界面改性半柔性路面材料的抗剪性能研究

　　摘要：基于抗剪试验，研究了一种界面改性剂对半柔性路面材料的性能影响。研究结果表明：界面改性剂适宜掺量为0.4～0.6%（质量分数）。掺量0.4%下，半柔性路面材料的抗剪强度达到1.83MPa，通过界面改性，半柔性路面材料的综合性能更加完善。
　　关键词：界面改性；半柔性路面材料；抗剪；
　　中图分类号：U414文献标志码：A
　　前言
　　半柔性沥青路面材料属于密实-骨架嵌挤型结构，其高温稳定性能大大优于普通沥青混凝土路面，又由于其以具有一定柔性的沥青混凝土作为骨架结构，其低温抗裂性能也优于普通水泥混凝土，同时具备沥青路面和水泥路面的优点，且屏蔽了两者的缺点。这种新型的复合路面材料能够解决沥青混凝土路面的车辙、水损坏以及水泥混凝土路面的断板、脱空和唧泥等病害[1-2]。沥青路面最主要的问题便是车辙，尤其是夏季高温季节的时候。在城市道路、高速公路收费站、服务区以及机场跑道等重载区域，沥青路面的车辙成为主要病害。半柔性路面的高承载力、抗车辙优势便体现出来了。
　　半柔性路面最早是法国的专利，称为“Salviacim”施工法。1961年在日本以“半柔性路面和半柔性路面施工法”为名申请了专利，至此以后，美国、英国等都相继开始了半柔性路面材料的多项研究，各项研究都取得了引人瞩目的成果。近年来，国内也铺筑了半柔性路面的试验段并展开了相关的研究工作。目前的研究主要集中在基体沥青混合料的级配设计以及水泥胶浆的优化配比等单个方面，而关于界面对半柔性路面材料的性能影响的研究很少。半柔性路面材料是一种有机和无机相结合的复合材料，其界面的性质直接影响到半柔性路面材料的力学性能和路用性能[3]。从目前应用的情况来看，该种路面结构在实际工程应用中存在易开裂、抗疲劳能力差等问题。笔者运用表面活性理论和界面效应，通过使用自主研发的界面改性剂来制备一种界面改性的半柔性路面材料，以达到增强水泥胶浆和沥青之间的界面粘结性能，并通过抗剪试验研究界面改性剂对半柔性路面材料的性能影响。
　　1原材料
　　1.1沥青
　　本研究选用壳牌SBS改性沥青，具体指标见表1。
　　 表1SBS改性沥青的主要性能指标
　　技术指标 试验结果
　　针入度（25℃、100g、5s）/0.1mm 51
　　软化点（环球法）/℃ 79.0
　　延度(5℃、5cm/min)/cm 36
　　旋转薄膜烘箱试验 延度(5℃)/cm 24
　　 质量损失/% 0.04
　　1.2集料
　　本研究粗集料为玄武岩，细集料为玄武岩机制砂，压碎值11%，洛杉矶磨耗14%，表观密度2.891g/cm3，针片状含量8%，吸水率0.4%。矿粉采用普通石灰石矿粉，视密度2.646g/cm3。
　　1.3水泥
　　本研究选用华新P.O42.5普通硅酸盐水泥。
　　1.4界面改性剂
　　本研究通过使用硅烷偶联剂、乙醇类溶剂、水杨酸镧类催化剂和氨基类稳定剂自主研发一种界面改性剂。
　　2配合比设计及试验方案
　　2.1界面改性水泥胶浆的配比设计
　　水泥胶浆通常由胶结料（水泥）、细集料（砂）和水配制而成。水泥胶浆的配制原则是保证浆体在多孔沥青混合料的孔隙中自由填充而不产生离析,水泥胶浆要有足够的流动度和粘度。水泥浆体灌注后,会发生塑性收缩这样一个过程，为了调节水泥胶浆的收缩，同时保证水泥浆体与沥青的良好结合性，我们采用膨胀剂改善水泥胶浆的体积稳定性。此外，为了达到界面改性的目的，在制备水泥砂浆的时候同时添加一定的界面改性剂。
　　本研究通过正交实验，确定水泥胶浆的配合比见表2。采用该配合比制备的水泥胶浆流动度为11.87s，28d抗压强度为29.6Mpa，28d抗折强度为8.33Mpa，收缩值为0.48mm。
　　表2水泥胶浆配合比
　　水泥(%) 粉煤灰(%) 膨胀剂(%) 砂(%) 水(%) 减水剂(%) 界面改性剂（%）
　　46.5 7.0 14.0 27.9 4.7 0.6 0-1.0
　　2.2基体沥青混合料的配合比设计
　　半柔性路面材料属于骨架―密实结构，而基体沥青混合料则属于骨架―空隙结构，即基体沥青混合料在形成骨架的同时必须提供足够的空隙率[14]。为了使半柔性路面材料具有较好的力学性能和路用性能，基体沥青混合料的配合比设计方法就显得尤为重要。笔者采用沥青混合料体积设计法，通过调整4.75mm和2.36mm两个关键筛孔的通过率，设计了空隙率分别为30%的基体沥青混合料。
　　2.3试验方案
　　笔者主要研究界面改性剂对半柔性路面材料的抗剪性能的影响，并确定最佳的界面改性剂掺量。采用体积法设计空隙率为30%的基体沥青混合料，分别灌入掺有不同质量比的界面改性，并且满足28d抗压强度为30MPa具有良好流动度（11.87s）的水泥胶浆；分析界面改性剂对复合材料抗剪性能的影响效果，确定界面改性剂的最佳掺量。
　　3试验结果与分析
　　目前通常采用的三轴压缩试验测试抗剪强度的方法非常复杂，数据存在较大的离散性，本研究采用同济大学孙立军、毕玉峰等人提出的单轴贯入法测试CAE混合料的抗剪强度。
　　单轴贯入试验类似于土工试验方法中的CBR试验，其原理是在试件上通过一钢压头进行加压，压头的直径小于试件的直径，用d/D来表示两个物体直径的比值，d为压头的直径，D为试件的直径。通过这个试验来模拟路面中的实际受力状态，然后通过力学公式的推导，求出混合料的抗剪强度[5]。本试验在MTS材料试验机上进行，试验条件：①试件尺寸：Φ100mm×100mm；②试验温度：60℃，保温6h；③加载速率：1mm/min。
　　通过增加一组无侧限抗压试验，借助三轴试验原理，即可求解沥青混合料的两个重要材料参数粘聚力c以及内摩擦角φ。混合料的粘聚力C和内摩擦角Φ可由以下公式计算：
　　
　　式中：σ1——贯入试验求得的第一主应力，MPa；
　　σ3——贯入试验求得的侧向应力，MPa；
　　σu——无侧限抗压试验求得的压应力，MPa。
　　利用单轴贯入试验测得的试验结果见表3。
　　表3不同掺量下的抗剪强度
　　掺量/% σ1(MPa) σ3(MPa) C(MPa) Φ(度) τ(MPa)
　　0 2.64 0.30 0.43 40.53 1.17
　　0.2 3.66 0.42 0.58 40.82 1.62
　　0.4 4.12 0.47 0.65 41.25 1.83
　　0.6 5.14 0.60 0.69 41.90 2.32
　　0.8 5.39 0.65 0.71 41.80 2.45
　　1.0 5.57 0.76 0.73 42.40 2.51
　　
　　由表3可以看出，随着界面改性剂掺量的增加,半柔性路面材料的内摩擦角变化不大，这是因为内摩擦角主要是由矿料级配、颗粒形状、表面特征和沥青膜厚度决定的，而界面改性剂的加入并没有改变混合料的这些性质。但是，随着界面改性剂的加入，半柔性路面材料的粘聚力及抗剪强度都有很明显的提高，这是因为界面改性剂改变了半柔性路面材料的沥青-水泥胶浆界面效应。根据物理化学的观点，沥青和水泥胶浆之间的的相互作用是一个非常复杂的、多种多样的吸附过程，它们包括沥青层被水泥胶浆表面的物理吸附过程，沥青与水泥胶浆接触界面上的化学吸附过程，以及沥青组分向水泥胶浆的选择性扩散作用过程，其中化学吸附是界面粘结强度的主导因素。同时，根据表界面浸润理论可知：液体粘度越低，浸润时间越短，浸润速度越快，普通的灌浆法制备的半柔性路面材料在形成沥青-水泥界面的时候，沥青处于常温状态，粘度很大，浸润时间长，因此难以在两者界面形成良好的粘接和过渡层，主要是在粘接的界面形成物理交联。根据复合材料界面效应，相互交接的界面处能量最高，并且是应力集中的地方，因此，有机-无机界面粘结性能是半柔性路面材料的粘聚力和抗剪强度的主要原因。本研究采用界面改性剂，一方面将会在沥青表面重新形成一层极性小的过渡层，从而更有利于其与水泥胶浆的润湿，并加强表面能效应；另一方面将会在沥青表面形成的过渡层提供阳离子基团，有利于与水泥砂浆发生化学胶结作用，并形成互穿网络结构[5-7]。根据化学键力理论，与硅相连的3个Si-X基水解成Si-OH的低聚硅氧烷，Si-OH又会与水泥砂浆表面的OH形成氢键，同时还会与水泥砂浆表面的Si-OH发生缩合反应，形成共价键结合。经过界面改性的水泥砂浆会由亲水性转变为亲油性，这样可以明显的提高基体沥青混合料与水泥砂浆之间的界面粘结力。从表3可以看出，随着界面改性剂掺量的增加，半柔性路面材料的粘聚力和抗剪强度随之增大，掺量在0-0.6%之间效果明显，再增加界面改性剂对粘聚力和抗剪强度的影响不大，因此，从经济上综合认为，界面改性剂的最佳掺量在0.4-0.6%之间。
　　4结论及展望
　　本研究采用界面改性剂，将会在沥青表面形成的过渡层提供阳离子基团，有利沥青于与水泥砂浆发生化学胶结作用，并形成互穿网络结构，形成共价键结合，这样可以明显的提高基体沥青混合料与水泥砂浆之间的界面粘结力。通过掺加界面改性剂，半柔性路面材料的抗剪性能得到明显的提高，综合经济因素，界面改性剂的最佳掺量为0.4～0.6%。
　　
　　参考文献
　　[1]张荣鹍.高性能灌注式半柔性路面材料的研究与应用[D].武汉理工大学硕士论文，2009.
　　[4]陈辉强，郝培文.硅烷偶联剂表面改性沥青阻燃剂[J].土木建筑与环境工程，2006，31（3）：136-141.
　　[5]袁峻，孙立军.沥青混合料抗剪强度影响因素评价指标研究[J].重庆建筑大学学报，2008，30（6）：140-145.
　　[6]张大可，吴国雄等.半柔性路面水稳定性及低温抗裂性能分析[J].重庆交通学院学报，2007，26（3）：55-58.
　　[7]苏达根，何娟，张京锋.硅烷偶联剂对沥青与石料及水泥胶砂界面的作用[J].华南理工大学学报(自然科学版)，2007，35（2）：112-116.

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