瀝青與石料間黏附性能影響因素研究

■詹 軍

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004；2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350004)

瀝青混凝土路面是一種重要的的路面結(jié)構(gòu)形式，在我國(guó)已建成的和正在興建的高速公路中幾乎全部都采用瀝青混凝土路面。但是，某些地方的瀝青路面早期破壞比較嚴(yán)重，往往通車兩三年內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)瀝青剝落、坑槽等病害，而這些病害和瀝青與石料間的黏附性能有很大關(guān)系，因此，了解瀝青與石料間的黏附機(jī)理，對(duì)瀝青的黏附性能進(jìn)行深入研究，對(duì)減少瀝青路面的早期病害，提高瀝青路面的行車質(zhì)量乃至延長(zhǎng)使用壽命，有著非常重要的意義。

1 瀝青對(duì)黏附性能的影響

1.1 瀝青黏附機(jī)理

黏附是指一種物體與另一物體黏結(jié)時(shí)的物理作用。瀝青路面水損害的作用機(jī)理，主要依據(jù)是黏附理論。影響瀝青與集料之間黏結(jié)力的因素包括瀝青與集料表面的界面張力、瀝青與集料的化學(xué)組成、瀝青的黏性、集料的表面構(gòu)造、集料的孔隙率、集料的清潔度、集料表面的干濕程度以及瀝青與集料的拌和溫度。有五種理論可用來(lái)解釋瀝青與集料間的黏附性，這些理論包括力學(xué)理論、化學(xué)反應(yīng)理論、表面能理論、分子定向理論和靜電理論。

1.2 瀝青性能對(duì)黏附性的影響

1.2.1 瀝青組分與黏附性的關(guān)系

瀝青是一種成分極為復(fù)雜的化合物。它是由天然產(chǎn)出或有機(jī)物經(jīng)加工后得到的產(chǎn)品。常溫下瀝青一般呈固態(tài)、半固態(tài)。組成瀝青的主要化學(xué)元素為碳和氫，另外還含有氧、硫、氮、鎳、釩、錳、鐵等微量元素。由于將瀝青的元素組成及化學(xué)成分與路用性能建立聯(lián)系的研究極為困難，因此產(chǎn)生了將瀝青分離為幾個(gè)化學(xué)性質(zhì)與路用性能有一定聯(lián)系的組(即組分)的思想。目前我國(guó)廣泛使用的方法為四組分（飽和分、芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)）分析法，各組分性質(zhì)如下：

（1）油質(zhì)是瀝青具有流動(dòng)性的主要因素，它包括飽和分及芳香分。其含量越高，瀝青的軟化點(diǎn)越低。因此油質(zhì)含量高，瀝青具有好的施工性，一般來(lái)說(shuō)抗裂性能也好，在某些情況下，油質(zhì)可轉(zhuǎn)化為樹脂質(zhì)甚至瀝青質(zhì)。

（2）膠質(zhì)是半固體或液體的黃色至褐色的黏稠狀物質(zhì)。由于膠質(zhì)的存在，瀝青具有一定的可塑性、可流動(dòng)性和黏結(jié)性，直接決定著瀝青的延伸度和黏結(jié)力。

（3）瀝青質(zhì)是深褐色至黑色的固態(tài)無(wú)定性物質(zhì)，是高分子化合物，瀝青的化學(xué)組成中，瀝青質(zhì)是瀝青膠體體系的核心，是一種可溶、雜散、無(wú)規(guī)的有機(jī)大分子，平均相對(duì)分子質(zhì)量可達(dá)數(shù)千至1 萬(wàn)，是高度縮合的芳烴。瀝青質(zhì)中富集有大量的硫、氮、氧等雜原子，雜原子雖然和C、H 相比含量不高，但對(duì)石油及其組分的性質(zhì)卻有很大的影響。由于硫、氮、氧等雜原子的存在使得瀝青質(zhì)分子間形成電荷轉(zhuǎn)移作用、偶極相互作用、氫鍵作用等分子間的作用力，對(duì)瀝青質(zhì)的極性、締合性、穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。含瀝青質(zhì)高的瀝青，其黏度大、軟化點(diǎn)高、針入度小、延度低。瀝青質(zhì)決定著瀝青的黏結(jié)力、黏滯度和溫度穩(wěn)定性。瀝青質(zhì)含量增加時(shí)，瀝青的黏度和黏結(jié)力增加。

（4）瀝青酸和瀝青酸酐雖不屬于瀝青的組分，但它與瀝青的黏附性有直接的關(guān)系。瀝青酸和瀝青酸酐是樹脂狀黑褐色黏稠物質(zhì)，比重大于1，是油質(zhì)氧化后的產(chǎn)物，為固體或半固體狀態(tài)。瀝青酸和瀝青酸酐是瀝青中活性最大的組分，它改善了瀝青對(duì)礦物質(zhì)的浸潤(rùn)性，特別是提高了瀝青與集料的黏附強(qiáng)度。

1.2.2 瀝青酸值對(duì)黏附性的影響

在石油瀝青中含有大量的酸性及堿性化合物，瀝青組分中屬于酸性的物質(zhì)有環(huán)烷酸、地瀝青酸、地瀝青酸酐。瀝青酸和瀝青酸酐是瀝青中活性最大的組分，它改善了瀝青對(duì)礦物質(zhì)的浸潤(rùn)性，特別是提高了瀝青與集料的黏附強(qiáng)度。瀝青的酸性越大，與礦料的黏附性就越好，在瀝青混合料中瀝青從礦料表面的剝落度就越小。瀝青酸值測(cè)定的基本原理為將瀝青溶于苯-乙醇的混合溶液中，以氫氧化鉀的乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液中和瀝青中的游離酸，由消耗的氫氧化鉀的乙醇溶液的體積來(lái)計(jì)算瀝青的酸值。研究資料顯示：

（1）由于瀝青酸及瀝青酸酐均為陰離子型的表面活性組分，其含量越大，就有可能更多地與礦料表面帶正電的吸附中心發(fā)生作用，同時(shí)，酸性組分瀝青酸、瀝青酸酐可以與礦料表面的活性中心能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)吸附，從而使黏附性增加。

（2）瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度隨瀝青酸值的增大而增大，尤其對(duì)中性和酸性石料影響較大。

（3）為提高混合料的水穩(wěn)性而摻加有機(jī)酸和瀝青酸時(shí)，對(duì)于瀝青酸含量低的瀝青，其效果可能是顯著的，但瀝青酸含量并非越大越好。

1.2.3 瀝青蠟含量對(duì)黏附性的影響

蠟的存在不但使瀝青的感溫性增強(qiáng)，高溫黏度減小，影響瀝青路面的高低溫性能，而且瀝青中蠟含量的高低對(duì)黏附性也有重大影響。

瀝青中蠟的分子量很小，在瀝青中屬于小分子組分。因此在與集料結(jié)合時(shí)，小分子組成很容易到達(dá)集料表面，并容易進(jìn)入某些微孔和缺陷，但這種吸附屬于物理吸附，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，物理吸附層中有部分組成被其它組成所替換。如果混合料在鋪筑過(guò)程中吸附于集料表面的蠟未被替換或未被完全替換，則蠟將存留于界面層上。一方面由于蠟的分子量小，因而分子吸附力小，結(jié)合性能不高，另一方面由于溫度變化引起的結(jié)晶-溶化過(guò)程將使得界面性質(zhì)不斷變化，特別在低溫時(shí)蠟結(jié)晶后更易引起剝落，因而高蠟瀝青的水穩(wěn)性不佳。

1.2.4 瀝青蠟黏度對(duì)黏附性的影響

研究顯示，隨著蠟黏度的增加，瀝青與集料的黏附性從總體上是增加的。其原因有二，第一，瀝青黏度大意味著瀝青中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)含量高，則活性物質(zhì)瀝青酸、瀝青酸酐的含量也相應(yīng)較大，可以與集料產(chǎn)生更多的化學(xué)吸附；第二，從試驗(yàn)方法的角度講，黏度大的瀝青受高溫水浸時(shí)瀝青膜在集料表面受熱運(yùn)動(dòng)要相對(duì)困難一些，因此也表現(xiàn)出剝落率低的特點(diǎn)。

1.2.5 硫?qū)︷じ叫缘挠绊?/p>

含硫?yàn)r青與石料的接觸角比基質(zhì)瀝青更大，對(duì)石料的潤(rùn)濕能力更強(qiáng)，能夠更好地抵抗水的剝蝕。而且更強(qiáng)的潤(rùn)濕能力使瀝青更容易進(jìn)入石料的毛細(xì)孔隙和微裂縫，增加瀝青石料界面面積，使瀝青與石料之間有更牢固的黏接。

1.3 不同瀝青的黏附性分析

選用三種常用的70 號(hào)基質(zhì)瀝青（A、B、C）與玄武巖按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》 (JTG E20-2011)進(jìn)行水煮法黏附性試驗(yàn)，三種70 號(hào)瀝青的四組分結(jié)果見表1，黏附性結(jié)果見表2。

表1 三種70 號(hào)瀝青的四組分

表2 70 號(hào)基質(zhì)瀝青黏附性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)三種瀝青的四組分分析，A 瀝青的飽和分及芳香分的總含量最低，瀝青質(zhì)最高，瀝青黏度大，活性物質(zhì)瀝青酸、瀝青酸酐的含量也相應(yīng)較大，可以與集料產(chǎn)生更多的化學(xué)吸附，因此與石料的黏附性較好。

2 石料對(duì)黏附性能的影響

石料作為高速公路瀝青路面的主要組成材料，其含量占瀝青混合料的95%以上。高速公路瀝青路面對(duì)石料要求較高，生產(chǎn)加工的粗細(xì)集料性質(zhì)和質(zhì)量直接影響著高速公路建設(shè)質(zhì)量、服務(wù)水平和使用壽命。影響集料性質(zhì)和質(zhì)量因素有兩個(gè)方面：

一是料源特性，即保證壓碎值、洛杉磯磨耗值、表觀相對(duì)密度、吸水率、堅(jiān)固性、軟石含量、磨光值、瀝青黏附性等巖石固有物理性能方面滿足技術(shù)要求，尤其是瀝青黏附性，在雨量充沛的福建省，若黏結(jié)不佳，極易導(dǎo)致瀝青路面的水損害。瀝青本身呈弱酸性，與瀝青具有良好黏附性的石料一般是基性巖或者堿性石料。

二是生產(chǎn)加工特性，即保證集料的潔凈、干燥、無(wú)風(fēng)化、無(wú)雜質(zhì)、良好的顆粒形狀與棱角性、低的針片狀顆粒含量。

2.1 石料與瀝青黏附性的評(píng)價(jià)

瀝青黏附性的評(píng)價(jià)方法，主要有水煮法、水浸法、光電比色法、攪動(dòng)水凈吸附法等。本次研究主要采用水煮法。水煮法是用粒徑大于13.2mm 的粗集料，經(jīng)150℃左右的瀝青浸潤(rùn)，取出冷卻后在微沸水中煮3min，觀察碎石表面瀝青膜被水移動(dòng)剝落的程度，分5個(gè)等級(jí)評(píng)定其黏附性，見表3。

表3 石料與瀝青的黏附性等級(jí)

2.2 不同石料的黏附性分析

對(duì)福建省各個(gè)地區(qū)的石料試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理與統(tǒng)計(jì)，將這些數(shù)據(jù)作為一個(gè)總體分析，研究了福建省高速公路石料黏附性，結(jié)果如表4（不考慮樣品數(shù)量對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響）。

表4 巖石性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)于瀝青路面而言，花崗巖、砂巖等屬酸性石料，雖然強(qiáng)度高，但與瀝青的黏附性能差，抗水損害能力差；石灰?guī)r屬堿性石料，雖然與瀝青的黏附性能好，抗水損害能力強(qiáng)，但強(qiáng)度較低。鑒于此，高速公路往往通過(guò)瀝青改性、添加抗剝落劑、摻加消石灰等方法以改善石料與瀝青間的黏附性，使之滿足路面的使用要求。

3 改善黏附性試驗(yàn)

針對(duì)目前常用的改善黏附性時(shí)不同的外摻劑添加類型、劑量及方法，采用水煮法、水浸法試驗(yàn)手段進(jìn)行黏附性評(píng)價(jià)。石料采用福建地區(qū)高速公路建設(shè)常用的典型集料，如輝綠巖、凝灰?guī)r、閃長(zhǎng)巖，瀝青采用70#基質(zhì)瀝青和改性瀝青。采用水煮法試驗(yàn)測(cè)定的集料與瀝青黏附性分組試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示：

表5 福建省石料與瀝青黏附性水煮法測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果

圖1 對(duì)瀝青進(jìn)行處理的水煮法試驗(yàn)結(jié)果

圖2 對(duì)集料進(jìn)行處理的水煮法試驗(yàn)結(jié)果

在不同抗剝落措施條件下，水煮法測(cè)試的不同集料與瀝青黏附性變化規(guī)律如圖1(a)、(b),圖2 所示。

4 結(jié)論

（1）基質(zhì)瀝青與凝灰?guī)r、閃長(zhǎng)巖和輝綠巖三種巖石的黏附性等級(jí)分別為3 級(jí)、3 級(jí)和4 級(jí)。因此集料就黏附性好壞，輝綠巖比凝灰?guī)r和閃長(zhǎng)巖都好。而凝灰?guī)r和閃長(zhǎng)巖與基質(zhì)瀝青的黏附性等級(jí)都是3 級(jí)，因此無(wú)法比較出凝灰?guī)r與閃長(zhǎng)巖兩者黏附性好壞。老化后的基質(zhì)瀝青與未老化基質(zhì)瀝青黏附性等級(jí)基本一致。

(2)改性瀝青與三種集料黏附性等級(jí)都是5 級(jí)，黏附性達(dá)到最好。老化后改性瀝青黏附等級(jí)依然都達(dá)到5級(jí)。說(shuō)明改性瀝青改善黏附性效果最好。

(3)摻加固體抗剝落劑的基質(zhì)瀝青與三種集料的黏附性也均達(dá)到5 級(jí)，說(shuō)明抗剝落劑能顯著改善瀝青與集料的黏附性。而老化后的參加固體抗剝落劑的基質(zhì)瀝青與凝灰?guī)r、閃長(zhǎng)巖的黏附性等級(jí)降低為4 級(jí)，與輝綠巖的黏附性等級(jí)保持5 級(jí)。說(shuō)明抗剝落劑的高溫穩(wěn)定性及長(zhǎng)期性能存在不足。

(4)基質(zhì)瀝青中摻加1%、2%、4%消石灰后與集料的黏附性等級(jí)都有所提高。當(dāng)摻量為1%時(shí)，三種集料都比與基質(zhì)瀝青黏附性的等級(jí)提高1 級(jí)。當(dāng)摻量從1%提高到2%時(shí)，三種巖石的黏附性等級(jí)都保持不變。當(dāng)摻量從2%提高到4%時(shí)，凝灰?guī)r的黏附性等級(jí)從4 級(jí)上升到5 級(jí)，而閃長(zhǎng)巖和輝綠巖黏附性等級(jí)仍然保持在1%摻量時(shí)的等級(jí)。因此可以說(shuō)明，當(dāng)消石灰摻量從1%提高到4%時(shí)，提高黏附性的程度改變甚小。三種摻量下的基質(zhì)瀝青經(jīng)老化后與集料的黏附性等級(jí)保持不變。

(5)基質(zhì)瀝青中摻加1%水泥后與凝灰?guī)r的黏附性等級(jí)比沒摻加水泥的基質(zhì)瀝青黏附性等級(jí)提高一級(jí)，但與閃長(zhǎng)巖、輝綠巖的黏附性等級(jí)則沒有提高。當(dāng)摻量從1%提高到4%時(shí)，黏附性等級(jí)都保持不變。說(shuō)明基質(zhì)瀝青中添加水泥改善黏附性的效果并不明顯。摻加水泥的基質(zhì)瀝青老化后與未老化的黏附性等級(jí)一致。

(6)當(dāng)集料裹石灰漿或水泥漿，瀝青與集料的黏附性等級(jí)都達(dá)到5 級(jí)，效果明顯好于在基質(zhì)瀝青中添加水泥或消石灰。說(shuō)明了集料與水泥或石灰直接接觸后，黏附性明顯更好。這是因?yàn)樗嗪褪抑懈缓珻aO、MgO等活性成分，附著在集料表面后，集料表面呈堿性，從而提高了與基質(zhì)瀝青的黏附性。

(7)就水煮法來(lái)看，添加水泥或消石灰后，老化前后的黏附性等級(jí)基本無(wú)變化；摻加固體抗剝落劑后，老化后則比老化前黏附性要減弱。

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