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)工程重點實驗室，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，對瀝青的黏附性能進(jìn)行深入研究，對減少瀝青路面的早期病害，提高瀝青路面的行車質(zhì)量乃至延長使用壽命，有著非常重要的意義。

1 瀝青對黏附性能的影響

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，瀝青的軟化點越低。因此油質(zhì)含量高，瀝青具有好的施工性，一般來說抗裂性能也好，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、無規(guī)的有機(jī)大分子，平均相對分子質(zhì)量可達(dá)數(shù)千至1 萬，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，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，它改善了瀝青對礦物質(zhì)的浸潤性，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，它改善了瀝青對礦物質(zhì)的浸潤性，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計算瀝青的酸值。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，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，對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，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，隨著時間的延長，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-溶化過程將使得界面性質(zhì)不斷變化，特別在低溫時蠟結(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，從試驗方法的角度講，黏度大的瀝青受高溫水浸時瀝青膜在集料表面受熱運(yùn)動要相對困難一些，因此也表現(xiàn)出剝落率低的特點。

1.2.5 硫?qū)︷じ叫缘挠绊?/p>

含硫瀝青與石料的接觸角比基質(zhì)瀝青更大，對石料的潤濕能力更強(qiáng)，能夠更好地抵抗水的剝蝕。而且更強(qiáng)的潤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規(guī)程》 (JTG E20-2011)進(jìn)行水煮法黏附性試驗，三種70 號瀝青的四組分結(jié)果見表1，黏附性結(jié)果見表2。

表1 三種70 號瀝青的四組分

表2 70 號基質(zhì)瀝青黏附性試驗結(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)量因素有兩個方面：

一是料源特性，即保證壓碎值、洛杉磯磨耗值、表觀相對密度、吸水率、堅固性、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、無風(fēng)化、無雜質(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價

瀝青黏附性的評價方法，主要有水煮法、水浸法、光電比色法、攪動水凈吸附法等。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，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剝落的程度，分5個等級評定其黏附性，見表3。

表3 石料與瀝青的黏附性等級

2.2 不同石料的黏附性分析

對福建省各個地區(qū)的石料試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理與統(tǒng)計，將這些數(shù)據(jù)作為一個總體分析，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)量對統(tǒng)計結(jié)果的影響）。

表4 巖石性能指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

對于瀝青路面而言，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

針對目前常用的改善黏附性時不同的外摻劑添加類型、劑量及方法，采用水煮法、水浸法試驗手段進(jìn)行黏附性評價。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、閃長巖，瀝青采用70#基質(zhì)瀝青和改性瀝青。采用水煮法試驗測定的集料與瀝青黏附性分組試驗結(jié)果如表5 所示：

表5 福建省石料與瀝青黏附性水煮法測定試驗結(jié)果

圖1 對瀝青進(jìn)行處理的水煮法試驗結(jié)果

圖2 對集料進(jìn)行處理的水煮法試驗結(jié)果

在不同抗剝落措施條件下，水煮法測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、閃長巖和輝綠巖三種巖石的黏附性等級分別為3 級、3 級和4 級。因此集料就黏附性好壞，輝綠巖比凝灰?guī)r和閃長巖都好。而凝灰?guī)r和閃長巖與基質(zhì)瀝青的黏附性等級都是3 級，因此無法比較出凝灰?guī)r與閃長巖兩者黏附性好壞。老化后的基質(zhì)瀝青與未老化基質(zhì)瀝青黏附性等級基本一致。

(2)改性瀝青與三種集料黏附性等級都是5 級，黏附性達(dá)到最好。老化后改性瀝青黏附等級依然都達(dá)到5級。說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，說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、閃長巖的黏附性等級降低為4 級，與輝綠巖的黏附性等級保持5 級。說明抗剝落劑的高溫穩(wěn)定性及長期性能存在不足。

(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都有所提高。當(dāng)摻量為1%時，三種集料都比與基質(zhì)瀝青黏附性的等級提高1 級。當(dāng)摻量從1%提高到2%時，三種巖石的黏附性等級都保持不變。當(dāng)摻量從2%提高到4%時，凝灰?guī)r的黏附性等級從4 級上升到5 級，而閃長巖和輝綠巖黏附性等級仍然保持在1%摻量時的等級。因此可以說明，當(dāng)消石灰摻量從1%提高到4%時，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的黏附性等級比沒摻加水泥的基質(zhì)瀝青黏附性等級提高一級，但與閃長巖、輝綠巖的黏附性等級則沒有提高。當(dāng)摻量從1%提高到4%時，黏附性等級都保持不變。說明基質(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都達(dá)到5 級，效果明顯好于在基質(zhì)瀝青中添加水泥或消石灰。說明了集料與水泥或石灰直接接觸后，黏附性明顯更好。這是因為水泥和石灰中富含CaO、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)就水煮法來看，添加水泥或消石灰后，老化前后的黏附性等級基本無變化；摻加固體抗剝落劑后，老化后則比老化前黏附性要減弱。

[1]鄭美軍.瀝青的化學(xué)組分對路用性能的影響分析[J].山西交通科技,2010(6).

[2]周衛(wèi)峰，原健安，戴經(jīng)梁.影響粘附性的瀝青性質(zhì)分析[J].石油瀝青，2003，17(3).

[3]沈金安.瀝青路面的水損害與抗剝落劑性能評價.石油瀝青[J].1998,12(2).

[4]金鳴林，史美仁.道路瀝青中硫含量分析與改質(zhì)研究[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2002，2(3).