通過新方法研究抗剝落添加劑對瀝青結合料水損害的影響

中圖分類號：TV 文獻標識碼：A 文章編號：1008-925X(2012)O8-0104-02

摘要：瀝青路面的水損害使路面的使用性能降低，維護費用增加。瀝青路面的翻漿、車轍、推移及由于路面的永久變形造成的路面結構失穩和開裂都有可能是水損害造成的。產生這種損害的主要原因之一是瀝青結合料從集料表面“剝離”或某些情況下使瀝青混合料變軟。如果表面自由能方法能夠適用于瀝青混合料的水損害，它將能夠表征瀝青結合料中抗剝落劑的作用效果。本研究中通過實驗室試驗和基于表面自由能提出的一種化學模型計算兩種方法研究抗剝落添加劑對瀝青結合料的效果。

關鍵詞：自由能特性 抗剝落添加劑 瀝青結合料 水損害

一、引言

瀝青路面的水損害會導致嚴重的安全問題并使路面的使用性能降低維修費用增加。由永久變形和開裂引起的局部翻漿、物料降級、離析、坑槽、推移和路面結構失效都是水損害產生的破壞案例。過去的二十年盡管在熱拌瀝青混合料的性能和瀝青路面的先進設計方法方面有了很大的進展，但是水損害依然是一個廣泛且復雜的問題。最近，利用AASHTO（美國各州公路運輸工作者協會）壓實瀝青混合料抗水損害的標準試驗方法評價了有水環境下的熱拌瀝青混合料的性能(AASHTO T 283) [1]。

Hicks把瀝青路面水損害的原因歸結為以下幾點：（1）粘附力的損失（2）凝聚力的損失。粘附力的損失也叫做剝落是由于水分和水蒸汽的作用使集料表面和瀝青結合料間產生不均勻的粘結力造成的。當這種結合力破壞之后瀝青路面的性能降低并且展現出各種類型的微損傷，比如開裂和剝落。

由于水分對瀝青結合料的作用使其凝聚力產生損失，這種損失產生的混合料的軟化是一個普遍的問題。這兩種機理經常是相互關聯的，所以瀝青路面的水損害或許也是粘附力損失和凝聚力損失混合作用的結果。

二、瀝青結合料的表面自由能

固體（或液體）的表面自由能就是指在真空條件下體系增加單位表面積，外界對體系做的功。因此，凝聚力自由能就是指沿著瀝青結合料表面垂直與抗凝聚力的方向的單位力在真空狀態下使一個界面（比如瀝青結合料）變為兩個界面所做的功。粘附力自由能是指兩個接觸的不同物質間（比如集料和瀝青結合料）有一個界面分化成兩個界面所做的功。

（一）抗剝落添加劑對瀝青結合料表面自由能的效果

許多研究者提出，液體抗剝落劑能降低瀝青結合料的表面自由能，但是它卻增加了結合料對集料的浸濕性。增加的浸濕性能都使增加的表面變得濕潤，進而提高了結合料和集料之間的粘附力。為了達到這個目的，在抗剝落劑中使用了表面活性劑。在本文中，會發現液體抗剝落劑的表面活性劑將不會降低結合料的表面自由能，相反它卻增加了表面自由能。表面自由能的增加能夠瀝青結合料和強酸性集料如花崗巖Equation 7之間的粘附力自由能（粘附強度）。粘附力自由能的增加能夠是其抵抗剝落的能力增強。瀝青結合料的自由能越多，強酸性集料和結合料之間的粘附力自由能就越大。

瀝青是一種連續的非極性材料，因為對表面活性劑的反應，使極性溶劑（如水）受到了比非極性材料更多的關注。大多數表面活性劑降低了水的表面張力是因為碳氫化合物的能量能被直接引向外部。在非極性溶劑中，瀝青也會出現這種情況。事實上導致了瀝青結合料的表面張力的增加。

（二）抗剝落劑對瀝青結合料的酸堿性的影響

1、瀝青結合料的酸堿特征

瀝青結合料在自然條件下是酸性的，羥酸、酸酐、酚和吡咯是瀝青中顯酸性的物質。在一次對四種SHRP核心瀝青的離子交換色譜法分析中，Kim 和 Branthaver發現這些大量的強酸性物質含量在3.9%-9.55%之間變化，然而，強堿性物質含量在2.3%-5.2%之間變化。它的酸值在0-4 mg KOH/g之間變化。

2、集料的酸堿特征

酸性集料比如石英巖、花崗巖和砂巖一般硅含量都比較高。堿性集料硅含量相對比較低。碳酸鹽巖，如石灰巖和白云巖等均為堿性集料。

3、瀝青結合料和集料之間的相互作用

像石灰巖這樣的堿集料跟瀝青會產生較好的黏結力。酸性集料比如花崗巖，它的表面含有劉易斯酸性和堿性物質沒有很好的粘附力，因此在酸性集料和酸性瀝青之間獲得一種好的黏結力是非常困難的。

4、抗剝落劑的酸堿特征

液體抗剝落添加劑主要包括質子化的胺或烷基胺（陽離子表面活性劑（表面活性劑））。胺是有機化合物一般都呈堿性，但是質子化的胺或烷基胺都沒有堿性。根據廠家所說1%的水解Redicote E-6是呈堿性的[2]。

5、集料和添加抗剝落劑的瀝青結合料之間的相互作用

通過使用像胺類和石灰等堿性抗剝落劑，能達到提高酸性集料和酸性瀝青結合料之間的粘結性能的作用。胺作為堿性有機物能夠改變酸性集料的表面特性，氨基酸能與集料的表面物質和碳氫化合物反應，它屬于疏水性物質，能直接和結合料結合。

三、提出瀝青結合料的化學模型

本文中，化學模型是通過對比添加和沒有添加抗剝落劑的瀝青結合料的表面自由能提出的。這種模型解釋了含有抗剝落劑的瀝青結合料的作用機理。

正如Robertson提出的瀝青結合料是極性分子和非極性分子得一個集合。極性分子具有一種較強的趨勢，這種趨勢貫穿非極性材料的連續相并聯合其形成一個組織結構[3]。

瀝青結合料在自然狀態下是酸性的。這種情況下，酸性集料和酸性結合料表面的劉易斯酸堿化學物質沒有較好的粘附力，這樣集料與瀝青結合料之間就很難形成好的化學鍵。堿性化學物質組成的抗剝落劑能夠降低瀝青的酸性化合物的表面自由能并增加堿性化合物的表面自由能[4]。

當在瀝青結合料中添加陽離子表面活性劑時，它通過極性基團改變表面特性。這實際上導致了瀝青結合料的表面張力增加。

四、結論

瀝青結合料的化學模型的提出解釋了表面自由能總量增加的原因。當陽離子表面活性劑（比如胺）添加到瀝青結合料（非極性溶劑）后改變了其表面特性。這實際上導致了瀝青結合料的表面張力增加。

最后，研究發現DWPM是一種極好的計算添加抗剝落劑和沒有添加抗剝落劑的表面自由能總量和酸堿化合物表面自由能的工具。

參考文獻：

[1]張金升，李志，李明田等.納米改性瀝青相容性和分散穩定機理研究[J].公

路，2005，(8):142-146

[2]張登良.改性瀝青機理及應用[J].石油瀝青，17(2):36-38