抗剥落剂对花岗岩沥青路用性能的影响研究(交通)

                                李经辉

                （海南协立工程咨询有限公司  海口  570100）

摘要提出通过外加消石灰和AR-68两种抗剥落剂来改善沥青相关性质，以及沥青和集料之间

的粘附性，从而综合提高沥青路面的路用性能。试验表明，外加抗剥落剂能显著提高沥青与集料之间的粘附性，改善沥青混合料的组成结构，并且沥青混合料的水稳定性、高温稳定性均有明显提升。

关键词  花岗岩沥青沥青混合料抗剥落剂  路用性能

1  沥青与集料的作用机理

    目前国内外关于沥青与集料作用机理的阐释有如下4种。

    (1)化学表面理论。该理论认为沥青与集料产生粘附的主要原因是沥青中的酸性成分和集料的碱活性中心发生化学反应的缘故。

    (2)力学理论。矿料表面由于粗糙多孔，增大了沥青与集料相互间作用的接触面积，在毛细作用的效应下，矿料的空隙中和微小的裂纹中被渗入热沥青，形成类似于嵌入与锚固作用的机械粘结力。

    (3)表面能理论。在表面能理论中，所有固体表面都存在不饱和力场，因此固体表面有自发物质，自身自由能的能力被降低，在沥青扩散后，集料表面被润湿，沥青分子被矿料自发地吸引，以此降低自身的自由能，这种能量交换而产生了粘附。

    (4)静电理论。该理论认为沥青包裹集料时，静电引力的产生是因为这一体系形成了双电层，电容器由于2种不同物质接触而充电，产生界面的作用力即双电层之间的作用力。

2  沥青与粗集料粘附性试验

    基于上述作用机理，在2种花岗岩沥青中加入占沥青质量0. 5%的不同抗剥落剂，采用

AC-13级配制备级配形同、岩性不同的花岗岩沥青混合料，通过相应的试验研究和结果分析，可以得到不同的抗剥落剂对花岗岩沥青路用性能的影响。

    参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20- 2011）（以下简称《规程》），本次实验所选花岗岩粗集料最大粒径为13.2～15 mm，依规范规定采用水煮法试验。这一方法适用于检测沥青与粗集料的粘附性，以及评价粗集料的抗水剥落能力。通过本实验，了解所选花岗岩集料与70号基质沥青和SBS改性沥青之间的粘附性，然后再通过外加抗剥落剂，对比分析外加抗剥落剂后粗集料与沥青之间粘附性的改变，以此来评定所选抗剥落剂效果。沥青与粗集料粘附性试验结果见表1。

    由表1可见，在不加抗剥落剂时，SBS改性沥青与花岗岩的粘附性强于基质沥青，这可以指导在使用花岗岩集料作为沥青混合料集料时选择何种沥青。外加抗剥落剂的加入能显著提高基质沥青和改性沥青与花岗岩集料的粘附性。通常花岗岩集料与沥青之间的粘附性可由2～3级迅速提高到4～5级，效果非常明显。

    粗集料与沥青粘附性试验作为沥青与集料粘附性的评定方法简单有效，但仍有许多需要改进的地方，此外，通过观察评定等级人为因素过大，故此法通常用于确定粗集料的适用性，而对沥青混合料的综合抗水损害能力，则必须通过浸水马歇尔实验和冻融劈裂试验进行检测。

3抗剥落剂对沥青路用性能影响的研究

3.1  水稳定性研究

    沥青混合料属粘弹性材料，组成结构复杂，因而其性能影响因素较多。在各种影响因素中，以温度、水，以及车辆荷载作用对沥青路用性能影响最大。温度对沥青混合料的影响表现为当温度升高时，沥青混合料的强度随温度的升高而降低；当温度过低，沥青混合料的抗变形能力急剧降低；沥青路面在水的作用下发生集料和沥青的剥离，并且在水的长期作用下体积发生膨胀而使路面强度降低；而车辆荷载对沥青路面的影响表现为沥青路面在荷载的重复作用下产生的应力超过其承受强度，在疲劳应力作用下极易产生疲劳断裂破坏。

3.1.1  冻融劈裂试验

    冻融劈裂试验适用于在试验规定条件下对沥青混合料进行一定次数的冻融循环，测定混合料试件在水损害前后劈裂破坏的强度比，以评定沥青混合料水稳定性。实验温度25℃，加载速率50 mm/min。试验结果见表2。

    由表2可见，不管是否添加抗剥落剂，经过冻融劈裂试验后，马歇尔试件的劈裂强度均下降，经过冻融循环后，沥青混合料的强度均有所下降。这种现象说明试件被抽真空后与外界相通的孔隙被水饱和，在低温冷冻条件下，水对孔隙的内壁产生冻胀压力，造成混合料内部的破坏从而使混合料之间的粘结力大幅下降，随之强度也大幅度降低。此外，在不加抗剥落剂时，SBS沥青劈裂抗拉强度降低程度比70号基质沥青下降的多。

    对于不同种沥青，在加入同种抗剥落剂时，以抗剥落剂AR-68为例，基质沥青冻融后劈裂抗拉强度为1. 07 M Pa，改性沥青冻融后劈裂抗拉强度为1.2 M Pa，说明对于花岗岩沥青混合料，在加入同种抗剥落剂时，改性沥青的水稳定性要强于基质沥青。

    同时，对于同种沥青，以SBS改性沥青为例，添加AR-68的冻融劈裂抗拉强度为1.20 M Pa，远大于SBS改性沥青中添加消石灰的冻融劈裂值1. 02 M Pa，说明抗剥落剂AR-68在提高花岗岩沥青混合料的抗水损害性能，即水稳定性方面优于消石灰。

3.1.2浸水马歇尔试验

    本法用于检验沥青混合料抵抗水损害剥落的能力，通过测试其水稳定性，研究抗剥落剂对提高花岗岩沥青路用性能的作用。浸水马歇尔试验结果见表3。

    由表3可见，30 min马歇尔稳定度均比48h后马歇尔稳定度值要高，表明沥青混合料在水环境长期作用下，出现强度降低等水损害现象。这说明提高沥青混合料抗水损害能力十分必要。对比基质沥青和改性沥青，在不加抗剥落剂条件下，改性沥青在30 min和48 h的稳定度值均高于基质沥青，这说明，在选择花岗岩作为沥青混合料集料时，所选沥青为改性沥青对混合料抗水损害能力有一定提升。

    在70号基质沥青中，加入不同抗剥落剂，由试验结果可知，外加AR-68的沥青混合料比外加消石灰的沥青混合料马歇尔稳定度要高出17. 4%，当然，加入抗剥落剂比不加抗剥落剂的沥青混合料其马歇尔稳定度提升明显。例如，在70号沥青中，加入消石灰，其马歇尔稳定度达30%之多，可见抗剥落剂的加入对基质沥青混合料水稳定性的提升很大。在改性沥青中，加入不同的抗剥落剂，由试验结果可知，外加消石灰的沥青混合料比外加AR-68的沥青混合料马歇尔稳定度要低约12%，这与上面在基质沥青中的影响相反，同时加入抗剥落剂的沥青混合料比不加的马歇尔稳定度提升也相当明显，以SBS中加入AR-68抗剥落剂为例，其马歇尔稳定度提升为48%，提升度非常明显。

3.2高温稳定性研究

    研究沥青路用性能在加入抗剥落剂后的变化，当然会考虑沥青混合料的高温稳定性，所谓沥青混合料的高温稳定性，即指在夏季较高气温下，沥青混合料在交通荷载的反复作用下抵抗车辙等永久变形，保证路面平整的能力。对于一些炎热地区，例如重庆夏季气温高达40℃以上，沥青路面极易发生高温失稳，在这种条件下，极易发生车辙破坏，车辙破坏的形成可认为是高温条件下沥青面层因沥青软化而愈发密实，反而导致沥青的约束作用降低，发生路面结构的重新排列，产生推移、拥包等永久变形。改善沥青路面的高温稳定性对炎热地区至关重要。

    下面采用马歇尔稳定度试验来评价沥青路面的高温稳定性，依照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40- 2004)规定，对于高速公路、一级公路和城市快速路、主干路还需采用车辙试验对沥青混合料的抗车辙能力进行检验。车辙试验按《规程》中的轮碾法成型车辙试件，试件标准尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，试块成型后连同试模在常温下养护12 h以上，然后进行车辙试验。试验数据见表4。

    由表4车辙试验结果分析，沥青混合料的动稳定度在抗剥落剂的加入后，能在一定程度上得到提高，即对花岗岩沥青混合料的高温稳定性有一定提升。例如，外加高分子盐类抗剥落剂AR-68的SBS改性沥青，其混合料动稳定度提升约17.5%，同时对比分析加入不同的抗剥落剂可知外加消石灰的沥青混合料动稳定值低于外加AR68沥青混合料。说明AR-68在对混合料高温稳定性提升上更为明显。例如对于改性沥青，外加高分子盐类抗剥落剂AR-68，其动稳定度提升约为17. 5%，比外加消石灰混合料高出7.4%。

    抗剥落剂能改善沥青混合料的高温性能较容易理解，沥青混合料在抗剥落剂的作用下相互嵌挤粘结作用加强，在高温车载反复碾压下，其发生高温失稳的概率将大大降低。

    在水稳定性方面，消石灰对沥青混合料水稳定性的加强逊于AR-68，而在高温稳定性方面，消石灰对沥青混合料高温稳定性的加强也低于AR-68抗剥落剂，这与市场中关于AR-68的描述类似，即新型抗剥落剂AR-68更能抵御高温环境，不易发生热分解导致失效。

4结论

    (1)对于试验的2种沥青，通过沥青与粗集料粘附性试验可知，抗剥落剂的加入能显著提高沥青与集料的粘附性；同时沥青与集料粘附性试验主观因素过大，不能全面评价抗剥落剂的效果。

    (2)新型抗剥落剂AR-68为高分子有机盐，与传统抗剥落剂消石灰相比，拥有更好的性能。

    (3)在水稳定性方面，通过试验可知，基质沥青花岗岩沥青混合料和改性沥青花岗岩沥青混合料水稳定性能均较差，其中后者稍好，外加0. 5%左右消石灰和AR-68均能显著提高混合料水稳定性能，抗劈裂强度提高约20%。

    (4)在高温稳定性方面，通过车辙试验表明，由于抗剥落剂的加入，增加了沥青与集料的粘附性，使混合料在高温下结构不至于严重破坏，外加0.5%的抗剥落剂，其动稳定度值提升约10%。