集料表面改性劑對瀝青混凝土水穩定性的影響研究*

陳烜捷 羅 蓉 張安富 馮光樂

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學化學化工與生命科學學院2) 武漢 430070) (湖北省交通廳工程質量監督局3) 武漢 430014)

集料表面改性劑對瀝青混凝土水穩定性的影響研究*

陳烜捷1)羅 蓉1)張安富2)馮光樂3)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430063) (武漢理工大學化學化工與生命科學學院2)武漢 430070) (湖北省交通廳工程質量監督局3)武漢 430014)

為了研究集料表面改性劑對瀝青混凝土水穩定性的影響.通過微觀和宏觀相結合的方法研究集料表面改性劑的改性機理并確定最佳體積分數；采用靜滴法測試瀝青和不同體積分數表面改性劑改性后的集料的表面能參數，計算并分析瀝青與集料的粘附功、剝落功隨改性劑體積分數的變化規律；并進行宏觀瀝青混合料水穩定性試驗，測試水穩定性指標包括浸水殘留穩定度、真空飽水試驗殘留穩定度和凍融劈裂試驗強度比.結果表明，集料表面改性劑可以很好地改善瀝青混合料水穩定性，并且隨集料表面改性劑體積分數的變化瀝青與集料的粘附功、剝落功與瀝青混合料水穩定性的變化規律保持一致.

道路工程；瀝青混凝土；集料表面改性劑；表面能；水穩定性

0 引 言

水損害是瀝青混凝土路面較為常見的路面病害之一，解決水損害問題最主要的方法是提高集料與瀝青的粘附性[1]，其方法主要有兩種：使用與瀝青粘附性較好的堿性集料；向混凝土中添加抗剝落劑.目前常用的抗剝落劑包括：使用消石灰改性，使瀝青與集料在堿性條件下形成更好的粘附；使用胺基高分子聚合物增強瀝青的極性增強瀝青與集料的表面粘附.

以上的兩種方法都可以在一定程度上提高瀝青與集料的粘附，但是都有所不足.使用堿性集料會提高瀝青混合料的水穩定性，但是混合料的強度和耐疲勞性能會有所降低，因為堿性集料的力學性能包括抗壓強度、耐磨耗性能等沒有酸性集料好.而目前抗剝落劑的使用不能從根本上防止水損害的出現.因為加入抗剝落劑后瀝青與集料的膠結強度仍然沒有氫鍵大，當水進入瀝青混凝土后就會以氫鍵的形式與集料結合，使瀝青膜從集料表面剝離[2].并且抗剝落劑還存在其他不足，如易發生離析、熱穩定性較差和耐久性不足等.因此，可以從水損害產生的微觀機理出發，找到一種熱穩定性強，耐久性好的抗剝落措施來提高瀝青混凝土的水穩定性.

鑒于此，采用集料表面改性劑對酸性集料進行表面改性，并結合表面能理論，對集料表面能參數進行測試和計算分析.同時，對瀝青混合料宏觀路用性能展開驗證，從微觀機理上量化集料表面改性劑的有效性，并結合表面能參數與瀝青混合料驗證表面改性劑的最佳體積分數.

1 集料表面改性機理及表面能定義

1.1 集料表面改性的機理

集料表面改性劑的分子中同時具有無機官能團和有機官能團，對集料進行表面處理后，可以在集料(無機材料)和瀝青(有機材料)之間形成橋梁的作用，使瀝青可以在集料表面迅速的鋪展開來并對集料表面形成良好的浸潤.從而提高集料與瀝青的粘附性并進一步提高瀝青混合料的水穩定性能.用表面能理論研究集料表面改性后瀝青與集料結合能的大小可以很好地預測集料表面改性劑對混合料水穩定性能的影響.

1.2 表面能基本參數

表面能理論可以定量的評價瀝青與集料的粘附性大小，通過粘附功、剝落功等指標評價瀝青混合料水穩定性能的好壞[3].

在表面能理論中，γ為物質的表面張力即表面能；γLW為非極性分量范德華力作用；γAB為極性分量Lewis酸堿力作用(其中γ+為酸分量、γ-為堿分量).其中γLW，γ+，γ-為表面能理論的基本參量.

1.3 瀝青與集料的粘附功、剝落功

瀝青與集料的粘附功是指，瀝青與集料在無水條件下發生粘結引起的整個體系表面自由能的減少量，粘附功的絕對值越大，則瀝青與集料之間的粘附越強[4]，兩者粘附功的表達式為

式中：下標s，a為集料和瀝青.

瀝青與集料的剝落功是指，集料表面的瀝青被水分子取代瀝青膜發生剝離，由瀝青-集料界面分離成為瀝青-水、水-集料新界面這一過程中整個體系表面自由能的變化，剝落功值絕對值越大，則瀝青膜越容易從集料表面剝落，混合料發生水損害的可能性也越大[5].則瀝青與集料的剝落功可表示為

(2)

式中：下標w為水.

2 原材料及試驗

2.1 原材料

2.1.1 瀝青

瀝青為70號基質石油瀝青，瀝青三大指標測試結果見表1，均符合文獻[5]的要求.

表1 瀝青三大指標

2.1.2 集料

選用較為典型的酸性集料破碎礫石，力學性能較好，但破碎礫石集料組成較復雜，從顏色分類大致可分為黑色、紅色、青色、黃色和白色這五種.不同顏色的礫石與瀝青的粘附性有所差異，其中除黑色以外，其他四種顏色集料與瀝青的粘附性較差[6]，且這四種顏色集料質量占到集料總質量90%以上，所以需要對集料進行表面改性后才能使集料與瀝青粘附性達到使用要求.選用破碎卵石按粒徑共分為四檔，分別為0～2.36，2.36～4.75，4.75～13.2和13.2～19 mm.各顏色集料質量分數及與瀝青的粘附性結果見表2.

表2 各顏色集料質量百分數與瀝青粘附性

2.1.3 集料表面改性

由于破碎礫石這種集料組成較為復雜，各組成集料與瀝青的粘附性有所差異，若用抗剝落劑對瀝青進行改性，會存在改性后瀝青與集料匹配性欠佳的問題，因此這種改性方法存在一定的不足.若采用直接對集料進行表面改性的方法，一方面可以避開改性瀝青與集料匹配性不佳的問題，另一方面可以解決抗剝落劑熱穩定性較差的問題.采用集料表面改性劑(A偶聯劑)，無色透明液體，可溶于水，熱穩定性能較好可以在水解后噴灑于集料表面[7].將偶聯劑配置成體積分數為0.3%，0.5%，0.7%，1.0%的水溶液，靜置20 min以上.進行表面能試驗時將集料在溶液中浸潤20 s后取出，在170 ℃的溫度下進行干燥固化處理，待集料冷卻至室溫后，進行靜滴法實驗.進行混合料試驗時將溶液以2%的質量比噴灑于集料表面，在170 ℃的溫度下對集料進行干燥固化處理，并進行后續試驗.

2.2 集料與瀝青表面能參數測試試驗及結果

2.2.1 集料表面能測試及結果

采用光學角接觸儀通過靜滴法測定接觸角[8]，測試方法見圖1(圖中θ為接觸角).

圖1 靜滴法測接觸角示意圖

選用黃色破碎卵石進行靜滴法試驗.將集料表面打磨光滑，并測試4種已知表面能參數的溶劑(蒸餾水、甲酰胺、丙三醇和乙二醇)在集料表面的接觸角，將接觸角代入楊氏-杜普雷公式[9]，即.

(3)

不同體積分數集料表面改性劑改性后集料的表面能參數結果見表3.

表3 集料表面能參數

2.2.2 瀝青表面能測試及結果

瀝青表面能測試同樣采用光學角接觸儀測定接觸角，將瀝青制成玻片并用溶劑滴于表面測得接觸角，進而得到瀝青表面能參數見表4.

表4 瀝青表面能參數

2.2.3 表面能試驗結果分析

已經通過靜滴法試驗測得不同體積分數集料表面改性劑處理過的集料的表面能參數和瀝青的表面能參數，將瀝青和集料的表面能參數分別代入式(1)和式(2)可以得到瀝青與集料的粘附功與剝落功.粘附功與剝落功結果見表5.

表5 瀝青與集料的粘附功與剝落功

由表5中粘附功與剝落功的數據可以繪制集料表面改性劑體積分數與瀝青-集料粘附功與剝落功的關系曲線圖，見圖2.

圖2 與集料表面改性劑體積分數關系曲線

由圖2a)可知，隨著集料表面改性劑體積分數的增加，瀝青與集料的粘附功呈上升趨勢，當體積分數大于0.5%后曲線基本呈直線，因此，體積分數為0.5%時粘附功絕對值達到最大，瀝青與集料的粘附性最好.

由圖2b)可知，隨著集料表面改性劑體積分數的增加，瀝青與集料的剝落功呈下降趨勢，在0%～0.5%剝落功絕對值不斷減小，表明瀝青膜從集料表面剝離的可能性越小，混合料發生水損害的可能性也減小；在體積分數0.5%～1.0%曲線基本成直線.因此，集料表面改性劑可以提高混合料的水穩定性，并且0.5%為最佳體積分數.

綜上所述，基于表面能理論，集料表面改性劑可以改變集料表面性質，使瀝青更容易浸潤集料，并且瀝青膜抵抗剝離的能力增強.由計算分析可知，集料表面改性劑(A偶聯劑)體積分數為0.5%時，可以提高瀝青與集料的粘附，并且使混合料抗水損害性能達到最佳.

2.3 瀝青混合料試驗及結果

2.3.1 試驗方案

從微觀機理出發，根據表面能理論計算得到不同體積分數集料表面改性劑改性后，瀝青-集料的粘附功與剝落功.現從宏觀上對機理和改性效果進行驗證，對五種不同體積分數表面改性劑處理的混合料進行水穩定性試驗.選用級配為AC-20C，油石比4.4%，級配曲線見圖3.

圖3 級配曲線

具體的試驗方案見表6.五種混合料試驗方案中，控制變量為集料表面改性劑體積分數，所用原材料、級配以及油石比均保持一致，以對比分析五種試驗方案水穩定性試驗結果的差異.

表6 混合料試驗方案

2.3.2 試驗方法及結果分析

表7 五種方案水穩定性試驗結果匯總 %

瀝青混合料水穩定性的指標隨集料表面改性劑體積分數的變化曲線見圖4.

圖4 混合料水穩定性與集料表面改性劑體積分數關系圖

由圖4可知，五種試驗方案中混合料浸水殘留穩定度、真空飽水試驗殘留穩定度、凍融劈裂強度比隨著體積分數變化的曲線呈現先上升后平緩的趨勢，在表面改性劑體積分數為0.5%混合料水穩定性能達到最佳值.

由以上的分析可以得出結論：集料表面改性劑可以明顯改善混合料的水穩定性能，并且在體積分數為0.5%時集料表面改性劑對混合料水穩定性的改善效果最佳.

2.4 表面能指標與水穩定性關系分析

從水損害產生的微觀機理出發，研究集料表面改性劑對瀝青與集料表面能的影響，結合宏觀混合料水穩定性試驗，驗證表面改性劑對混合料水穩定性的影響.結合這兩方面分析，由瀝青-集料的粘附功與剝落功、混合料水穩定性指標與表面改性劑體積分數的關系曲線可知，五種試驗方案中粘附性與水穩定的強弱關系呈現一定的相關性，強弱順序為方案三≈方案五≈方案四>方案二>方案一.

由以上的分析可知，表面能粘附功與剝落功和混合料水穩定性隨表面改性劑體積分數的變化強弱順序一致，且可以確定改性劑的最佳體積分數為0.5%.這一方面證明了集料表面改性劑改善混合料水穩定性的有效性，另一方面也證明了表面能理論混合料水穩定性的正確性.

3 結 論

1) 由表面能的試驗和計算分析可以得到，集料表面改性劑(A偶聯劑)可以明顯提高瀝青與酸性集料粘附性能和酸性集料混合料的水穩定性，并且當改性劑體積分數為0.5%改性效果最佳，說明改性集料也可作為提高瀝青混合料水穩定性的技術手段之一.

2) 通過表面能計算分析結果與瀝青混合料宏觀水穩定性試驗結果對比分析發現，采用表面能理論得到的瀝青與集料的粘附功、剝落功與瀝青混合料水穩定性的變化規律保持一致，證明表面能理論可有效用于量化集料改性劑對瀝青混合料水穩定性影響并定量確定外摻劑最佳體積分數.

3) 通過室內試驗已證實了集料表面改性劑(A偶聯劑)對改善瀝青混合料水穩定的有效性，但是將其進一步用于大規模制備瀝青混凝土仍需針對性地開展集料改性工藝研究，在保證改性效果的同時便于大規模施工操作.

[1]沈金安.解決高速公路瀝青路面水損害早期損壞的技術途徑[J].公路,2000(5):13-19.

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[4]陳燕娟.酸性集料表面活化技術與粘附機理研究[D].西安：長安大學,2012.

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Effect of Aggregate Surface Modifier on the Moisture Stability of Asphalt Concrete

CHEN Xuanjie1)LUO Rong1)ZHANG Anfu2)FENG Guangle3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(SchoolofChemistry,ChemicalEngineeringandLifeSciences,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)3)

In order to study the effect of aggregate surface modifier on the moisture stability of asphalt concrete, the modification mechanism and the optimum concentration of the surface modifier are studied by the combination of micro and macro approaches. The surface energy parameters of asphalt and aggregates modified by different concentrations of surface modifier are tested by intravenous drop method. Besides, the change of the adhesion work and the stripping power of the asphalt and aggregates are calculated and analyzed. The moisture stability test of the asphalt mixture is tested. The moisture stability indexes include the stability of water immersion, the residual stability of vacuum saturated water test and the strength ratio of freeze-thaw splitting test. The results show that the surface modifier can improve the moisture stability of the asphalt mixture and improve the adhesion of the asphalt and aggregate with the change of the concentration of the surface modifier. The law of change is consistent.

road engineering; asphalt concrete; aggregate surface modifier; surface energy; moisture stability

2017-04-18

*交通運輸部建設科技計劃項目資助(2014318J22120)

U414.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.022

陳烜捷(1993—)：男，碩士生，主要研究領域為道路與橋梁工程