偶聯(lián)劑-熟石灰表面改性對RAP性能的影響研究

李周強，張明月

(1.湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四○二隊，湖南 長沙 410000； 2.湖南省勘測設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410000； 3.南京城市建設(shè)管理集團有限公司，江蘇 南京 210000； 4.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114)

據(jù)交通運輸部資料顯示，截止到2019年底我國公路通車里程達到501.25萬km，且90%以上為瀝青混凝土柔性路面，隨著使用壽命的延長以及不斷增加的交通量，越來越多的瀝青路面面臨著大中修養(yǎng)護以及改擴建，每年將產(chǎn)生千萬噸的銑刨料(RAP)，且隨著時間的延長以每年20%的速度增加，若將如此大體量的銑刨廢料丟棄，不僅占用了大量公共用地資源，還對自然環(huán)境造成了不可修復(fù)的影響，無法滿足我國對于綠色公路養(yǎng)護與建設(shè)的要求。同時隨著石料資源的不斷消耗，國內(nèi)外石料資源短缺是公路建設(shè)面臨的重大問題之一，直接導(dǎo)致了公路工程造價的提高。所以從國家綠色公路發(fā)展要求、環(huán)境保護、工程造價等方面考慮，如何高效回收利用RAP成為公路建設(shè)面臨的主要技術(shù)性問題[1-2]。

瀝青路面再生是解決上述問題的重要技術(shù)手段，按溫度要求分為熱再生和冷再生。目前國內(nèi)外熱再生技術(shù)及裝備研究相對成熟，但是其與冷再生相比存在需加熱消耗能源、產(chǎn)生瀝青煙污染環(huán)境、設(shè)備要求高等明顯缺點，所以冷再生在減少造價、節(jié)約資源、保護環(huán)境、實現(xiàn)公路行業(yè)綠色發(fā)展等方面更具優(yōu)勢。但是由于RAP銑刨料表面老化瀝青的存在，使用過程中與乳化瀝青黏附性較差，直接導(dǎo)致冷再生瀝青路面在力學(xué)強度、水穩(wěn)定性、疲勞耐久性等方面存在不足，所以提升冷再生瀝青混合料的綜合性能是國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究的主要方向[3-6]。

綜合以上研究，目前對于RAP的研究多集中在團粒結(jié)構(gòu)、級配分級、回收方式等方面，對于提升冷再生混合料性能的研究集中在配合比設(shè)計方法、外加材料、再生劑、成型及試驗方法等方面，而對于RAP的表面特性以及表面特性對性能的影響規(guī)律研究很少，所以本研究基于偶聯(lián)劑和熟石灰對RAP銑刨料的復(fù)合改性效果，探索其對RAP表面特性和黏附性的影響，并對改性前后冷再生混合料的力學(xué)強度、水穩(wěn)定性、疲勞耐久性進行對比分析，為公路建設(shè)和養(yǎng)護提供了一定的基礎(chǔ)研究。

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 原材料

本研究使用的乳化瀝青為自制的陽離子慢裂快凝乳化瀝青，固含量達到61.7%，具體指標(biāo)均滿足規(guī)范的技術(shù)要求。RAP來自于高速公路瀝青路面大中修工程，經(jīng)過試驗室篩分，其結(jié)果與規(guī)范要求基本吻合，所以本文所涉及的冷再生瀝青混合料中集料采用100%銑刨料，這也有利于控制級配，并以此單純評價改性劑效果。

本研究所用偶聯(lián)劑為常用硅烷偶聯(lián)劑KH-570，性能如下：色譜純度98.7%,密度0.950 g/cm3，折射率1.426 m/s。熟石灰具有較強的極性，常溫下較難與瀝青粘結(jié)，技術(shù)指標(biāo)如下：氫氧化鈣96.31%,氯化物0.01%,硫酸鹽0.22%,鎂鹽0.18%,其他成分0.01%。為達到復(fù)合改性的效果，對改性機理進行科學(xué)分析，本文分別采用硅烷偶聯(lián)劑、生石灰以及兩者復(fù)合對RAP進行表面改性處理，3種改性劑制備方法如下所述：

a.將偶聯(lián)劑置于乙醇水溶液中，其中偶聯(lián)劑∶水∶乙醇=1∶1∶3，乙醇有利于偶聯(lián)劑在水中分散和電離，用醋酸將配置好溶液的pH調(diào)至4左右，靜置一段時間即得到硅烷偶聯(lián)劑改性劑。

b.將熟石灰粉末和水按3∶10比例置于容器內(nèi)，在30 ℃條件下攪拌30 min，即為熟石灰改性劑。

c.將上述制備好的硅烷偶聯(lián)劑和熟石灰改性劑混合，同樣在30 ℃條件下攪拌30 min，得到硅烷偶聯(lián)劑改性劑質(zhì)量為1%、2%、3%、4%和5%的硅烷偶聯(lián)劑-熟石灰復(fù)合改性劑，如圖1所示。

圖1 RAP表面改性劑試樣

1.2 配合比設(shè)計

根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTGT 5521-2019)要求進行配合比設(shè)計，合成級配如表1所示。

表1 乳化瀝青冷再生混合料級配設(shè)計Table1 Gradationdesignofemulsifiedasphaltcoldrecy-clingmixture級配類型不同篩孔(mm)的通過率/%31.526.513.24.752.360.3合成級配100.098.676.833.018.45.7

1.3 試樣制備與試件成型

為達到性能對比的目的，在乳化瀝青冷再生混合料試樣制備時改變表面改性劑的摻量，同時保證合成級配和2%水泥用量穩(wěn)定不變。根據(jù)配合比設(shè)計結(jié)果，100%RAP摻量的冷再生瀝青混合料的最佳乳化瀝青用量為4.3%。

為避免二次擊實對已硬化的水泥水化物造成一定破壞，所以本次采用一次性雙面擊實112次，然后在20 ℃條件下養(yǎng)生7 d的試件成型方式。

2 試驗方法

2.1 接觸角試驗

本文采用RAP表面老化瀝青與乳化瀝青間接觸角大小間接評價RAP與乳化瀝青的黏附性，接觸角越小表示其粘附力越強，粘附力與接觸角的關(guān)系式如式(1)所示。試驗儀器采用接觸角測量儀，它是根據(jù)表面能理論測定接觸角的，試驗過程如下：①首先將RAP表面的瀝青用三氯乙烯稀釋剝離，并將三氯乙烯蒸發(fā)出去形成純老化瀝青；②然后使老化瀝青加熱熔融滴在載玻片上形成瀝青膜，如圖2所示；③接著分別浸入上述制備的表面改性劑中30 min；④最后使用接觸角測量儀測定接觸角數(shù)值。

圖2 接觸角試驗

W=γ(cosθ+1)

(1)

式中：W是固液間的粘附力；γ是液體的表面張力；θ是固液間的接觸角。

2.2 黏附性試驗

對《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E2-2011)中的沸煮試驗進行改進，以此評價RAP與乳化瀝青的黏附性。選擇粒徑為13.2～16 mm的接近立方體的RAP，用表面改性劑處理后使其自然干燥，將處理過的RAP在乳化瀝青中浸泡1 min，取出后懸掛于室溫中24 h，然后將粘有乳化瀝青的RAP置于60 ℃水中3 min，觀察乳化瀝青的剝離情況，以確定黏附等級，如圖3所示。

圖3 RAP與乳化瀝青黏附性試驗(沸煮前后)

3 結(jié)果與討論

3.1 接觸角試驗

接觸角與表面能具有很好的相關(guān)性，接觸角越小，表面能越強，形成的浸潤和吸附能力就越強，接觸角試驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 接觸角隨復(fù)合改性中硅烷偶聯(lián)劑摻量的變化規(guī)律

圖5 不同表面改性劑的接觸角試驗結(jié)果

由圖4試驗結(jié)果可知，對于復(fù)合改性劑隨著硅烷偶聯(lián)劑摻量的增加，RAP表面的老化瀝青與乳化瀝青的接觸角先減小后增大，摻量為3%接觸角最小，同時由圖5可知接觸角的大小排序為：復(fù)合改性劑(硅烷偶聯(lián)劑3%)<熟石灰改性劑<未添加改性劑<硅烷偶聯(lián)劑改性劑。這表明熟石灰改性劑和一定硅烷偶聯(lián)劑摻量的復(fù)合改性劑均可降低RAP與乳化瀝青的接觸角，增加兩者間的浸潤和吸附能力，對提高黏附性起到實質(zhì)性效果，而熟石灰改性劑的效果稍差。

乳化瀝青表面的親油基團與RAP表面瀝青的親油基團相容性較差，阻礙了乳化瀝青顆粒在瀝青表面的擴散。由此分析表面改性劑的作用機理是：

a.熟石灰改性劑呈強堿性，其單獨改性時與呈弱酸性的老化瀝青發(fā)生酸堿反應(yīng)形成鈣鹽，這些鈣鹽具有一定的極性，可以形成較強的化學(xué)鍵，由于RAP表面的鈣離子能促進乳化瀝青的吸附和破乳，由此增強乳化瀝青與RAP的附著力。

b.對于硅烷偶聯(lián)劑-熟石灰復(fù)合改性劑，硅烷偶聯(lián)劑將熟石灰中的Ca(OH)2固體顆粒黏附在瀝青表面，其親水基團與Ca(OH)2分子形成H鍵，另一方面硅烷偶聯(lián)劑的親油基團與RAP表面老化瀝青中的有機物反應(yīng)形成化學(xué)鍵，化學(xué)鍵能很好地吸附于老化瀝青表面，形成老化瀝青-硅烷偶聯(lián)劑-Ca(OH)2-乳化瀝青的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，使老化瀝青與乳化瀝青粘結(jié)牢固，提升RAP與乳化瀝青的黏附性，如圖6所示。由于老化瀝青呈弱酸性，所以熟石灰改性劑的改性效果弱于復(fù)合改性劑。根據(jù)接觸角隨硅烷偶聯(lián)劑的變化趨勢，確定復(fù)合改性劑中硅烷偶聯(lián)劑的摻量為3%，后續(xù)冷再生混合料性能研究均采用3%硅烷偶聯(lián)劑的復(fù)合改性劑。

圖6 表面改性劑改性機理示意圖

3.2 黏附性試驗

根據(jù)改進后的試驗方法對不同表面改性劑處理的RAP進行黏附性試驗，通過觀察水煮后乳化瀝青的剝落情況判斷RAP與乳化瀝青的黏附等級，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 經(jīng)不同表面改性劑處理的RAP與乳化瀝青的黏附性試驗結(jié)果Table2 Adhesiontestresultsofraptreatedwithdifferentsurfacemodifiersandemulsifiedasphalt表面改性劑類型水煮后剝離面積粘附等級未添加改性劑>30%2硅烷偶聯(lián)劑改性劑>30%2熟石灰改性劑<30%3復(fù)合改性劑(硅烷偶聯(lián)劑1%)<30%3復(fù)合改性劑(硅烷偶聯(lián)劑2%)<10%4復(fù)合改性劑(硅烷偶聯(lián)劑3%)<10%4復(fù)合改性劑(硅烷偶聯(lián)劑4%)<10%4復(fù)合改性劑(硅烷偶聯(lián)劑5%)<30%3

由表2可知，未經(jīng)處理和經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理的RAP瀝青剝離面積均超過30%，黏附等級為2級；經(jīng)熟石灰改性劑和復(fù)合改性劑(硅烷偶聯(lián)劑1%和5%)處理的剝離面積為10%～20%，黏附等級為3級；經(jīng)復(fù)合改性劑(硅烷偶聯(lián)劑2%、3%、4%)處理的剝離面積均小于10%，黏附等級達到4級，這與接觸角試驗表現(xiàn)的表面改性劑改性效果基本一致，硅烷偶聯(lián)劑-熟石灰復(fù)合改性能提高乳化瀝青對RAP的浸潤能力，黏附性顯著提升。

3.3 凍融劈裂試驗

由于RAP與乳化瀝青的黏附性較差，兩者之間的界面較為薄弱，直接導(dǎo)致乳化瀝青冷再生混合料在水作用下極易破壞，水穩(wěn)定性不滿足路用性能要求，所以本研究對冷再生瀝青混合料進行凍融劈裂強度，驗證表面改性劑對水穩(wěn)定性的影響，試驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，冷再生瀝青混合料的劈裂強度、凍融劈裂強度、凍融劈裂強度比的大小排序表現(xiàn)為：未添加改性劑<硅烷偶聯(lián)劑改性劑<熟石灰改性劑<復(fù)合改性劑，經(jīng)復(fù)合改性后凍融劈裂強度比提高14%，這表明RAP經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑-熟石灰復(fù)合改性后力學(xué)強度和水穩(wěn)定性顯著提高，這均是由于復(fù)合改性劑的作用下形成了老化瀝青-硅烷偶聯(lián)劑-Ca(OH)2-乳化瀝青穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，使RAP與乳化瀝青結(jié)合能力更強，有效地阻止了荷載和動水沖刷造成的界面破壞。

3.4 間接拉伸疲勞試驗

根據(jù)設(shè)置的試驗參數(shù)進行間接拉伸疲勞壽命測定，接著對疲勞壽命進行S-N疲勞壽命線性擬合，以此判斷復(fù)合表面改性劑對冷再生混合料疲勞耐久性的提升效果，試驗結(jié)果見圖8。

由圖8可知，隨著應(yīng)力比t的增大，任何一種冷再生混合料的疲勞壽命Nf均逐漸減小。在相同應(yīng)力比條件下，硅烷偶聯(lián)劑-熟石灰復(fù)合改性劑處理的乳化瀝青冷再生混合料的疲勞壽命達到10 026次，而未處理和硅烷偶聯(lián)劑改性劑處理的疲勞壽命分別僅為4 069次和4 357次，復(fù)合改性處理后疲勞壽命成倍提高，這均和RAP與乳化瀝青界面形成的老化瀝青-硅烷偶聯(lián)劑-Ca(OH)2-乳化瀝青穩(wěn)固結(jié)構(gòu)有關(guān)，較強的界面結(jié)合能力能較好地抵抗反復(fù)荷載的作用，疲勞耐久性顯著增強。

圖8 不同表面改性劑的乳化瀝青冷再生混合料的疲勞方程擬合曲線

4 結(jié)論

a.對于硅烷偶聯(lián)劑-熟石灰復(fù)合改性處理的RAP，與乳化瀝青結(jié)合后硅烷偶聯(lián)劑將熟石灰中Ca(OH)2黏附在瀝青表面，在親水基團與親油基團作用下形成老化瀝青-硅烷偶聯(lián)劑-Ca(OH)2-乳化瀝青的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，RAP與乳化瀝青黏附性顯著增強。

b.隨著硅烷偶聯(lián)劑摻量的增加，RAP表面的老化瀝青與乳化瀝青的接觸角先減小后增大，對于未處理的情況接觸角減小12.3°，同時經(jīng)水煮法測定的黏附等級達到4級，一定硅烷偶聯(lián)劑摻量的復(fù)合改性劑可增加兩者間的浸潤和吸附能力，復(fù)合改性劑中硅烷偶聯(lián)劑的最佳摻量為3%。

c.復(fù)合改性后冷再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比提高14%，疲勞壽命成倍增加，硅烷偶聯(lián)劑-熟石灰復(fù)合改性增強了界面結(jié)合的強度。通過對RAP表面特性的改善，力學(xué)性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能均得到實質(zhì)性改善，RAP銑刨料的利用率顯著提高。