引言
随着沥青路面的逐步发展，普通的基质沥青已经不能很好地满足道路路用性能的要求。改性沥青是通过向基质沥青中添加改性材料以提高其各项性能而成的产物。国内外学者曾采用各种掺料的改性剂对基质沥青进行改性，其中硅烷偶联剂是一类具有特殊结构的低分子有机硅化合物，常应用于无机材料的表面改性，本篇主要介绍硅烷偶联剂在沥青材料改性方向的应用。
常见的硅烷偶联剂有KH（γ-氨丙基三乙氧基硅烷）、KH（γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧硅烷）、KH-（甲基丙稀酰氧基丙基三甲氧基硅烷）、A-（乙烯基三乙氧基硅烷）等。其中KH-是一种优异的粘结促进剂；可溶于水，在水中水解呈碱性；广泛应用于沥青改性研究中。
图1.KH-分子结构
正文
1.作用机理
硅烷偶联剂的作用机理主要包括化学键、氢键和物理吸附作用。其反应过程分为4步：第1步是硅烷偶联剂中与Si相连的3个水解基团与水反应，生成硅醇；第2步是硅醇之间脱水，缩合成Si-OH的低聚硅氧烷；第3步是低聚硅氧烷的Si-OH与极性较强的无机粉体表面上的羟基反应形成氢键；第4步是在热作用下产生脱水及固化达到与无机粉体形成牢固的共价键结合。因此，硅烷偶联剂能使有机高分子材料—硅烷偶联剂—无机材料之间产生一种良好的界面结合，将两种性质差异较大的材料牢固的结合在一起改善生物材料的各种性能。
图2.硅烷偶联剂水解过程
2.改性方法
首先需要制备不同改性剂掺量的改性沥青，接下来再通过各项试验测定不同浓度的改性沥青性能，以此对比研究不同的改性沥青。
不同学者在制备KH溶液时使用的水解比例有所不同。梁鑫经研究得出了适合集料改性的硅烷偶联剂KH-水解工艺，建议其水解比例为m：m：m=5：45：50（梁鑫，）。冯新军所采用的相应水解比例是5：25：70（冯新军，），柳力则使用了1：1：20（柳力，）。配置比例一般根据试验的具体情况来确定，尽量提高水解反应进行的程度，提高水解反应生成的硅羟基浓度，以满足试验所需的水解程度。
在得到硅烷偶联剂混合溶液后，再对集料进行表面处理。常用方法是使其置于60℃水浴加热，磁力搅拌20min，搅拌后，常温下静止1h；将集料浸泡在溶液中30min左右，保证硅烷偶联剂混合溶液与集料充分反应，之后将集料取出，放入℃的烤箱烘干。具体的加热时间和温度、反应时间等根据实际情况可进行调整。最后将改性过后的集料与基质沥青混合均匀，即得到了试验所需的改性沥青材料。
图3.制备KH-溶液
3.改性效果在试验中常采用KH-对集料进行表面改性。表面改性方法很多，能够改变粉体表面或界面物理化学性质的方法，如表面有机包覆、液相化学沉淀包覆、气相物理沉积，机械力化学、层状结构粉体插层等都可称为表面改性方法。表面有机包覆改性是最常用的无机粉体表面改性方法。这是一种利用有机表面改性剂分子中的官能团在颗粒表面吸附或化学反应对颗粒表面进行改性的方法。
柳力和刘朝晖（柳力，）针对橡胶沥青在道路工程应用中的特点与不足，采用硅烷偶联剂对废胎胶粉进行表面处理，确定了KH溶液表面处理CRM的合理浓度为1.0%，证实经过表面处理的CRM可显著改善橡胶沥青的高温性能，且具有良好的经济效益。
图4.普通CRM和改性CRM电镜扫描照片对比
KH-还常应用于岩石的表面改性。柳力对玄武岩纤维在道路工程的应用进行了研究（柳力，），并指出采用KH-对BF进行化学改性，其路用性能得到了提升，且两者反应形成了稳定的Si-O键，增强了黏聚力，增加了沥青膜厚度，有利于BF在沥青混合料中性能的发挥。
图5.KH-与BF反应过程
但是由于我国公路建设的迅猛发展，对石料的要求与日俱增，与沥青粘附性好的优质石灰岩、玄武岩等碱性石料来源越来越少，且石料分布及其不均衡，造成产量供不应求，运输成本也随之提升，因此需要开发研究其他集料。花岗岩作为另一常见的材料，属于酸性粗集料，其中含有较多的二氧化硅成分，具有较强的吸水性能，与沥青之间的粘附性较差。吕松涛等人提出利用硅烷偶联剂对其进行表面改性（吕松涛，），使其与集料发生水解和固化反应，并通过试验证明硅烷偶联剂表面处理过的花岗岩集料与沥青之间的粘附等级能达到级；浸水残留稳定度比提升了11.52%，冻融劈裂抗拉强度比提高了39.26%，可以明显的增强集料与沥青之间的粘附性，并提高了沥青混合料的水稳定性能。
图6.KH-处理前后花岗岩对比
铁尾碎矿石是钢铁行业进行铁矿石分选时提出的含铁量很低的低品位铁矿碎石，如果能将其合理利用，就可以变废为宝，降低工程造价，且有益于基础交通设施的可持续化发展。同花岗岩相似，铁尾矿碎石主要成分也是SiO2，作为酸性集料难以保证与基质沥青间的粘附性。孙吉书试验分析了硅烷偶联剂掺入量对沥青针入度、软化点、延度及粘度的影响（孙吉书，），确定硅烷偶联剂的最佳掺入质量分数为0.6%，此时粘附功增加了16.5%。
曹丽萍和张晓亢则从分子动力学的角度研究了硅烷偶联剂对铁尾矿沥青混合料的改性机理（曹丽萍，）。试验表明使用KH-改性后，铁尾矿沥青混合料的冻融劈裂强度增加22.8%、冻融劈裂强度比增加21.3%、动稳定度增大16.3%，最大弯拉应变提高96.6%，水稳定性、高温稳定性以及低温抗裂性均有显著提高。
图7.改性沥青在铁尾矿表面吸附前和吸附后的体系构型
煤矸石（CWP）是煤炭挖掘和洗选过程中产生的废渣，是中国目前排放量和累计存量最大的工业固体废弃物之一，由此可见也是值得深入研究的有益于可持续发展的材料。冯新军在论文中指出KH-改性后的煤矸石粉沥青胶浆的高温性能、低温性能和粘附性均得到了明显提升（冯新军，），并且提升幅度随着KH-掺量的增加而提高；因改性后的煤矸石粉表面变得更加粗糙，并且形成了更多的间隙孔，使其与沥青之间接触面积增大，交互作用增强；在煤矸石粉表面形成了1层聚硅氧烷偶联化层，提高了其与沥青的黏附力。
除了以上提到沥青混合料，复合集料也是硅烷偶联剂应用的重要领域。王鹏飞提出了一种高粘改性沥青（王鹏飞，），其配比方案为SBS质量分数3%，胶粉15%，增粘剂3%，硅藻土10%，KH-最佳掺量为硅藻土质量的5%，此时改性沥青的针入度降低16.4%，抗剪切变形能力提升。软化点提升15.8%，高温稳定性得到改善。沥青10℃延度提高32.2%，低温塑性得到增强。60℃零剪切粘度达到Pa·s，满足排水沥青路面对沥青粘度等路用性能的要求。郭学东提出将炭黑和硅烷偶联剂同时加入沥青混合料中（郭学东，），这是由于炭黑对沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性有很好的改性效果，但对于其水稳定性改性效果不明显;而硅烷偶联剂可以用于提升路面的抗水损能力。并寻找出炭黑/硅烷偶联剂复合改性沥青的最佳制备工艺为炭黑掺量14.07%、硅烷偶联剂掺量0.83%、剪切时间30min。
4.未来展望随着沥青路面的不断发展，对硅烷偶联剂的探索会继续深入，目前硅烷偶联剂开始向功能化、高分子量方向发展，如十二烷基硅烷偶联剂、辛基等。功能化偶联剂在改善有机物对填料的浸润性方面有独特的优点。长链硅烷偶联剂因其疏水性的柔性长链的存在，极大改善了填料表面的憎水性，促进了这些填料在溶剂、树脂、助剂中的分散性、提高了复合材料的热稳定性能和冲击强度等。参考文献
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”工程管理教学与研究“
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