抗剝落劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性影響的試驗方法與指標(biāo)研究

張 苛， 張爭奇

（長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

黃海是我國海霧發(fā)生最頻繁的海區(qū)之一，海霧的主要成分為NaCl，高濃度的海霧往往成為NaCl溶液的天然載體。當(dāng)來自海霧中的具有極強穿透能力和腐蝕能力的氯離子、含鹽潮濕空氣中的氧和濕氣等腐蝕性介質(zhì)滲透到瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，就會在行車荷載的動水壓力作用下對瀝青混合料產(chǎn)生侵蝕，加速瀝青的乳化作用，降低瀝青與石料的黏附性［1］；同時隨著鹽溶液中水分的蒸發(fā)，NaCl在瀝青混合料內(nèi)部結(jié)晶膨脹，導(dǎo)致瀝青與石料松散、脫落，進而引起瀝青路面出現(xiàn)坑洞、轍槽、唧漿等水損害，對瀝青路面整體結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞，極大地影響了瀝青路面的耐久性［2－3］。

在瀝青或瀝青混合料中摻入抗剝落劑，是提高瀝青與集料的黏附性、增強瀝青混合料抗水損害能力的一種常用的措施［4－9］。目前針對抗剝落劑的研究大多是在淡水的環(huán)境中進行的，抗剝落劑在含鹽高濕環(huán)境水分和氯鹽的雙重作用下能否還能表現(xiàn)出淡水環(huán)境中的良好性能尚不明確。且以往大多采用浸水馬歇爾、凍融劈裂等靜態(tài)試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性［10－12］，與瀝青路面實際受力模式相差甚遠(yuǎn)。浸水漢堡車轍試驗可以很好地模擬行車荷載引起的動水壓力對瀝青混合料的沖刷作用［13－14］。因此，有必要針對含鹽高濕環(huán)境的特點采用浸水漢堡車轍試驗開展含鹽高濕環(huán)境下瀝青抗剝落劑性能方面的研究。

本文選擇3種工程中常用的抗剝落劑，采用黏附性試驗確定其在含鹽高濕環(huán)境下的最佳摻量，并在不同試驗溫度下對摻有抗剝落劑的瀝青混合料進行浸水漢堡車轍試驗，探討評價不同抗剝落劑性能優(yōu)劣的合理試驗條件和評價指標(biāo)，推薦適合含鹽高濕環(huán)境的抗剝落劑種類及摻量，以期為提高含鹽高濕地區(qū)瀝青混合料的水穩(wěn)定性提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

1.1.1 瀝青和集料

瀝青采用SK90?；|(zhì)瀝青，級配采用工程中常用的AC－13級配，經(jīng)馬歇爾設(shè)計法確定混合料的最佳油石比為4.3%，瀝青的性能指標(biāo)和集料級配見表1、表2所列。

混合料中所用粗細(xì)集料分別為西安產(chǎn)玄武巖、石灰?guī)r，瀝青與集料的黏附性試驗中的集料為西安產(chǎn)玄武巖和花崗巖，經(jīng)檢查粗細(xì)集料的各項技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

表1 SK90＃基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

表2 集料級配

1.1.2 瀝青抗剝落劑

目前，瀝青抗剝落劑主要有4種：① 無機類抗剝落劑，以石灰、水泥最為常見，優(yōu)點是成本低、性能好，但在混合料中不易混合均勻且施工工藝復(fù)雜；② 金屬皂化物，以皂腳鐵為代表，成本較低，使用方便，但其與瀝青易產(chǎn)生離析；③ 以季胺鹽為代表的陽離子型表面活性劑，使用方便，但成本較高，熱穩(wěn)定性差；④ 高分子類抗剝落劑，以胺類和非胺類聚合物為主，改善瀝青混合料性能較好，在國內(nèi)外瀝青路面建設(shè)中應(yīng)用非常廣泛。

本文選擇第4類高分子抗剝落劑進行研究，其中胺類抗剝落劑采用PA－1型，外觀為棕褐色黏稠液體，在常規(guī)淡水環(huán)境中的推薦用量為瀝青用量的0.2%～0.4%，在下文稱抗剝落劑P。非胺類抗剝落劑采用AMR型和T－066型，AMR型外觀為棕黃色固體顆粒，在淡水環(huán)境中的推薦用量為瀝青用量的0.2%～0.4%，在下文稱抗剝落劑A；TJ－066型外觀為黑褐色黏稠液體，在淡水環(huán)境中的推薦用量為瀝青用量的0.4%，在下文稱抗剝落劑T。

1.2 試驗方法

在5%NaCl溶液和自來水中進行3min水煮法試驗，研究抗剝落劑P、A、T在不同摻量下對瀝青與玄武巖、花崗巖黏附性的影響，根據(jù)試驗結(jié)果確定含鹽高濕環(huán)境下各抗剝落劑的合理摻量，并與普通淡水環(huán)境中抗剝落劑的最佳摻量進行對比分析。

將P、A、T 3種抗剝落劑在各自最佳摻量下加入SK90?；|(zhì)瀝青中攪拌均勻，設(shè)置對比組（不摻抗剝落劑），拌制AC－13瀝青混合料并成型車轍板試件。將試件在5%的NaCl溶液中干濕循環(huán)15次以模擬含鹽高濕環(huán)境對瀝青路面的侵蝕，其中以試件在30℃的NaCl溶液中浸泡24h后取出在室溫下放置24h為一次干濕循環(huán)。

浸水漢堡車轍試驗可以模擬行車荷載對瀝青路面的動水壓力沖刷作用，且試驗輪的加載次數(shù)達到20 000次或試件的車轍深度達到20mm試驗才結(jié)束，可以評價長期荷載作用下瀝青路面的水穩(wěn)定性。本文在40、50、60℃條件下進行浸水漢堡車轍試驗，確定評價不同瀝青混合料水穩(wěn)定性合理的試驗條件，并討論浸水漢堡車轍試驗指標(biāo)現(xiàn)有評價指標(biāo)的不足，推薦適合含鹽高濕環(huán)境瀝青抗剝落劑。

2 抗剝落劑摻量的確定

根據(jù)廠家推薦的P、A、T 3種抗剝落劑在常規(guī)環(huán)境中的摻量范圍，結(jié)合含鹽高濕環(huán)境的不利影響，初步擬定抗剝落劑P、A、T的摻量為瀝青用量的0.3%、0.4%、0.5%。制作摻有不同種類及摻量抗剝落劑的瀝青試樣，與玄武巖和花崗巖在5%的NaCl溶液和自來水中進行3min水煮試驗，試驗結(jié)果見表3所列。

表3 摻有不同抗剝落劑瀝青的黏附等級

從表3可以看出：

（1）在SK90?；|(zhì)瀝青中加入3種抗剝落劑均可以改善其在含鹽高濕環(huán)境下與集料的黏附性，這是因為瀝青抗剝落劑能夠與集料表面形成物理吸附或依靠其特殊的化學(xué)成分使其與集料發(fā)生化合反應(yīng)，從而在它們之間形成強有力的化學(xué)紐帶，達到提高瀝青與集料黏附性的效果［4－6］。

（2）胺類抗剝落劑P在摻量小于A、T 2種非胺類抗剝落劑的摻量時就表現(xiàn)出明顯的效果，可以較大幅度地減小瀝青在集料表面的剝落面積。抗剝落劑P、A和T在含鹽高濕環(huán)境下的最佳摻量分別為瀝青用量的0.4%、0.5%和0.5%，略大于淡水環(huán)境中各抗剝落劑的最佳摻量。

（3）含鹽高濕環(huán)境下胺類抗剝落劑的最佳摻量小于非胺類抗剝落劑，最佳摻量下的胺類抗剝落劑與非胺類抗剝落劑在5%的NaCl溶液中水煮3min后的試驗結(jié)果基本相當(dāng)，瀝青在集料表面的剝落情況無明顯差別。這說明傳統(tǒng)的3min水煮試驗法無法很好地區(qū)分不同抗剝落劑改善瀝青與集料黏附性的優(yōu)劣。

3 浸水漢堡車轍試驗結(jié)果分析

3.1 抗剝落劑對車轍深度的影響

在40、50、60℃的條件下進行浸水漢堡車轍試驗，摻有不同抗剝落劑的瀝青混合料的試驗結(jié)果見表4～表6所列。

表4 40℃時摻有不同抗剝落劑混合料的車轍深度 mm

表5 50℃時摻有不同抗剝落劑混合料的車轍深度 mm

表6 60℃時摻有不同抗剝落劑混合料的車轍深度 mm

從表4～表6中的數(shù)據(jù)可知：

（1）在40℃時，4種瀝青混合料的最終碾壓次數(shù)均達到了20 000次，碾壓前15 000次各混合料車轍深度排序為對比組＞抗剝落劑P＞抗剝落劑T＞抗剝落劑A，當(dāng)碾壓次數(shù)超過15 000次后，車轍深度排序為抗剝落劑P＞對比組＞抗剝落劑T＞抗剝落劑A。

分析原因是由于抗剝落劑P在浸水條件下經(jīng)過一段時間的荷載作用后，與非胺類抗剝落劑A、T相比性能有所衰減，其車轍深度甚至大于未摻抗剝落劑的混合料的車轍深度，對瀝青混合料使用后期的水穩(wěn)性能產(chǎn)生了一定程度的損害作用。因此，選擇抗剝落劑時不能只看其短期改善混合料水穩(wěn)性能的效果，一定要保證其長期耐久性能。

（2）在50℃時，除摻有抗剝落劑P的瀝青混合料在碾壓15 000次發(fā)生破壞外，其他幾種瀝青混合料的碾壓次數(shù)均達到了20 000次。鋼輪在試件上碾壓前1 000次、1 000～8 000次、8 000～12 000次、12 000～20 000次這4個階段的車轍深度排序是不一致的，說明抗剝落劑對瀝青混合料所處環(huán)境的變化是敏感的，不同抗剝落劑在含鹽高濕環(huán)境下改善混合料的水穩(wěn)性能存在差異。

（3）在60℃時，隨著車轍儀碾壓次數(shù)的增加，各瀝青混合料的車轍深度急劇增加，在碾壓次數(shù)達到3 000次前各混合料均已發(fā)生破壞。碾壓前1 200次各混合料車轍深度排序為抗剝落劑P＞抗剝落劑T＞對比組＞抗剝落劑A，碾壓次數(shù)超過1 200次后各混合料車轍深度排序為抗剝落劑P＞對比組＞抗剝落劑T＞抗剝落劑A。抗剝落劑P在60℃的水浴環(huán)境中使用性能急劇衰減，甚至對混合料的水穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

3.2 試驗溫度對車轍深度的影響

瀝青混合料是一種感溫性極強的黏彈塑性材料，在有水存在的情況下溫度越高車轍變形發(fā)展越迅速［15］。不同溫度下瀝青混合料的車轍深度變化情況如圖1所示。

從圖1可以看出：

（1）4種瀝青混合料在相同碾壓次數(shù)下的車轍深度均隨著溫度的升高顯著增大。瀝青混合料經(jīng)過含鹽高濕環(huán)境的侵蝕作用后，在浸水條件下隨著試驗溫度的升高，抗水損害能力急劇下降。

（2）在40℃時，各瀝青混合料的車轍深度變化趨勢平緩，最終車轍深度較小，隨著試驗溫度的升高，車轍深度變化趨勢変陡，尤其是在60℃時各混合料的車轍深度隨碾壓次數(shù)急劇增加，在3 000次左右就發(fā)生破壞（最大車轍深度達到20mm）。在60℃的試驗條件下，不能很好地區(qū)分未摻加抗剝落劑以及摻加不同抗剝落劑對含鹽高濕環(huán)境下瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，試驗條件過于苛刻，不適合用于評價含鹽高濕環(huán)境下瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

（3）在50℃時，車轍深度變化曲線均介于40℃和60℃時的曲線之間，幾種混合料的最終碾壓次數(shù)大部分達到20 000次，且試件破壞時的車轍深度具有較好的區(qū)分度，在50℃條件下的浸水漢堡車轍試驗可以很好地評價含鹽高濕環(huán)境下不同抗剝落劑改善瀝青混合料水穩(wěn)定性的優(yōu)劣。

圖1 不同溫度條件下瀝青混合料的車轍深度對比

4 浸水漢堡車轍試驗評價指標(biāo)分析

4.1 現(xiàn)有評價指標(biāo)的不足

浸水漢堡車轍試驗中車轍的形成過程分為壓密階段、蠕變階段和剝落階段3個階段。通常采用剝落點處對應(yīng)的碾壓次數(shù)（剝落次數(shù)）和剝落速率來評價瀝青混合料水穩(wěn)性能的優(yōu)劣［16］。其中，剝落點即混合料的車轍深度經(jīng)過緩慢的增長后急劇增大的拐點，也就是蠕變階段和剝落階段的交點，該點對應(yīng)的碾壓次數(shù)即為剝落次數(shù)；剝落速率即混合料剝落階段的車轍深度變化率。

圖2所示為不同試驗條件下?lián)接胁煌箘兟鋭┑臑r青混合料的車轍深度隨碾壓次數(shù)的變化情況。

從圖2a中可以看出，摻有抗剝落劑P的瀝青混合料的車轍變化曲線在碾壓次數(shù)為13 875時產(chǎn)生明顯拐點，混合料發(fā)生了水損壞，而其余幾種混合料均未出現(xiàn)剝落情況。

從圖2b中可以看出，在60℃的水浴條件下，各混合料還未來得及發(fā)生剝落就已經(jīng)達到最大破壞深度，說明60℃的試驗條件對于基質(zhì)瀝青混合料而言過于苛刻，試件尚未經(jīng)過足夠的碾壓次數(shù)就過早地出現(xiàn)破壞，不能真實地反映各種抗剝落劑改善混合料水穩(wěn)性能的差異。

因此，在40℃和60℃的試驗條件均無法采用剝落次數(shù)和剝落速率指標(biāo)來評價不同抗剝落劑改善瀝青混合料水穩(wěn)性能的差異。

從圖2c中可以看出，4種混合料均出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，摻有抗剝落劑P、抗剝落劑A和T及對比組混合料剝落次數(shù)分別為：12 200、17 500、17 200、17 000次。

對應(yīng)的剝落速率分別為：2.64×10－3、1.50×10－3、1.14×10－3、2.09×10－3mm／次。

分析上述指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，4種混合料剝落次數(shù)指標(biāo)間的區(qū)分度并不明顯，且按剝落次數(shù)和剝落速率排序得到混合料水穩(wěn)定性優(yōu)劣的結(jié)論并不一致。

因此，對摻加不同抗剝落劑的瀝青混合料進行浸水漢堡車轍試驗，單獨采用剝落次數(shù)和剝落速率指標(biāo)均不能夠很好地區(qū)分不同抗剝落劑改善含鹽高濕環(huán)境下瀝青混合料水穩(wěn)性能的優(yōu)劣，有時甚至?xí)贸鱿喾吹慕Y(jié)論。

圖2 摻有不同抗剝落劑的瀝青混合料車轍深度變化趨勢

4.2 評價指標(biāo)的改進

為更好地評價含鹽高濕環(huán)境下不同抗剝落劑對混合料水穩(wěn)性能的影響，采用的評價指標(biāo)應(yīng)能夠綜合反映混合料的車轍深度和經(jīng)受的碾壓次數(shù)，且同時適用于評價混合料未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象時的情況?；诖?，本研究提出了瀝青混合料的車轍深度變化率指標(biāo)，即

單位為mm／103次。對摻有不同抗剝落劑的瀝青混合料而言，若抗剝落劑對應(yīng)的車轍深度變化率越大，說明摻有該抗剝落劑瀝青混合料的水穩(wěn)性能對含鹽高濕環(huán)境越敏感，受其影響越強烈，摻有該抗剝落劑瀝青混合料的水穩(wěn)性能越差。不同試驗條件下各混合料的車轍深度變化率如圖3所示。

從圖3可以看出，4種瀝青混合料在不同試驗溫度下的車轍深度變化率指標(biāo)間差異明顯，且在不同試驗溫度下的排序均為抗剝落劑P＞對比組＞抗剝落劑T＞抗剝落劑A。在50℃時，采用車轍深度變化率指標(biāo)對瀝青混合料水穩(wěn)性能的排序與采用剝落次數(shù)指標(biāo)的排序一致。通過前述研究可知，瀝青混合料在40℃和60℃時未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，而40℃和60℃時各混合料車轍深度變化率的區(qū)分度較高，采用車轍深度變化率指標(biāo)可以評價瀝青混合料在未發(fā)生剝落現(xiàn)象時水穩(wěn)性能的優(yōu)劣。

同時，車轍深度變化率在計算過程中考慮了試件破壞時的最終車轍深度，能夠體現(xiàn)出混合料在長期使用過程中的水穩(wěn)性能。采用車轍深度變化率指標(biāo)評價不同試驗條件下?lián)郊涌箘兟鋭r青混合料的水穩(wěn)性能是可行的，建議將車轍深度變化率和剝落次數(shù)指標(biāo)作為浸水漢堡車轍試驗的主要評價指標(biāo)。

圖3 不同溫度下混合料的車轍深度變化率

通過不同溫度條件下混合料的車轍深度變化率和50℃時混合料的剝落次數(shù)指標(biāo)可知，抗剝落劑A改善瀝青混合料水穩(wěn)性能的效果最好，推薦臨海含鹽高濕地區(qū)采用抗剝落劑A來提高瀝青路面的水穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

（1）含鹽高濕環(huán)境下抗剝落劑P、A、T的最佳摻量分別為瀝青用量的0.4%、0.5%、0.5%，比常規(guī)淡水環(huán)境中的各抗剝落劑的最佳摻量略有增加。

（2）摻有不同抗剝落劑的瀝青混合料經(jīng)過氯鹽溶液侵蝕后，在50℃的試驗條件下均出現(xiàn)剝落且車轍深度具有較好的區(qū)分度，建議采用50℃的浸水漢堡車轍試驗來評價摻加不同抗剝落劑的瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

（3）針對浸水漢堡車轍試驗評價指標(biāo)的不足，提出車轍深度變化率指標(biāo)，該指標(biāo)考慮了混合料的最大車轍深度，能夠有效地比較不同瀝青混合料的水穩(wěn)定性，同時適用于評價混合料未出現(xiàn)剝落的情況，可以作為浸水漢堡車轍試驗的主要評價指標(biāo)。

（4）摻有抗剝落劑A的瀝青混合料車轍深度變化率最小、剝落次數(shù)最大，抗剝落劑A改善瀝青混合料水穩(wěn)定性的效果最好，建議在含鹽高濕地區(qū)采用抗剝落劑A來提高瀝青路面的水穩(wěn)定性。

［1］ 何肖斌.海水鹽霧對瀝青路面的危害及防治措施［J］.福建交通科技，2009（2）：33－35.

［2］ 鄭建軍.氯鹽浸蝕下瀝青混凝土性能試驗研究［D］.武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2011.

［3］ 張 苛，張爭奇.瀝青與集料黏附性的定量評價［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，38（6）：810－815.

［4］ Zheng C F，Qin Y，Lv D，et al.Effects of anti－stripping agents on the microscopic strength of mineral aggregate contact surface ［J］.Construction and Building Materials，2013，49：627－634.

［5］ Kim Y L，Pinto I，Park S W.Experimental evaluation of anti－stripping additives in bituminous mixtures through multiple scale laboratory test results［J］.Construction and Building Materials，2012，29：386－393.

［6］ 彭余華，曾陽春，王林中.加鋪層花崗巖AC－13C試驗研究［J］.公路交通科技，2010，27（9）：28－33.

［7］ Moghadas Nejad F，Arabani M，Hamedi G H，et al.Influence of using polymeric aggregate treatment on moisture damage in hot mix asphalt［J］.Construction and Building Materials，2013，47：1523－1527.

［8］ 錢曉鷗.抗剝落劑改善瀝青與青海地區(qū)酸性石料黏附性的研究［J］.公路，2011（3）：141－146.

［9］ 楊文峰.瀝青混合料抗水損害能力研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

［10］ 姜旺恒，張肖寧，李 智.基于動水壓力模擬試驗的瀝青混合料水損壞力學(xué)機理［J］.中國公路學(xué)報，2011，24（4）：21－25.

［11］ 王 樂，梁乃興，劉 柳.濕熱地區(qū)瀝青混合料水穩(wěn)定性評價方法研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，27（4）：580－583.

［12］ 馬 新，鄭傳峰.瀝青混合料水穩(wěn)定性評價方法的試驗研究［J］.公路，2008（4）：182－185.

［13］ 齊 琳，沙愛民，陳 凱.瀝青混合料水穩(wěn)定性漢堡車轍試驗研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2009，31（8）：42－45.

［14］ 栗培龍，張爭奇，李洪華，等.瀝青混合料漢堡車轍試驗條件及評價指標(biāo)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2011，35（1）：113－117.

［15］ 栗培龍，張爭奇，李洪華，等.瀝青混合料漢堡車轍試驗方法［J］.交通運輸工程學(xué)報，2010，10（2）：30－35.

［16］ 陳 凱.我國車轍試驗與漢堡車轍試驗對比研究［D］.西安：長安大學(xué)，2008.