酸性集料界面改性及对沥青混合料性能影响的研究

轩 杰，耿九光

(1.河南省交通检测技术研究院有限公司，河南 郑州 451450；2.长安大学，陕西 西安 710000)

0 引言

沥青混合料中，沥青与集料相连接的界面是其最重要的部分，且两者的黏附强弱会直接影响沥青混合料的水稳定性、高温性和强度等一系列的重要性能[1-2]。目前，提高沥青与集料界面强度的方法较多，主要有使用碱性集料、抗剥落剂或者采用高黏高弹的改性沥青等措施[3-4]。

上述方法虽然在一定程度上可以增强集料与沥青界面的强度，但同时也存在一定的不足。碱性集料虽然与沥青有很好的黏附性，但往往其抗压强度、耐磨耗性能较差，且碱性集料的大量使用导致石料资源越来越匮乏；而抗剥落剂的使用性能易受环境影响，同时抗剥落剂的热稳定性与耐久性也存在很大的质疑；通过改性沥青性能来增强沥青与集料界面的黏附性方法需要专门的实验设备对沥青进行改性，且在使用过程中存在多次加热老化的问题[5]。

鉴于上述存在的问题，本文提出一种新型的石料改性剂。其制作工艺简单、操作方便，通过雾化装置向加热的酸性集料表面喷洒，一边搅拌集料一边喷洒，使得改性剂中的溶剂在高温下蒸发，而改性剂中的溶质则固化于集料表面，形成一层致密的薄膜，从而增强集料与沥青的黏附性。

1 原材料试验

1.1 沥青

本试验研究所用的沥青为西藏某公司提供的SBS-ⅠC改性沥青，按照技术规范要求测试，其技术指标如表1所示。

表1 SBS改性沥青技术指标

1.2 集料

本文所用的集料为当地河卵石通过筛选、清洗后经过多级破碎的破碎卵石。破碎卵石为3档，分别为：0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm，其破碎面指标如表2所示，破碎效果较好。按《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)对其进行性能测试，如表3、表4所示。本试验用的矿粉与水泥指标如表5、表6所示。

表2 破碎卵石破碎面含量检测

表3 粗集料技术性质指标测试结果

表4 细集料物理性能指标

表5 矿粉物理性能指标

表6 水泥技术指标

1.3 硅烷偶联剂与环氧树脂

硅烷偶联剂采用东莞市康锦新材料科技有限公司生产的KH570型硅烷偶联剂,硅烷偶联剂是一种具有双极性基团的有机化合物,通过形成分子“桥”来改善基体与硅烷功能性化合物之间的相互作用。

环氧树脂采用深圳市明德化工有限公司生产的E44环氧树脂，无色透明，固化剂为650固化剂，浅黄棕色，两者的配比为1∶1。

1.4 破碎卵石化学成分

本文对破碎进行化学成分进行分析，结果如表7所示。

表7 破碎卵石化学成分

2 黏附性改善方案

由表7可知破碎卵石SiO2含量大于65%，为酸性石料，与沥青的黏附性较差，需对其进行黏附性改善处理。传统的水煮法误差较大，本文采用水浸法对破碎卵石与沥青黏附性进行评价研究[6]。黏附性改善方案如表8所示。

表8 不同粘附性改善方案

为了对比试验研究，分别采用3种试验方案。其中表8中方案1未掺加其它改性试剂，方案2通过将水泥与石料混合来改善黏附性，其中水泥掺量为2%，方案3为采用硅烷偶联剂与环氧树脂组成的改性剂对破碎卵石表面进行改性。方案3中使用的集料界面改性剂以无水乙醇为溶剂，其它试剂为溶质，按照质量比为mKH570硅烷偶联剂：m环氧树脂：m固化剂：m无水乙醇=20∶10∶10∶60配置而成。具体的使用方法为：将加热的石料放入搅拌锅内，然后用喷雾装置向石料中喷洒石料改性剂(占石料质量的2.5%)，一边喷洒一边搅拌，使改性剂与石料能够充分拌匀，在高温下改性剂中的无水乙醇溶剂会挥发掉，最后使溶质粘附在石料表面上，从而达到对石料改性目的。

将破碎卵石过筛，选取13.2～9.5 mm粒径大小的集料烘干后备用。先将集料与水泥等搅拌均匀，再加沥青搅拌，待沥青均匀裹覆集料后取出集料颗粒放在玻璃板上，室温下放置24 h，然后再放入80 ℃恒温水槽中，通过不同的浸水时间与沥青剥落评价沥青与破碎卵石黏附性。黏附性结果如表9所示。

表9 黏附性试验结果

由表9可知，随着浸水时间的延长，方案1剥落面积较大，黏附等级为四级，通过掺加水泥与改性剂后沥青与破碎卵石的黏附性增强，剥落面积较少，黏附等级为五级。因此，通过改善措施处理后可以明显提升破碎卵石与沥青黏附性。

3 沥青混合料设计与性能研究

3.1 沥青混合料级配设计

沥青混合料设计需要根据当地的气候条件选用适宜的级配，本文采用AC-13Ⅰ型密级配。沥青混合料的级配设计如表10所示，合成级配如图1所示。

图1 AC-13合成级配

表10 AC-13沥青混合料级配设计

3.2 最佳油石比确定

按照经验要求以0.5%为间隔，沥青的用量选取为4.5%～6.5%。体积指标测定结果如表11所示，最佳沥青用量下马歇尔试验结果如表12。

表11 破碎卵石试件体积指标测定结果

表12 沥青混合料最佳沥青用量马歇尔试验结果

3.3 高温性研究

高温性能是沥青混合料重要路用性能，本文采用相同级配进行试件成型，试验结果如表13所示。

表13 不同试验方案高温性能试验结果

从表13可知，3种方案对沥青混合料高温性能的影响为方案3>方案2>方案1，集料界面改性剂可以明显提高沥青混合料的动稳定度。从表13可知，方案2比方案1动稳定度提高了4.9%，方案3比方案1动稳定度提高了10.0%。集料界面改性剂的掺入改变了破碎卵石表面的性质，进一步增强了界面之间的黏附性，宏观上表现为提高了沥青混合料的高温性能。

3.4 水稳定性研究

通过浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验对混合料水稳定性研究，规范要求的浸水残留稳定度≥80%，冻融劈裂强度比≥80%，按照规定要求进行试验。试验结果分别如表14、表15所示。

表14 沥青混合料的残留稳定度

表15 沥青混合料冻融劈裂试验

从表14可以看出，通过添加水泥与界面改性剂的残留稳定度比未采取改善措施分别提高了3.0%、6.7%，远高于规范要求的80%。说明经过改善后的破碎卵石与沥青的黏附性较好。从表15得知，不同改善措施对冻融劈裂强度比(TSR)的改善顺序为：方案3>方案2>方案1，且采用集料界面改性剂与水泥的TSR比SBS改性沥青提高了20.8%与6.9%，最高高出规范要求80%的13个百分点。结果表明。采用集料界面改性剂可以增强集料与沥青界面的强度，提高破碎卵石沥青混合料的抗水损害性能。

3.5 低温性能研究

采用相同的级配制作车辙板，将其切成250 mm×35 mm×30 mm的棱柱体，在-10 ℃下保温4 h后采用万能试验机进行测试，测试结果如表16所示。

表16 3种方案小梁弯曲试验结果

表16表明从方案1到方案3抗弯拉强度与最大弯拉应变呈增大趋势，由表16可知，方案2与方案3的抗弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量分别比方案1的提高了12.1%、8.6%、1.2%和20.4%、12.3%、6.0%，其中方案3对破碎卵石沥青混合料的低温性能改善最佳。通过集料界面改性剂对破碎卵石表面进行改性，使其表面变得粗糙，如此集料与沥青的黏附性得到改善，沥青混合料的抗弯拉强度也得到了提升，使得破碎卵石沥青混合料低温性能更强。

4 扫描电子显微镜分析

本试验采用刮刀从破碎卵石表面刮一层石料粉末，通过集料界面改性剂对其改性，经过固化后通过Hitachi 生产的S-4800型扫描电镜SEM进行观察。并对其化学元素进行分析。试验结果如表17、图2与图3所示。

图2 为未改性的破碎卵石粉末

图3 为改性后的破碎卵石粉末

表17 集料改性前后化学元素

从表17可看出卵石集料主要元素有O、Si、S、Al等，改性集料相较未改性前增加了C元素，且Si元素减少，而改性剂还有大量的O元素，说明界面改性剂已经覆盖于集料表面，改变了其集料表面性能。除此外界面改性剂中硅烷偶联剂含有-OH键，酸性集料表面有大量的-OH键，两键通过脱水缩合形成-O-键，从而增强了集料与界面改性剂的黏结强度。而表面界面改性剂与沥青混合，经过高温融合扩散使其更好的黏结在一起。从图2与图3对比可知，改性前后发生根本性的变化，经过改性后的石料粉末表面比未改性的石料粉末表面更粗糙，光滑面相对改性前减少，且改性后的石料表面形成颗粒状物质增多[7]。说明了改性后石料表面发生变化，形成的新化学物质改变了破碎卵石表面岩性与表面形貌，提高了集料与沥青界面的黏附性，从宏观表现为通过集料界面改性剂改善的混合料路用性能要优于其它试验方案。

5 结论

a.破碎卵石虽然为酸性石料与沥青的黏附性较差，但其来源广泛，抗压强度较高，耐磨性强符合工程应用要求。

b.3种试验方案对比可知，集料界面改性剂可以大幅度增强沥青与集料的黏附性，提升混合料的路用性能。

c.经集料界面改性剂处理后的破碎卵石表面会形成新的物质，石料表面变得粗糙，从而提高了破碎卵石与沥青的黏附性。