李美霞 翟明升 馬程利 黃承立 虞將苗唐 峰 戚文博 葉 超

(中鐵珠三角投資發(fā)展有限公司1) 廣州 511458) (中鐵十局集團(tuán)西北工程有限公司2) 西安 410000)(中鐵十局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司3) 合肥 230088) (華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院4) 廣州 510640)

0 引 言

集料-瀝青界面是瀝青混合料最薄弱的環(huán)節(jié)，目前市場(chǎng)上針對(duì)酸性石料與瀝青界面研發(fā)的改性劑很少[1].大部分的改性劑都是通過(guò)改善瀝青性能以達(dá)到提高集料與瀝青粘附性能的目的，但往往需要專(zhuān)用的設(shè)備對(duì)瀝青進(jìn)行改性，且存在瀝青多次加熱與儲(chǔ)存穩(wěn)定性的問(wèn)題[2]；少部分改性劑以直接投入法改善礦質(zhì)集料性能以達(dá)到生產(chǎn)改性瀝青混合料的目的，此方法減少了改性瀝青生產(chǎn)環(huán)節(jié)，但也存在改性不均勻的缺陷[3].

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本研究提出一種新型的液體界面改性劑(油溶性、水溶性)及配套薄膜改性工藝.通過(guò)設(shè)定霧化裝置對(duì)經(jīng)過(guò)加熱的石料表面進(jìn)行表面改性，改性劑溶劑迅速蒸發(fā)，有用的溶質(zhì)(沸點(diǎn)較高)迅速固化附著于石料表面中，在石料表面鍍上一層微米級(jí)別的薄膜，致密而均勻.改性石料再與瀝青混合經(jīng)過(guò)物理化學(xué)變化達(dá)到提高集料與瀝青粘附性能的效果.

1 界面改性材料與試驗(yàn)方法

1.1 界面改性材料

采用的界面改性劑(油溶性、水溶性)主要成分包含溶劑、樹(shù)脂、固化劑、穩(wěn)定劑、偶聯(lián)劑及抗氧劑等.各成分均有不同的功效：其中偶聯(lián)劑同時(shí)具有可以與無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料結(jié)合的官能團(tuán)，可實(shí)現(xiàn)將表面活性較弱的集料與瀝青緊密結(jié)合；固化劑是一類(lèi)增進(jìn)或控制固化反應(yīng)的物質(zhì)或混合物，可使樹(shù)脂固化，增強(qiáng)界面薄膜的力學(xué)強(qiáng)度；穩(wěn)定劑可增加改性劑的整體穩(wěn)定性；配合其他助劑的使用，界面改性劑最終達(dá)到增強(qiáng)集料與瀝青粘附性能的目的.界面改性劑組分見(jiàn)表1～2.

表1 油溶性界面改性劑組成成分 %

表2 水溶性界面改性劑組成成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

1) 電鏡掃描(SEM)試驗(yàn) 通過(guò)電鏡掃描觀察界面改性前后酸性石料表面的微觀形貌變化與化學(xué)成分變化(本研究選取12 kg，9.5～13.2 mm規(guī)格花崗巖進(jìn)行表面薄膜改性，改性劑(以油溶性為代表)劑量為0.3%(占石料質(zhì)量)，石料加熱與攪拌溫度為180 ℃，攪拌時(shí)間為45 s).

2) 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR) 通過(guò)獲取改性前后瀝青材料的滯后角與車(chē)轍因子數(shù)據(jù)[4].試驗(yàn)瀝青材料為某SBS(I-D)改性瀝青、某高粘高彈改性瀝青，界面改性劑(油溶性、水溶性)分別以6%,10%(占瀝青質(zhì)量)的劑量添加至SBS改性瀝青中.

3)拉拔試驗(yàn) 通過(guò)PosiTest AT-A拉拔儀以力學(xué)的角度定量的表征酸性集料與瀝青的粘附強(qiáng)度，PosiTest AT-A拉拔儀通過(guò)豎直方向的作用力，瀝青膜會(huì)逐漸被拉長(zhǎng)，最終在集料-瀝青界面薄弱的地方發(fā)生破壞，此時(shí)拉應(yīng)力值表征集料與瀝青的粘附強(qiáng)度[5].

試驗(yàn)制作規(guī)格為30 mm×30 mm×5 mm的花崗巖，將界面改性劑(油溶性、水溶性)均勻的涂抹于上述巖石塊中，涂抹劑量分別為石塊質(zhì)量的0.3%，0.6%，0.8%，涂抹后的改性石塊在165 ℃的溫度環(huán)境下養(yǎng)護(hù)2 h后涂抹某SBS(I-D)改性瀝青，瀝青涂抹厚度統(tǒng)一為0.5 mm，再迅速將拉拔頭粘于石塊表面(每種改性劑量方案布設(shè)15個(gè)拉拔頭)，在常溫下養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行拉拔試驗(yàn).試驗(yàn)另以高粘高彈瀝青試驗(yàn)為對(duì)比試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粘附性能改善分析

本研究采用拉拔試驗(yàn)檢測(cè)集料與瀝青的粘附性能，結(jié)果見(jiàn)表3和圖1.

表3 界面改性劑對(duì)界面強(qiáng)度的影響

圖1 界面改性劑對(duì)界面強(qiáng)度的影響

由表3、圖1可知，橫向分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著界面改性劑(油溶性、水溶性)劑量的增加，界面拉拔強(qiáng)度不斷提升；其中，油溶性界面改性劑添加劑量為0.8%與0.6%時(shí)，兩者界面拉拔強(qiáng)度差距不大，由此可見(jiàn)，油溶性界面改性劑劑量大于0.6%后對(duì)花崗巖與瀝青的界面強(qiáng)度影響較??；水溶性界面改性劑添加劑量為0.3%時(shí)，界面強(qiáng)度基本不變(相對(duì)于0%)，當(dāng)改性劑添加劑量大于0.3%時(shí)，界面強(qiáng)度迅速增加，但其界面強(qiáng)度改善效果不及高粘高彈改性方案.縱向分析試驗(yàn)結(jié)果，在改性劑添加劑量相同的條件下，油溶性界面改性的效果好于水溶性界面改性劑.

2.2 界面改性機(jī)理探討

2.2.1電鏡掃描(SEM)結(jié)果分析

本研究電鏡掃描圖像見(jiàn)圖2，化學(xué)元素分析見(jiàn)表4～6.

圖2 改性石料表面顯微結(jié)構(gòu)

表4 未改性石料化學(xué)元素含量表 %

表5 界面改性劑(油溶性)化學(xué)元素含量表 %

表6 改性石料(油溶性)化學(xué)元素含量表 %

由圖2可知，油溶性界面改性劑部分覆蓋于粗糙的集料表面，形成一層致密的薄膜.化學(xué)元素分析表明，由表4可知，未改性花崗巖主要含 O，Si元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50.61%，14.38%，原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為66.95%，10.84%；由表5可知，油溶性界面改性劑主要含 C，O元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為75.07%，15.95%；原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為83.14%，13.22%；由表6可知，改性石料的C，O，Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為34.29%，38.56%，7.88%，原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為46.63%，39.37%，4.58%；改性石料的O元素含量位于界面改性劑與未改性石料之間，改性石料相對(duì)于未改性石料增加了C元素，Si元素含量減小，而界面改性劑含有大量的C元素，說(shuō)明界面改性劑已覆蓋于石料表面，改變了石料的表面性能.

界面改性劑中的硅烷偶聯(lián)劑在溶劑的作用下水解生成-OH鍵，而酸性集料表面含有大量的羥基-OH.界面改性劑通過(guò)霧化裝置覆蓋于經(jīng)過(guò)加熱的石料表面，溶劑迅速蒸發(fā)的同時(shí)，偶聯(lián)劑中的-OH鍵與石料表面的-OH鍵通過(guò)H鍵相互吸附并且發(fā)生脫水縮合反應(yīng)形成共價(jià)鍵-O-，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵的牢固連接.同時(shí)，固化劑與其它助劑使樹(shù)脂固化，增強(qiáng)薄膜的力學(xué)強(qiáng)度.

當(dāng)改性石料再與瀝青混合時(shí)，改性薄膜與瀝青之間形成界面過(guò)渡層(見(jiàn)圖3)，過(guò)渡層與瀝青通過(guò)高溫熔合、滲透、擴(kuò)散作用，形成極性由強(qiáng)到弱，粘度由大到小，沒(méi)有明顯分界的漸變的膠結(jié)料膜，這種膠結(jié)料膜具有更強(qiáng)極性的表面活性物質(zhì)，與純?yōu)r青相比，對(duì)集料的吸附作用更強(qiáng)，使瀝青和界面改性劑共同構(gòu)成的膠結(jié)料與集料的粘聚力更大，粘附性更好[6].從而使原本的集料-瀝青的兩相界面，變成集料-改性劑-瀝青三相雙界面，并且相鄰兩相之間發(fā)生物理-化學(xué)的交互作用，提高了集料-瀝青的界面強(qiáng)度[7-8].

圖3 瀝青界面滲透擴(kuò)散示意圖

2.2.2動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)滯后角結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 界面改性劑對(duì)瀝青滯后角的影響

滯后角能較好的反應(yīng)材料的粘彈性能，粘彈材料在加載和應(yīng)變響應(yīng)之間有較大的滯后，完全彈性與完全粘性材料滯后角分別為0°和90°，滯后角越小證明材料越接近彈性，滯后角越大證明材料越接近粘性.試驗(yàn)結(jié)果顯示,滯后角顯著影響瀝青的粘彈性質(zhì)，隨著溫度的升高，瀝青的滯后角不斷增大，尤其為溫度達(dá)到64 ℃以后，瀝青的滯后角增加速度較快，瀝青接近粘性材料；添加界面改性劑(油溶性、水溶性)后，在相同的溫度條件下，瀝青滯后角減小，并隨著添加劑量的不同滯后角減小的程度不一樣，當(dāng)溫度較高時(shí)，瀝青滯后角減小的幅度最大，且6%油溶性改性瀝青和10%油溶性改性瀝青滯后角較低，說(shuō)明此兩種界面改性劑可以在很大程度上保留材料的彈性性質(zhì)，減少永久變形的積累，從而提高路面高溫抗這車(chē)能力.

動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)車(chē)轍因子試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 界面改性劑對(duì)瀝青車(chē)轍因子的影響

SHRP瀝青結(jié)合料規(guī)范采用車(chē)轍因子G*/sinδ來(lái)反應(yīng)瀝青的高溫性能，車(chē)轍因子G*/sinδ越大，瀝青高溫性能越好.由圖5可知，在52～82 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，G*/sinδ不斷減小，瀝青高溫性能逐漸降低；添加界面改性劑(油溶性、水溶性)后，在相同的溫度條件下，瀝青的車(chē)轍因子G*/sinδ顯著增大，并隨著添加劑量的不同G*/sinδ增大的程度不一樣，高粘高彈改性瀝青G*/sinδ值最高，其次為10%油溶性界面改性瀝青和6%油溶性改性瀝青，10%水溶性界面改性瀝青和6%水溶性改性瀝青G*/sinδ略大于0%瀝青，說(shuō)明此油溶性界面改性劑可以在很大程度上提高瀝青的高溫性能，水溶性界面改性劑可提高瀝青的高溫性能，但效果不如油溶性界面改性劑明顯.

3 結(jié) 論

1) 通過(guò)SEM電鏡掃描試驗(yàn)可知，界面改性劑(油溶性、水溶性)通過(guò)薄膜改性工藝均勻的覆蓋于集料表面，使原本的集料-瀝青兩相界面變成集料-改性劑-瀝青三相兩界面，增加了其界面改性強(qiáng)度.

2) 通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)可知，界面改性劑(油溶性、水溶性)能改善瀝青材料的彈性性能，減少其永久變形的積累，能改善瀝青材料的車(chē)轍因子G*/sinδ，從而提高瀝青材料的高溫性能.

3) 通過(guò)PosiTest AT-A拉拔試驗(yàn)可知，界面改性劑(油溶性、水溶性)能顯著提高集料-瀝青界面強(qiáng)度，且油溶性界面改性劑效果更好.

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