瀝青-集料粘附性能影響因素

高 波，高子琛，王 鐵，段德峰

（1、中交二公局第四工程有限公司 河南洛陽(yáng) 710131；2、長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710018）

0 引言

瀝青路面以其舒適性好、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于道路，尤其是高等級(jí)公路。但瀝青路面施工后，容易出現(xiàn)一些早期破壞，比如車(chē)轍、開(kāi)裂和水損害等，嚴(yán)重影響道路的使用能力，使得道路的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于設(shè)計(jì)壽命。為了保持道路的使用性能，需要花費(fèi)更多的資金和時(shí)間進(jìn)行維護(hù)或重建，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)帶來(lái)了很大的負(fù)擔(dān)。事實(shí)上，據(jù)美國(guó)交通部報(bào)告，2030年，美國(guó)現(xiàn)有公路和橋梁的年度維修和維護(hù)成本估計(jì)為650～830億美元，占2010年所有相關(guān)成本支出預(yù)算的近40%［1］。因此，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，提高道路的使用壽命具有重要意義。

瀝青混合料是一個(gè)復(fù)雜的非均質(zhì)多相系統(tǒng)，由瀝青相、集料相、瀝青結(jié)合料和集料之間的界面相組成，其中3個(gè)相共同保持瀝青混合料的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性［2］。集料相主要承受車(chē)輛傳遞的豎向荷載，瀝青相將集料相粘結(jié)成一個(gè)整體，而界面相是瀝青結(jié)合料和集料之間通過(guò)復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)形成的復(fù)合相。由于作為極性材料的瀝青和作為無(wú)機(jī)材料的骨料之間的極性差異，會(huì)導(dǎo)致這2種材料之間相互作用減弱，因此材料之間界面相的強(qiáng)度低于其他相。所以，在水和載荷等外部因素的影響下，界面相容易損壞，一旦界面相被破壞，瀝青混合料的整體性能將大大降低。此外，相關(guān)研究表明，瀝青結(jié)合料與集料界面相的強(qiáng)度與瀝青混合料的水穩(wěn)定性密切相關(guān)，如果界面相強(qiáng)度不足，容易導(dǎo)致瀝青路面在荷載和水環(huán)境下的水損害。作為瀝青路面典型的過(guò)早損壞，水分損壞將進(jìn)一步誘發(fā)其他路面損壞，包括松散、車(chē)轍、泌水、開(kāi)裂和坑洼。水損害是指在交通荷載和水的作用下，集料從瀝青路面上脫落的過(guò)程，這種移動(dòng)過(guò)程，通常稱為剝離，主要是由瀝青粘合劑和骨料之間的低相容性造成的［3］。因此，保持瀝青與集料的粘結(jié)強(qiáng)度是防止水損害的關(guān)鍵。瀝青結(jié)合料與集料之間的粘附性能受多種因素影響，這些因素可分為2類，即內(nèi)部因素（瀝青性能、集料性能、瀝青混合料等）和外部因素（溫度、濕度、負(fù)載、助粘劑等）。

為了深入了解瀝青結(jié)合料與集料之間的粘附性能，本文綜述了瀝青結(jié)合料與集料粘附性能的主要影響因素，以期找到合適的方法進(jìn)行改善，從而提高路面的使用壽命。

1 瀝青-集料黏附性能影響因素

1.1 集料特性

集料作為主要成分在瀝青混合料中占很大比例，約占總質(zhì)量的95%。因此，集料的特性對(duì)瀝青混合料的各項(xiàng)性能有著重要的影響，粘附性也不例外。

1.1.1 集料類型

路面施工中使用的集料包括各種類型。這些不同的集料類型由不同的化學(xué)成分組成，導(dǎo)致瀝青混合料的化學(xué)和物理性質(zhì)不同。為了搞清楚集料中的成分，研究人員對(duì)集料進(jìn)行了化學(xué)分析，如表1所示。

表1 不同骨料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical Composition of Different Aggregates

根據(jù)二氧化硅的含量，骨料可分為3種類型：堿性骨料（約小于52%）、中性骨料（約52%～65%）和酸性骨料（大于65%）。堿性礦物如石灰石和玄武巖因?yàn)槠渑c瀝青有較好的黏附性在中國(guó)被廣泛采用，但是其耐磨性經(jīng)常難以滿足要求，且這些礦物的高需求導(dǎo)致當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)缺乏堿性骨料。因此，花崗巖等酸性骨料可能是堿性骨料的合適替代品［4］。雖然酸性骨料具有更好的力學(xué)性能，但其與瀝青的粘附性仍低于要求。因此，在實(shí)際應(yīng)用中推廣酸性集料之前，應(yīng)有效解決其粘附性差的問(wèn)題。

目前，已經(jīng)有了一些方法處理這個(gè)問(wèn)題，比如添加抗剝落劑、高粘度改性劑或堿性集料粉末來(lái)提高瀝青對(duì)酸性骨料的粘附性，此外，還可以通過(guò)多次洗滌過(guò)程以減少酸性成分。雖然這些方法確實(shí)有一些積極的作用，但也造成了一些不容忽視的副作用?？箘兟鋭┮?yàn)檩^差的熱穩(wěn)定性易在短期內(nèi)失去效力，且過(guò)量的抗剝落劑會(huì)導(dǎo)致瀝青和集料之間弱連接［5］。比如在熱拌瀝青混合料中，熟石灰一直被用作抗剝落劑，通常以1%～3%的骨料質(zhì)量添加，并作為填料的一部分。然而，如果熟石灰中的一部分生石灰沒(méi)有完全消化，它將膨脹并嚴(yán)重影響瀝青混合料的質(zhì)量，導(dǎo)致路面損壞。對(duì)于多次水洗工藝，骨料表面的干燥度難以控制，且該方法工藝復(fù)雜，制約了其推廣應(yīng)用。因此，改性劑的加入和多次洗滌過(guò)程在提高瀝青和酸性骨料之間的粘附性方面都有一定的局限性。

據(jù)以前的研究，骨料表面改性被認(rèn)為是改善瀝青和骨料之間粘附性的有效方法［5］。DING等人［6］提出一種同時(shí)含有有機(jī)和無(wú)機(jī)官能團(tuán)的改性劑——硅烷偶聯(lián)劑（SCA），對(duì)骨料表面進(jìn)行改性。一種類型的官能團(tuán)與疏水材料相互作用以改變它們的極性，而其他基團(tuán)促進(jìn)與無(wú)機(jī)材料的化學(xué)鍵合，從而提高混合物界面處的粘附力。集料與瀝青混合料之間的SCA作用機(jī)理主要包括4個(gè)步驟：①在偶聯(lián)劑水解過(guò)程中，CH3基團(tuán)轉(zhuǎn)化為硅羥基；②硅烷的硅羥基可以與聚集體表面的羥基反應(yīng)形成共價(jià)鍵；③界面上的氫鍵也同時(shí)形成；④偶聯(lián)劑吸附在集料表面，形成分子“橋”，改善集料與瀝青的相互作用。文獻(xiàn)［6］通過(guò)接觸角方法測(cè)試表明SCA改性花崗巖表面主要改變了花崗巖表面的親油性和親水性，經(jīng)過(guò)表面活性劑處理的花崗巖具有很強(qiáng)的親油性，可以顯著提高瀝青與花崗巖之間的附著力。

1.1.2 集料幾何特征

除了集料類型外，集料的幾何特征，如形狀、棱角和質(zhì)地，將影響瀝青混合料中集料之間的聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)以及瀝青混合料和集料之間的相互作用。一般來(lái)說(shuō)，考慮到粗立方體骨料將呈現(xiàn)互鎖水平，具有粗立方體特征的骨料將比那些具有光滑圓形特征的骨料表現(xiàn)更好［7］。集料復(fù)雜的表面紋理會(huì)增加瀝青混合料與集料的接觸面積，從而產(chǎn)生良好的粘附性能。具有棱角的集料被認(rèn)為是具有良好粘附性能的有利類型，以獲得更好的機(jī)械互鎖。具有良好粘附性能的集料的有利幾何特征如圖1所示。

圖1 具有良好粘附性能的骨料的良好幾何特征Fig.1 Good Geometric Characteristics of Aggregates with Good Adhesion

1.2 瀝青類型及老化

瀝青作為瀝青混合料中的粘結(jié)劑，是保證集料能夠連接在一起形成整體結(jié)構(gòu)，并且在交通荷載和環(huán)境因素（包括水、溫度等）作用下不會(huì)分離的關(guān)鍵。因此，瀝青結(jié)合料的性能將極大地影響瀝青混合料的性能。

1.2.1 瀝青類型

為了改善瀝青結(jié)合料和隨后的瀝青混合料的性能，一些改性瀝青結(jié)合料已被提出并廣泛用于道路建設(shè)，其中輪胎廢橡膠粉以及一些其他聚合物，包括苯乙烯-丁二烯橡膠（丁苯橡膠）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）和聚乙烯（PE）被廣泛使用。相比于基質(zhì)瀝青，改性劑可以顯著改善瀝青結(jié)合料的性能，進(jìn)而改善瀝青混合料的性能，其中集料與SBS改性瀝青的粘附性能最好。此外，SBR和SBS兩種聚合物改性瀝青通過(guò)原子力顯微鏡（AFM）研究粘附性能［8］。同樣的結(jié)果表明，聚合物改性可以使瀝青結(jié)合料不易受水分破壞。總的來(lái)說(shuō)，含有改性瀝青粘合劑的瀝青混合料具有較低的水分敏感性和較好的抗水分損害性。

除了改性瀝青類型之外，另一種類型，即不同組分的瀝青結(jié)合料已經(jīng)得到認(rèn)可。根據(jù)HUANG等人［9］的研究，瀝青與集料粘結(jié)的根本原因是瀝青和集料的極性?；谝呀⒌?組分瀝青模型（瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、飽和分和芳香分），結(jié)果表明瀝青質(zhì)和膠質(zhì)分子呈現(xiàn)不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并含有少量活性官能團(tuán)；因此，它們包含瀝青的極性組分，因此當(dāng)它們接近極性集料表面時(shí)，可以完成粘結(jié)行為。因此，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)分子越多的瀝青結(jié)合料粘合性越好。然而，瀝青中的輕質(zhì)組分可以增加粘合面積，進(jìn)一步增加總粘合強(qiáng)度。因此，何種比例的瀝青組分有利于更好的粘附性能仍需進(jìn)一步研究。

1.2.2 瀝青老化

瀝青路面施工需要將瀝青結(jié)合料加熱到更高的溫度（一般接近160℃，對(duì)于改性瀝青可能更高）。鋪裝后，路面需要承受荷載等環(huán)境因素，才能在一段時(shí)間內(nèi)保持良好的性能。在施工和應(yīng)用過(guò)程中，瀝青結(jié)合料的性能會(huì)在荷載、熱、光、氧等條件下發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō)，老化的瀝青結(jié)合料比原始瀝青相對(duì)更硬、更脆。這些變化將進(jìn)一步影響瀝青混合料的性能，粘附性能也不例外。

為了研究瀝青類型和老化對(duì)粘附性的影響，LI等人［10］測(cè)量了表面自由能與粘結(jié)比的關(guān)系。意外的是，在RTFOT老化后，可以觀察到每種瀝青的表面自由能增加，粘附性增強(qiáng)，這可能與短期老化引起的瀝青粘合劑極性增加有關(guān)。這些粘合劑在PAV老化后有明顯的減少，表明長(zhǎng)期老化對(duì)瀝青結(jié)合料的表面自由能有不利影響，導(dǎo)致集料-瀝青體系粘附性能顯著下降，AGUIAR-MOYA等人［11-12］也在試驗(yàn)后得到了相同的結(jié)論。JI等人［13］還用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)老化條件下微納米尺度下瀝青的微納米形態(tài)和表面能的演化進(jìn)行研究。在瀝青的微觀表面觀察到一種特殊的蜂狀結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），這種結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青的表面粗糙度有顯著影響，并且隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)其數(shù)量先增加后減少。有研究表明，蜂狀結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是蠟結(jié)晶，瀝青質(zhì)等大分子成分可以為蠟結(jié)晶提供晶核。在早期老化階段，瀝青質(zhì)含量的增加可以提供更多的結(jié)晶巖心，因此，蜂狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量增加。然而，隨著老化的繼續(xù)，瀝青質(zhì)發(fā)生絮凝和熔融，這進(jìn)一步導(dǎo)致蜂狀結(jié)構(gòu)聚集和數(shù)量減少，可見(jiàn)蜂狀結(jié)構(gòu)會(huì)隨著老化而降解，從而導(dǎo)致瀝青納米表面的平均粗糙度先增大后減小。

圖2 蜜蜂狀結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖像Fig.2 AFM Image of Honeybee Like Structure

雖然短時(shí)老化的瀝青表現(xiàn)出良好的性能，但長(zhǎng)時(shí)間老化是短時(shí)老化的必然結(jié)果。因此，為了具有更好的粘附性能，應(yīng)提出可行的措施來(lái)避免或減緩瀝青結(jié)合料的老化過(guò)程。綜上所述，瀝青混合料中推薦使用高粘度瀝青結(jié)合料和改性劑，以獲得良好的粘結(jié)性能。

1.3 瀝青混合料

1.3.1 級(jí)配

集料級(jí)配在瀝青混合料設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用，是形成骨架結(jié)構(gòu)和保證機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)鍵，而級(jí)配與瀝青混合料的空隙率密切相關(guān)，空隙率是影響瀝青混合料黏附性能的關(guān)鍵因素［14］。相對(duì)較大的空隙，尤其是連通的空隙，會(huì)使水更容易向?yàn)r青混合料內(nèi)部流動(dòng)，這可能會(huì)增加水分破壞的概率。因此，密實(shí)的級(jí)配是瀝青混合料抵抗水分破壞的理想選擇。應(yīng)該注意的是，過(guò)多的空隙也有利于減輕濕氣的損害，因?yàn)閮?nèi)部的水更容易揮發(fā)和消散，這意味著也需要相對(duì)開(kāi)放的級(jí)配。因此，密實(shí)且開(kāi)放的級(jí)配有利于瀝青混合料具有良好的粘結(jié)性能。

一些研究人員提出，相對(duì)于細(xì)級(jí)配粗級(jí)配具有更好的性能，因?yàn)榇旨?jí)配中的空隙是連通的，然后水可以容易地進(jìn)入空隙；然而，其他人支持相對(duì)于粗級(jí)配，細(xì)級(jí)配更有利于瀝青混合料，因?yàn)榧?xì)級(jí)配具有較大的集料表面積，這意味著將形成較薄的瀝青膜厚度，即瀝青粘合劑和集料之間的粘附性能較弱［15］。因此，考慮到級(jí)配分類的可變性，與級(jí)配相關(guān)的瀝青混合料影響因素還需進(jìn)一步細(xì)化。

1.3.2 瀝青摻量

瀝青摻量主要控制集料上瀝青結(jié)合料的膜厚。對(duì)于相同級(jí)配的瀝青混合料，瀝青結(jié)合料的膜厚會(huì)隨著瀝青含量的增加而增加。此外，瀝青結(jié)合料在集料上的薄膜厚度與粘結(jié)強(qiáng)度直接相關(guān)［16］。當(dāng)瀝青膜厚度較小時(shí)，瀝青結(jié)合料與集料的粘結(jié)強(qiáng)度小于瀝青結(jié)合料本身的粘結(jié)強(qiáng)度，部分暴露的骨料會(huì)直接與水接觸，或者由于薄膜厚度較薄，水更容易進(jìn)入界面，事后界面容易出現(xiàn)水分損傷。當(dāng)瀝青膜厚度逐漸增加時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度增加，直至大于瀝青結(jié)合料本身的粘結(jié)強(qiáng)度，集料將被充分封裝在瀝青粘合劑中，并且界面將呈現(xiàn)良好的粘附性能［17］。因此，高瀝青含量有利于良好的粘附性能。

需要注意的是，過(guò)多的瀝青含量會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)問(wèn)題，即高溫性能差。具體來(lái)說(shuō)，瀝青含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致瀝青路面在夏季出現(xiàn)泌水和車(chē)轍現(xiàn)象。因此，需要適當(dāng)?shù)臑r青含量來(lái)平衡水下和高溫下的性能。

1.4 負(fù)載和環(huán)境因素

瀝青路面在使用期間需要承受車(chē)輛的反復(fù)荷載。有研究表明，車(chē)輛前進(jìn)過(guò)程中，車(chē)頭會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生正壓，車(chē)尾會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，進(jìn)一步對(duì)路面施加反復(fù)的泵送作用。此外，路面在水的條件下會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，這將加劇瀝青路面的水損害［18］。因此，低交通流量更有利于良好的附著性能。

除了負(fù)載，其他環(huán)境因素也會(huì)影響粘合性能，例如水、溫度。水作為重要因素將影響瀝青粘合劑和骨料之間的粘附性能，這歸因于水對(duì)骨料的親和力強(qiáng)于瀝青粘合劑對(duì)骨料的親和力。因此，骨料應(yīng)充分干燥，以避免水滯留在骨料中，尤其是溫拌瀝青。此外，應(yīng)避免外界水進(jìn)入骨料和瀝青結(jié)合料之間的界面。

瀝青是一種溫度敏感材料，在其使用階段，隨著溫度的升高，其性質(zhì)會(huì)從粘彈性變?yōu)檎硰椝苄?。根?jù)文獻(xiàn)記載，瀝青結(jié)合料與集料之間的粘附性在溫暖的天氣條件下會(huì)變得有利，因?yàn)闉r青結(jié)合料的塑性特征使瀝青結(jié)合料能夠更緊密地與集料接觸，從而改善路面的水溫定性。

2 結(jié)論

為了全面了解瀝青結(jié)合料與集料粘附性能的現(xiàn)狀和研究需求，對(duì)粘附性影響因素、黏附性改善等方面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)行了綜述，并對(duì)今后的工作提出了展望?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：

粘附性能主要受材料（瀝青、集料）、瀝青混合料和一些環(huán)境因素的影響。至于骨料，目前的研究主要集中在骨料類型和骨料幾何特征等方面。對(duì)于瀝青，瀝青類型和老化一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)于瀝青混合料，級(jí)配和瀝青摻量是主要影響因素。在環(huán)境因素方面，綜述了水、溫度和負(fù)荷。雖然從這些研究中已經(jīng)獲得了一些有用的結(jié)果。例如，具有堿性、粗糙立方體和大量表面孔隙的集料是有利的；在瀝青混合料中使用高粘度粘合劑、改性瀝青粘合劑，選擇密實(shí)或開(kāi)放的級(jí)配和高瀝青含量是有利的。然而，集料和瀝青中影響粘附性的關(guān)鍵成分需要進(jìn)一步確定，并且需要考慮更詳細(xì)的環(huán)境參數(shù)。