¹山东高速路桥国际工程有限公司，山东 济南

²山东省交通科学研究院，山东 济南

收稿日期：2022年7月29日；录用日期：2022年8月9日；发布日期：2022年8月24日

摘要

采用岩沥青和硅烷偶联剂配制复合改性沥青改善花岗岩集料的粘附性，结果表明：硅烷偶联剂和岩改沥青的掺加均对沥青的抗温度变形能力和高温性能有提升作用，在双掺硅烷偶联剂和岩沥青时，硅烷偶联剂可以弥补了岩沥青低温差的缺点；抗剥落剂的加入明显地提高了沥青与花岗岩集料的粘附性，且水稳定性有所改善，偶岩复合岩改沥青的效果比单一抗剥落剂的改性沥青的效果更佳。

关键词

岩沥青，花岗岩集料，粘附性，偶联剂，抗剥落剂

Influence of Different Modified Rock Asphalts on the Adhesion of Granite Aggregate

Liang Wang¹, Jincheng Wei², Xiangqian Pang¹, Xu Jiang¹, Lei Zhang^2*, Zhaoyun Sun²

¹Shandong HI-SPEED ROAD&BRIDGE International Engineering Co., Ltd., Jinan Shandong

²Shandong Transportation Research Institute, Jinan Shandong

Received: Jul. 29^th, 2022; accepted: Aug. 9^th, 2022; published: Aug. 24^th, 2022

ABSTRACT

Rock asphalt and silane coupling agent are used to prepare composite modified asphalt to improve the adhesion of granite aggregate. The results show that the addition of silane coupling agent and modified rock asphalt can improve the temperature deformation resistance and high-temperature performance of asphalt. When adding a silane coupling agent and rock asphalt, the silane coupling agent can make up for the shortcomings of rock asphalt at low temperature; the addition of anti-stripping agent significantly improves the adhesion between asphalt and granite aggregate, and the water stability is improved. The effect of modified asphalt with rock matrix composite is better than that of modified asphalt with single anti-stripping agent.

Keywords:Rock Asphalt, Granite Aggregate, Adhesion, Coupling Agent, Anti-Stripping Agent

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

花岗岩属于酸性集料，当初期作为沥青混合料集料时，由于粘附性较差，沥青丧失原有的将粗细集料粘结在一起的功能，导致路面强度下降，进而产生破坏 [1] [2] [3] [4]。为了减少花岗岩沥青路面的损坏问题，需从改善沥青与集料的粘附性入手，找出合适的方法提高粘附性。已有研究 [5] [6] [7] [8] [9] 表明抗剥落剂能够提高沥青与集料的粘附性，进而提高沥青混合料的水稳定性，使沥青混合料具有良好的抗水损害能力。抗剥落剂是沥青改性剂的总称，通过在沥青中加入表面活化剂等成分，提高沥青与集料的粘附性。岩沥青作为天然沥青，在自然环境中经过了长时间的氧化和缩合作用，工程性质稳定，抗氧化能力强，从而大大提高改性沥青的耐久性能，近年来越来越广泛地运用到抗剥落剂中 [10] [11] [12] [13]，岩沥青中含氮量较高，且氮元素多以官能团的形式存在，正是由于沥青质中极性官能团的存在，岩沥青与岩石表面之间有着非常强的吸附力，粘度大、抗氧化性强，从而显著改善了沥青混合料的抗水损坏能力 [14] [15] [16]。虽然岩改沥青与花岗岩集料有较好的粘附性，且高温性能和耐久性均较好，但低温性能不佳。有研究证明 [6] [17] [18]，硅烷偶联剂改性沥青具有较好的水稳定性，但长期耐久性偏弱。有学者 [1] 指出两种抗剥落剂混合使用产生叠加效应，会产生互补效果。因此，本文通过岩沥青和硅烷偶联剂配制复合改性沥青，既能提高混合料的抗剥落性，还能弥补硅烷偶联剂改性沥青耐久性不足、岩沥青改性沥青低温性能差的缺点，所以本项目采用的硅烷偶联剂和岩沥青对基质沥青进行复合改性，配制偶岩复合改性沥青，验证其对花岗岩集料的粘附性的影响作用。

以70-A基质沥青、0.3%硅烷偶联剂改性沥青、5%岩改沥青及偶岩复合改性沥青(0.3%硅烷偶联剂 + 5%岩沥青复合改性沥青)为研究对象，通过常规沥青性能试验、SHRP沥青流变性能试验及其与花岗岩集料的粘附性试验，对比分析掺加不同抗剥落剂的改性沥青性能。

2. 原材料选择与改性沥青制备

2.1. 原材料选择

岩沥青是一种天然沥青，黑色固体，含有ZnO、SnO₂、TiO₂等氧化物，具有吸收紫外线的特性，是其抗老化性的来源；选用的硅烷偶联剂规格型号为KH-550，在水中水解，呈碱性，聚合形成硅氧烷，与沥青有较好的相容性，对提高沥青和集料的粘附性起到了重要的作用。本试验采用70-A道路石油沥青，作为空白对照组使用，试验方案如表1所示。

表1. 不同改性沥青方案

2.2. 改性沥青制备

1) 岩沥青改性沥青的实验室制备

先将70-A基质沥青加热至145℃，搅拌温度先设150℃随着岩沥青的加入逐渐提高至165℃，从添加岩沥青开始计时40 min加完岩沥青，边搅拌边加岩沥青，加完岩沥青后在165℃条件下继续搅拌20 min，放165℃烘箱发育1 h、发育完再165℃搅拌15 min。

2) 硅烷偶联剂改性沥青的制备

先将70-A基质沥青加热至145℃，搅拌温度先设150℃随着硅烷偶联剂的加入提高至160℃，从开始加硅烷偶联剂计时50 min加完硅烷偶联剂，边搅拌边加硅烷偶联剂，加完硅烷偶联剂后在160℃条件下继续搅拌30 min，放80℃烘箱发育2 h。

3) 偶岩复合改性沥青的制备

先将70-A基质沥青加热至145℃，搅拌温度先设150℃随着硅烷偶联剂的加入设为160℃，从加硅烷偶联剂计时50 min加完硅烷偶联剂，边搅拌边加硅烷偶联剂，加完硅烷偶联剂160℃条件下加岩沥青(40 min加完岩沥青)，加完岩沥青165℃继续搅拌30 min、放165℃烘箱发育1 h。

通过沥青性能的三大指标试验、布氏旋转粘度试验、DSR试验、BBR试验等研究各岩改性沥青的基本性能；通过粘附性试验对比分析各岩改性沥青与花岗岩集料的粘附性能。

3. 不同改性沥青性能分析

3.1. 对针对度的影响

由图1可以看出，方案A的基质沥青的针入度指数最小，为−0.81，温度敏感性最差，受外界温度变化影响更大；方案B岩改沥青、方案C的硅烷偶联剂改性沥青和方案D的偶岩复合改性沥青的针入度指数相对于基质沥青均增大，分别为−0.47、−0.53和−0.46。温度敏感性降低，说明掺加抗剥离剂后，改性沥青的抗温度变形能力有所提高。

3.2. 对高温性能的影响

沥青的高温性能的指标一般由软化点和135℃布氏粘度评价。图2可以看出软化点性能优劣的排序：方案B岩改性沥青 > 方案D偶岩复合改性沥青 > 方案C偶联剂改性沥青 > 方案A基质沥青，三种改性沥青的软化点均大于方案A的基质沥青，说明各改性沥青的高温性能均得到了不同程度的提升；各种沥青的135℃布氏粘度均小于3 Pa·s，说明它们不仅有较高的高温性能，而且有较高的粘度和良好的施工和易性。综合上述性能指标，方案B的岩改性沥青的高温性能最优。

3.3. 对低温性能的影响

表征沥青的低温性能的指标为10℃延度，延度越高表明其低温性能越好。从图3可以看出低温性能优劣的排序：方案C偶联剂改性沥青 > 方案A基质沥青 > 方案D偶岩复合改性沥青 > 方案B岩改性沥青。方案B的岩改性沥青延度最低，为10 cm，说明岩沥青的加入降低了沥青的低温抗裂性能，但掺加了硅烷偶联剂的方案D的沥青延度提升到了20 cm，提升效果明显。硅烷偶联剂中含有无机官能团，可与岩沥青之间增强基团反应，建立起结构稳定的“分子桥”，增强沥青的低温性能，弥补了岩沥青低温差的缺点。

图1. 各种改性沥青针入度指数对比

图2. 各种改性沥青软化点和粘度对比

图3. 各种改性沥青10℃延度对比

4. 不同改性沥青对花岗岩集料的粘附性分析

短期老化主要是由建设期时沥青路面的沥青热老化造成的，一般从沥青离开拌和站，到沥青路面压实后温度降至自然温度结束。采用薄膜烘箱可以模拟短期老化，对各改性沥青方案进行老化后的常规性能试验和粘附性试验对比，试验过程如图4所示。

由表2可以看出，短期老化对方案B的5%岩改性沥青、方案C的0.3%硅烷偶联剂改性沥青及方案D的偶岩复合改性沥青高温性能影响较小，其中方案B的5%岩改性沥青的软化点比为最小，说明其老化岩改性沥青作用不明显；方案B的5%岩改性沥青10℃延度比只有16.0%，说明岩改性沥青的低温延展性较差，方案D的偶岩复合改性沥青的10℃延度比比方案B的5%岩改性沥青提高了1.5倍，硅烷偶联剂和岩沥青的叠加效果弥补了岩沥青低温性能的缺陷；偶岩复合改性沥青的老化后的针入度比最大，比岩改性沥青的残留针入度比提高了14.4%，说明偶岩复合岩改沥青的老化性能比单一抗剥落剂的改性

图4. TFOT后各种沥青常规性能试验

表2. 老化试验后各种沥青常规性能试验结果

表3. 短期老化后各种沥青与集料粘附性试验结果

沥青的老化性能有所提高。

由表3短期老化沥青粘附性试验结果可以看出，掺加抗剥落剂的各改性沥青经过短期老化后，只有偶岩复合改性沥青的粘附性等级没有改变；方案A的基质沥青TFOT后残留物与花岗岩集料的粘附性等级较原样沥青降低一个等级，由二级降到了一级；而方案B的5%岩改性沥青和方案C的0.3%硅烷偶联剂改性沥青的粘附等级同样降低了一个等级，由五级降到了四级，而方案D的偶岩复合改性沥青的粘附等级没有改变。说明抗剥落剂的加入明显地提高了沥青与花岗岩集料的粘附性，且水稳定性有所改善；而偶岩复合改性沥青还能达到五级，说明偶岩复合改性沥青与花岗岩集料表现出优异的粘附性；综合性能分析，偶岩复合改性沥青与花岗岩集料的粘附性和水稳定性均最佳。

5. 结论

通过分析不同改性沥青的性能发现以下结论：

1) 硅烷偶联剂和岩改沥青的掺加均对沥青的抗温度变形能力和高温性能有提升作用；

2) 岩沥青的掺加降低了沥青的低温抗裂性能，但在双掺硅烷偶联剂和岩沥青时，硅烷偶联剂可以弥补岩沥青低温差的缺点；

3) 抗剥落剂的加入明显地提高了沥青与花岗岩集料的粘附性，且水稳定性有所改善，偶岩复合岩改沥青的效果比单一抗剥落剂的改性沥青的效果更佳。

文章引用

王 亮,韦金城,庞向前,蒋 旭,张 磊,孙兆云. 不同改性岩沥青对花岗岩集料粘附性的影响
Influence of Different Modified Rock Asphalts on the Adhesion of Granite Aggregate[J]. 土木工程, 2022, 11(08): 974-980. https://doi.org/10.12677/HJCE.2022.118105

参考文献