数进行测试,具体结果见表7。表7中各项技术参数符合《道路灌注式半柔性路面技术规程》[4]。

表7 不同硅烷偶联剂掺量下水泥基灌浆料技术参数Table 7 Technical parameters of cement-based grouting materials with different silane coupling agent dosages

基于文献[5],以连通空隙率为标准进行试件灌浆量的研究。采用各平行试件的平均值计算,即连通空隙率为22.3%,马歇尔试件高度、直径分别为63、101.6 mm,灌浆前试件质量为961 g,胶浆密度取1.84 g/cm3,因此不同硅烷偶联剂掺量下灌浆试验结果见表8。

表8 水泥基灌浆料灌浆灌注量情况Table 8 Grouting volume of cement-based grouting material

由表8可以看出,实际灌浆量在不同掺量的情况下均大于理论灌浆量。为保证灌浆效果以及最大程度控制因灌浆材料多少导致灌浆结果出现差异,最终选定实际灌浆量为300 g。

2.2 试件制备工艺

2.2.1 水泥基灌浆材料制备

按照所确定的最佳水灰比制备灌浆材料。灌浆材料制备工艺:用水泥砂浆搅拌机搅拌,加入固体灌浆材料慢搅不少于1 min,加入液体灌浆材料快搅不少于4 min,试验温度为25 ℃。

2.2.2 基体沥青混合料制备

分别采用击实法和轮碾法成型基体沥青混合料,击实法采用标准马歇尔试件,双面击实50次成型;轮碾法采用轮碾成型机制备。

2.2.3 灌注及养生工艺

采用振动台“振动下渗法”[4]进行灌注。

制备步骤如下:

1)对于马歇尔试件,冷却至室温后用塑料胶带和保鲜膜将试件的侧面及底面封死,直立放置于水泥振动台中心点。对于车辙试件,在不脱模的情况下冷却至室温,放置于水泥振动台中心点。

2)将制作好的灌浆料由基体沥青混合料边缘向中心浇筑,浇筑过程中应边振动边浇筑,保证基体沥青混合料灌注充分、密实。

3)待基体沥青混合料表面溢出水泥基浆体,且灌浆材料不再下渗时,关闭振动台,并用橡皮刮刀刮平、刮除试件顶面多余的灌浆材料,直至漏出粗集料为止。

4)将灌浆完成的试件在温度20±2 ℃、相对湿度大于95%的条件下分别养护1、3、7、28 d。

试件灌浆效果如图1。

图1 试件灌浆效果Fig. 1 Grouting effect of specimen

3 硅烷偶联剂改善半柔性路面材料路用性能分析

3.1 马歇尔稳定度

马歇尔稳定度(MS)作为沥青路面早期的设计标准之一,能够在一定程度上反映沥青混合料的抗变形能力,试验结果如图2。

图2 不同硅烷偶联剂掺量下的马歇尔试验结果Fig. 2 Marshall test results with different silane coupling agent dosage

马歇尔试验是沥青混合料配合比设计的主要试验[6]。由图2可知,所制试件均满足规范要求,随着硅烷偶联剂掺量的增加,不同养护时间下的半柔性路面混合料MS呈现先上升后稳定的趋势。在养护时间为7 d时,半柔性路面材料的马歇尔稳定度由18.72 kN增长到22.62 kN,并在掺量为0.5%左右到达峰值,相较于未掺加硅烷偶联剂的试件提升了20.83%,说明掺加硅烷偶联剂能够大幅度提高半柔性路面的力学性能。

3.2 高温稳定性

半柔性路面的高温稳定性通常采用动稳定度(DS)来表征,反映高温抗车辙的能力。动稳定度试验结果如图3。

图3 不同硅烷偶联剂掺量下的动稳定度Fig. 3 Dynamic stability with different silane coupling agent dosage

由图3可知,不同养护时间下各组半柔性路面材料的动稳定度随掺量变化趋势基本相同,即高于0.3%的硅烷偶联剂可明显的提高半柔性路面的动稳定性,从而提高半柔性路面的高温稳定性。在养护时间为7 d时,随着硅烷偶联剂掺量的增加,DS的变化趋势并不呈现线性增长,在掺量为0.5%时到达峰值。此时DS为14 808.03次/mm,相比未掺加硅烷偶联剂的试件,DS提高了22.00% ,但在掺量到达0.7%时,与掺量为0.5%时相比,DS下降。由此表明,对于半柔性路面,硅烷偶联剂掺量并不是越多越好,掺量过多导致高温稳定性下降。

3.3 低温抗裂性

对于半柔性路面材料低温性能的评价,目前仍沿用普通沥青混合料的评价方法,即以-10 ℃弯曲试验的破坏应变作为低温性能评价指标,试验结果如图4。

图4 不同硅烷偶联剂掺量下的弯拉应变Fig. 4 Flexural strain with different silane coupling agent dosage

由图4可知,对于不同养护时间下的半柔性路面材料,随养护时间增长,弯拉应变也不断增加。在7 d养护条件下,随着硅烷偶联剂掺量的增加,弯拉应变先增加后下降,掺量为0.5%时达到峰值,增幅达43.84%。由此说明,一定掺量的硅烷偶联剂能够显著提高半柔性路面材料的低温性能。

3.4 水稳定性

研究发现,浸水马歇尔试验评价半柔性路面水稳定性能存在一定局限性,主要表现为残留稳定度高于100%[7],因此采用冻融劈裂试验测定半柔性路面的水稳定性,结果如图5。

图5 不同硅烷偶联剂掺量下的冻融劈裂强度比Fig. 5 Freeze-thaw splitting strength ratio with different silane coupling agent dosage

由图5可知,根据现行规范要求,试件灌浆成型后,冻融劈裂强度比TSR≥80%,对于养护时间大于1 d的不同掺量试件均满足要求。随着硅烷偶联剂掺量的增加,半柔性路面的TSR呈现先上升后下降的趋势,并在掺量为0.5%左右到达峰值。养护7 d掺量为0.5%时TSR为93.42%,对比空白对照组的TSR (84.93%)提升了10.00%,说明硅烷偶联剂增强了基体沥青混合料以及水泥基灌浆材料的黏结性,有效提高了水泥-沥青界面的稳定性,阻碍了水对半柔性路面材料的剥离侵蚀作用。

3.5 硅烷偶联剂最佳掺量确定

研究表明,与未掺加硅烷偶联剂的半柔性路面材料(普通半柔性材料)相比,掺加了硅烷偶联剂可显著提高半柔性路面材料的马歇尔稳定度、动稳定度、弯拉应变及冻融劈裂强度比,说明一定掺量的硅烷偶联剂对半柔性路面的力学及路用性能具有显著的改善效果,且存在最佳掺量。同时由图2～图5可知,养护时间对半柔性路面混合料路用性能有着较大影响。随着养护时间增长,半柔性路面混合料路用性能呈现不断增长趋势,1～7 d为路用性能高速增长期;7～28 d以后,路用性能仍呈现增长趋势但增长速率变低。

随着硅烷偶联剂掺量的增加,半柔性路面材料的马歇尔稳定度、动稳定度、弯拉应变及冻融劈裂强度比均呈现先增大后减小的趋势,0.5%掺量为其拐点。掺量过多在经济成本提高的同时使其强度下降,故最终确定硅烷偶联剂的最佳掺量为0.5%。

4 硅烷偶联剂改善半柔性路面材料路用性能机理研究

4.1 化学机理

硅烷偶联剂是一种能够同时与有机材料与无机材料发生化学反应的特殊物质,可与复合材料之间形成化学键[8-9],从而在无机材料与有机材料之间架起桥梁,将2种不同化学结构类型及亲和力相差很大的材料在表面连接起来,其作用机理被普遍认同的是化学键合理论[8]。同时硅烷偶联剂在进行偶联时可发生水解反应、缩合反应、氢键形成反应、共价键形成反应等。美国学者B.ARKLES[10]对此提出4种反应模式,即硅烷水解反应、硅醇缩合反应、氢键形成反应和共价键形成反应。其反应主要过程表达式如图6。

图6 硅烷偶联剂化学反应过程Fig. 6 Chemical reaction process of silane coupling agent

将硅烷偶联剂运用在半柔性路面结构中,其特有结构使水泥-沥青接触面之间形成键合,使其界面稳定度及强度增加。分析试验结果可知:当掺量较少时,其水解生成的共价键不足以在水泥基灌浆材料表面形成单分子层,导致水泥-沥青接触面未形成稳定的键合,整体强度较低;掺入最佳用量的硅烷偶联剂恰好能使水泥基灌浆材料表面形成单分子层,从而达到最佳改性效果;当掺量过多时,其亲无机分子的极性基团与水泥颗粒充分结合,但同时所含有的过量的氨基官能团硅烷背离水泥颗粒指向外侧,导致水泥基材料颗粒表面呈现憎水性,阻止水分子进入水泥颗粒表面,从而对水泥基灌浆材料的水化起到抑制作用,导致水泥水化受阻,对强度造成负面影响。故在半柔性路面材料中掺加适量的硅烷偶联剂,发挥偶联作用,促进界面融合,有效改善沥青-水泥接触界面的黏结条件,从而提高材料整体性能[11]。

4.2 基于界面改性原理的硅烷偶联剂改性机理

4.2.1 灌注率计算

笔者采用养护7 d的半柔性路面材料灌浆前后连通孔隙率的变化以及灌注率表征水泥基灌浆材料灌注情况,从而定量表征水泥-沥青界面情况。半柔性路面材料的连通孔隙率与灌注率的测定方法按《道路灌注式半柔性路面技术规程》[4]规定测定,具体计算方法如式(1)～式(3):

连通空隙率应按式(1)、式(2)计算:

(1)

(2)

式中:Vm为混合料和封闭空隙的体积,cm3;ma为干燥试件的空中质量,g;mw为试件的水中质量,g;ρw为25 ℃时水的密度,g/cm3,取ρw=0.997 1 g/cm3;Pc为连通空隙率,%;V为试件的体积,cm3。

灌注率应按式(3)计算:

(3)

式中:Pr为灌注率,%;Pc为灌注前的连通空隙率,%;P′c为灌注后的连通空隙率,%。

以硅烷偶联剂掺量为变量,每组掺量进行3组试验并控制半柔性路面材料灌注前孔隙率为22.3%±0.2%以内,养护7 d后进行试验,试验数据取平均值后具体结果见图7。

图7 不同硅烷偶联剂掺量下灌注前后连通空隙率变化以及灌注率Fig. 7 Changes in connectivity porosity and perfusion rate before and after perfusion under different amounts of silane coupling agent

由图7可知,未掺加硅烷偶联剂时灌注率最小,最小灌注率为85.7%,大于《道路灌注式半柔性路面技术规程》[4]所规定的灌注率(85%)。在控制灌注前连通孔隙率误差的情况下,半柔性路面材料的灌注率随着硅烷偶联剂掺量的增加,呈现先增大后减小的趋势,在硅烷偶联剂掺量为0.5%时到达峰值,峰值为94.6%。由此可见,随着硅烷偶联剂的加入,半柔性路面材料的灌浆量不断变化。

在宏观角度上,由于硅烷偶联剂掺量的不同,水泥基灌浆材料的流动性等性能存在较大差异,从而导致灌注效果的不同;在微观角度,由于硅烷偶联剂的掺加,使水泥-沥青接触界面更加紧密,可灌注率增大,导致其灌注量存在不同,也表征着水泥基灌浆材料与沥青混凝土骨架之间的连接更加紧密;同时灌注率的变化规律与路用性能变化规律高度近似,也能侧面体现水泥-沥青界面的性能可影响半柔性路面材料宏观性能。

4.2.2 定性分析

同时针对半柔性路面材料特有的水泥-沥青界面,笔者采用高拍仪等仪器,对界面改性前后的半柔性材料的水泥-沥青界面进行观察,结果如图8。图8中黑色部分为沥青,灰白色部分为已经硬化的水泥基灌浆材料。

图8 半柔性材料微观结构Fig. 8 Microscopic structure of semi-flexible material

从图8(a)可以看出,对于未掺加硅烷偶联剂进行界面改性的试件,水泥-沥青界面粗糙,水泥边缘凹凸不平,棱角分明,同时水泥与沥青的交界处有一个连贯而稳定的平裂缝,这说明未掺加硅烷偶联剂的试件水泥与沥青之间的连接不稳定,即水泥-沥青界面稳定性较差。从图8(b)可以看出,对于掺加最佳掺量的硅烷偶联剂的试件,水泥与沥青的连接较紧密,水泥表面比较平整,界面边缘的水泥用沥青包裹与沥青形成良好的连接。界面处的沥青与水泥形成一个整体,没有产生明显的裂缝。这说明硅烷偶联剂确实在两者之间起到偶联作用,从而提高了半柔性材料中的水泥-沥青界面的融合程度和稳定性。对比性能试验结果可认为,硅烷偶联剂通过对水泥-沥青界面微观结构的影响,从而改变半柔性材料的宏观性能。

5 结 论

基于界面优化原理分析半柔性路面的材料性能,并在此基础上研究了不同掺量的硅烷偶联剂对半柔性路面材料的路用性能改性作用以及作用机理,研究表明:

1)采用硅烷偶联剂进行界面优化的半柔性路面材料,在高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性上表现良好。并综合分析各路用性能涨幅可知,硅烷偶联剂对半柔性路面材料的低温抗裂性提升较大。

2)硅烷偶联剂改性半柔性路面材料存在最佳掺量(0.5%)。在最佳掺量基础上半柔性路面材料的马歇尔稳定度、动稳定度、弯拉应变及冻融劈裂强度比的增幅分别为20.83%、22.00%、43.84%、10.00%。

3)硅烷偶联剂对半柔性材料的水泥-沥青界面有明显的改性效果。在最佳掺量0.5%的情况下,其能够大幅增加水泥基灌浆材料的灌注率,从85.7%增长为95.6%,增长了10.4%。通过微观形态分析,硅烷偶联的加入明显加强了水泥基灌浆材料与沥青混合料骨架之间的联系,使水泥-沥青界面稳定性升高,界面趋于平整且无明显裂缝。