瀝青膠漿膜與集料抗水剝離性能及其評價方法研究

■王金權

（1.福建省建筑科學研究院;2.福建省綠色建筑技術重點實驗室 福州 350025）

瀝青膠漿膜與集料抗水剝離性能及其評價方法研究

■王金權1,2

（1.福建省建筑科學研究院;2.福建省綠色建筑技術重點實驗室 福州 350025）

文章簡要闡述分析國內評價瀝青路面抗水損害性能的方法，通過分析瀝青膠漿膜的抗水剝離能力，提出瀝青膠漿膜抗水剝離性能應該包括瀝青-集料黏附性性能和瀝青膠漿膜抗裂性能兩部分，從而對瀝青膠漿膜抗水剝離性能的評價應將黏附性和瀝青膠漿膜抗裂性能結合起來，作為瀝青路面抗水損害性能評價的建議性指標，對瀝青路面抗水損害性能評價具有一定的參考價值。

瀝青膠漿膜 抗水剝離 評價指標

我國現行的瀝青路面抗水損害性能評價雖然嚴格按照交通行業標準 《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40）規定執行，即：（1）水煮法試驗的瀝青與集料黏附性大于4級，（2）瀝青混合料殘留穩定度大于80%；但是許多瀝青路面在通車后不久仍然發生水損害現象，說明我國現行的評價指標不足以防止水損害的發生。黏附性指標是評價瀝青-集料抗剝離能力，而瀝青膠漿膜開裂是促使瀝青膠漿膜早期水剝落的關鍵因素之一，黏附性指標忽視了瀝青膠漿膜開裂破壞的影響。因此，針對現行評價指標未能與抗水損害性能建立很好的關系，文章通過研究瀝青膠漿膜的抗水剝離能力，嘗試提出一個評價瀝青路面抗水損害性能的新指標，作為瀝青路面抗水損害能力評價的一個建議性補充指標。

1 瀝青膠漿膜抗水抗剝離性能分析

要提出瀝青膠漿膜-集料抗水剝離性能指標，首先探討瀝青膠漿膜的抗水剝離能力與瀝青-集料黏附性兩者的關系。

黏附性的定義一般如下：黏附是指瀝青與集料界面上的原子、分子或電子的相互作用。它包含化學作用與物理作用，其中又以化學作用對黏附性貢獻最大。其作用范圍只包括兩者界面上幾個分子或原子的厚度，而與其它因素如集料與瀝青的嵌擠力等無關。影響黏附性的主要因素是材料的化學性質。因此如果瀝青與集料發生更多的化學作用，其黏附性將大大提高[1]。一般地，瀝青酸值、集料堿值越大，瀝青與集料的黏附性就越好。

而瀝青膠漿膜抗水剝離能力是指裹覆有瀝青膠漿膜的集料在一定的外界環境作用下，瀝青膠漿膜抵抗水剝離的能力。做一個極端的比喻：一塊裹覆有鐵皮的集料無論在如何嚴酷的現行黏附性試驗條件下其剝落率都為零。我們可以肯定集料-鐵皮系統有很好的抗剝離能力，但顯然不能說集料與鐵皮有好的黏附性[1]?？梢钥闯?，顯然黏附性與抗水剝離能力有密切聯系，但是瀝青與集料的黏附性與瀝青膠漿膜抗水剝離能力是有區別的。黏附性好是瀝青膠漿膜抗水剝離能力強的基礎。瀝青與集料的黏附性好意味著瀝青與集料分子或原子有很強的作用力，水分子與集料分子的作用力不足以破壞瀝青與集料界面而使黏附性喪失。

2 瀝青膠漿膜抗水剝離性能影響因素分析

引起瀝青膠漿膜水剝離是由于水分侵入瀝青-集料界面降低瀝青-集料界面的結合力而導致二者剝離。但是，瀝青路面所滲入的水分應該始終在瀝青膠漿膜的外表面，水分又是怎樣穿透了瀝青膠漿膜達到了瀝青-集料界面呢？從瀝青與水的化學分子來看，水分是不可能穿透瀝青膠漿膜的。因此，唯有瀝青膠漿膜本身存在裂紋，水分方可能沿裂紋侵入瀝青-集料界面。瀝青膠漿膜是否產生裂紋才是瀝青路面水穩定性好壞的決定性內部因素。不幸的是，瀝青材料非常容易開裂，尤其在快速降溫及快速加載時通常表現為脆性材料，產生脆性開裂。因此，認為“裂紋”是瀝青路面水穩定性及早期水破壞的真正罪魁禍首。很容易理解，如果瀝青膠漿膜產生了裂紋，水分將迅速透過裂紋滲透到集料-瀝青結合面，破壞集料-瀝青間的結合力，從而徹底破壞路面的水穩定性并迅速導致早期水破壞。這種情況下，即使空隙率為零，也將產生早期水損害。而如果沒有裂紋，即使空隙率再大，也不會產生早期水破壞。

如何避免瀝青膠漿膜裂紋或如何提高瀝青膠漿膜的抗裂能力，便成為了解決水穩定性及早期水破壞問題的有效途徑之一。否則，產生早期破壞是不可避免的。綜上可知，瀝青膠漿膜的抗裂性能是瀝青膠漿膜早期剝離的內在決定性因素。

再次，集料的比表面及粗糙度對瀝青膠漿膜抗剝離能力也有重要影響。集料比表面大，表面粗糙，它提供了更多的機會使瀝青與集料相結合，相應的瀝青膠漿膜也厚，從而抗水剝離能力增強。另外比表面大意味著集料可以對瀝青進行更多的選擇性吸附，且在常溫下瀝青與集料有更大的機械粘合力即鍥入與錨固力。從而更增加了瀝青膠漿膜抗水剝離能力。

由以上分析可以看出，黏附性與抗水剝離能力有密切聯系，黏附性好是瀝青膠漿膜抗水剝離能力強的基礎，而瀝青膠漿膜開裂是促使瀝青膠漿膜與集料早期剝離的關鍵因素之一。因此提高瀝青膠漿膜抗剝離能力是解決瀝青路面水損害的關鍵所在。下面分別對瀝青膠漿膜的抗裂性能和瀝青與集料黏附性及其相應的評價方法進行探討分析。

2.1 瀝青膠漿膜抗裂性能

（1）瀝青膠漿膜抗裂性能分析

瀝青膠漿膜的破裂往往是由于交通荷載、路面結構或溫度變化使瀝青混合料產生拉壓應力，而集料表面尖銳地方的瀝青膠漿膜較薄，瀝青膠漿膜容易在應力作用下破裂，這種現象不一定需要水的存在，但很明顯有水存在時這種現象會加速。瀝青膠漿膜的破裂一般發生瀝青路面的開裂之后。

從調查的情況看，福建省高速公路瀝青路面也一定程度上出現了開裂現象，如橫向裂縫、縱向裂縫或是龜裂（如圖1至圖4所示）。瀝青路面裂縫是路面早期破壞最常見的病害，幾乎伴隨著瀝青路面的整個使用期，并隨路齡的增長而加重。

圖2 縱向裂縫

圖3 塊狀裂縫

圖4 瀝青混合料開裂后斷面情況

圖4表示的是瀝青混合料開裂后斷面情況。從圖中可以看出，由于瀝青混合料的開裂，多數集料表面已經裸露，說明瀝青膠漿膜已經發生了破裂；此時若混合料在有水的環境下，則水分將迅速滲入到瀝青膠漿膜與集料的界面，降低瀝青膠漿膜與集料間的黏附性能，從而加快了瀝青膠漿膜從集料表面剝落，進而逐漸發展成松散、坑槽等嚴重水損害現象。

瀝青路面開裂的主要形式之一是瀝青路面的溫度開裂。溫度開裂有兩種形式：一種是由于氣溫驟降造成面層溫度收縮，在有約束的瀝青層內產生的溫度應力超過瀝青混凝土的抗拉強度時造成的開裂；另一種是溫度疲勞裂縫。在我國還普遍存在第三種形式，那就是由于半剛性基層的收縮（溫縮和干縮）而引起的面層開裂。在低溫條件下瀝青混凝土脆化，在荷載作用下容易產生開裂。

既然瀝青路面的開裂是導致瀝青膠漿膜開裂的主要原因，而瀝青混合料的性能決定了瀝青路面的抗開裂性能。由于開裂表現為寒冷季節混合料集料之間的瀝青膠漿膜拉伸破壞，然后導致集料的破裂，因此瀝青路面的低溫抗裂性能主要取決于瀝青結合料的低溫拉伸變形性能。據有關資料報導，瀝青結合料的性能對瀝青路面抵抗收縮變形導致的開裂貢獻率達到90%，而混合料的礦料級配對其貢獻率只有10%。

但是，由于長期以來忽視了填料的作用，僅把它當作一種惰性填充物來看待，所以在起粘結作用的介質性能研究方面，通常把瀝青材料單獨撇出來研究，然而，在實際的混合料中，真正起粘結作用的是瀝青和填料形成的瀝青膠漿?，F代膠漿理論認為，瀝青混合料是一種多級空間網狀結構的分散系。以粗集料為分散相而分散在瀝青砂漿的介質中的一種粗分散系：瀝青砂漿又是以細集料為分散相而分散在瀝青膠漿介質中的一種細分散系；而瀝青膠漿又是以填料為分散相而分散在高稠度的瀝青介質中的一種微分散系。而三級分散系以瀝青膠漿最為重要，其組成結構決定瀝青混合料的高溫穩定性和低溫變形能力。

（2）瀝青膠漿膜抗裂性能評價方法研究

瀝青膠漿本身的抗裂性能是影響瀝青膠漿膜抗裂性能主要因素。因此，文章認為要評價瀝青膠漿膜抗裂性能需從瀝青膠漿抗裂性能入手，可以以瀝青膠漿抗裂性能指標來評價瀝青膠漿膜的抗裂能力。但目前評價瀝青膠漿性質還沒有統一的標準，由于瀝青膠漿低溫時很硬，高溫時稠度和粘度較大，需用合適的方法進行試驗。

目前國內外評價瀝青膠漿低溫抗裂性能的指標有許多，其中有些指標，如SHRP開發的簡支梁彎曲蠕變試驗S與m指標，直接拉伸試驗 指標，物理意義明確，是較為理想的指標。但是試驗技術要求較高，儀器設備需要進口，尚難以在國內生產單位推廣應用[2]。

而“八五”國家科技攻關專題提出的由針入度測定的針人度指數PI、10℃低溫延度、當量脆點T1.2等，試驗方法簡單，而且它們同樣與SHRP等先進方法進行的小梁彎曲試驗（BBR）的彎曲蠕變勁度S，以及直接拉伸試驗（DTT）的破壞應變的試驗結果相比較有良好的相關性，所以被認為是適合于我國國情的評價指標。由于瀝青的延度與路面的使用性能有一定的相關性，尤其是低溫延度與低溫開裂性能關系密切，因此在不少國家的瀝青標準中，開始增加低溫延度的指標。我國近年來高速公路大量使用優質道路石油瀝青，15℃延度均能大于100cm，甚至個別瀝青TFOT后的15℃延度也能大于100cm。為了進一步區分不同瀝青的低溫性能，采用更低的試驗溫度是必要的，國家“八五”攻關課題認為低溫延度的拉伸速率為5cm/min，試驗溫度采用10℃是適宜的。

延度作為評價瀝青低溫性能的指標，由于其方法簡單，比較直觀等優點，一直為眾多的國家所采用。在我國，延度指標顯得尤其重要。許多試驗表明了延度值與路面低溫開裂有不同程度上的相關，并由此提出了不同要求的延度標準。

現代膠漿理論認為膠漿的組成結構決定瀝青混合料的高溫穩定性和低溫變形能力。因此，瀝青膠漿延度較瀝青延度能確切反映瀝青混合料的低溫延性。

為評價瀝青膠漿的低溫抗裂性能，文章研究選用10℃、拉伸速率為5cm/min的低溫延度作為評價瀝青膠漿膜抗裂性能的指標。

2.2 瀝青與集料黏附性

黏附性自20世紀30年代以來，世界各國的道路工作者對瀝青與集料的黏附性問題逐漸開始重視，并進行大量研究，提出很多理論來闡述瀝青路面的水損害原因。這些理論認為，瀝青混合料的水損害主要是水浸入瀝青混合料的集料與瀝青膠漿膜之間而產生兩方面的破壞作用：（1）減少瀝青對礦料的黏附力；（2）破壞瀝青混合料相互之間的粘結力。影響集料與瀝青黏附性的因素很多，主要有瀝青與集料的表面張力、瀝青與集料的化學組成、瀝青的粘度、集料表面紋理、多孔性和清潔度以及混合料拌和時集料的含水量和溫度。瀝青與集料的黏附性不好致使瀝青混合料的抗水損害能力降低。目前，瀝青路面水損害是瀝青路面最常見的破壞現象之一。因此，集料與瀝青的黏附性試驗非常重要，在黏附性不好的情況下應采用添加抗剝落劑的方法來盡量提高集料與瀝青的黏附性。而現行試驗方法中，基本上都采用水煮法來評價瀝青與集料的黏附性。

評價黏附性的試驗方法，不論直接還是間接，都各有優缺點，應根據實際情況選用。水煮法試驗簡單易行，用于鑒別粗集料與瀝青的黏附性時比較直觀，在工程及科研中應用都很廣泛。但水煮試驗樣品少，試驗條件不甚嚴格，且分級較粗，人為因素影響較大。水浸法試驗樣品較多，可以避免以偏概全錯誤的發生，可以減少人為因素的影響。試驗過程較水煮法復雜一些，但結果更可靠一些。因此，文章選擇水浸法作為評價瀝青-集料黏附性的試驗方法。

3 瀝青膠漿膜抗水剝離性能指標及其評價方法

3.1 瀝青膠漿膜抗水剝離性能指標

國外評價瀝青混凝土水穩定性或水敏感性的試驗方法很多，一般可分為兩大類。一類是以未經壓實的松散瀝青混合料為研究對象進行定性的（主觀的）試驗，這類方法常見的有水煮法、靜態浸水法等；一類是以瀝青混合料試件或芯樣為研究對象進行定量的試驗，這類方法包括馬歇爾試驗、劈裂試驗、浸水抗壓試驗、德克薩斯承臺凍融試驗、洛特曼試驗、改進的洛特曼試驗、Tunnicliff and Root試驗、浸水車轍試驗等。

在我國，交通部頒發的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20）已有明確規定，針對其強度和水穩定性，應開展瀝青混合料的彎曲試驗、劈裂試驗和馬歇爾穩定度試驗。應該說，通過試驗對路面層的空隙率、壓實度和瀝青與集料的粘結力進行了評定，其路面設計壽命是可以達到20年要求的。但我國路面的早期水損壞現象卻如此普遍，說明我國現行瀝青混合料技術指標不足以防止水破壞發生，如滬寧路在施工時，嚴格按照交通部行業標準 《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40）執行，即：（1）按水煮法試驗所有的集料與瀝青的黏附性都大于4級；（2）按馬歇爾試驗所有的瀝青混合料殘留穩定度均大于80%，仍發生了水破壞。因此除了上面論述的一些原因之外，還有一個原因是規范本身的關于黏附性指標以及混合料殘留馬歇爾穩定度的指標，與路面水破壞并沒有建立起很好的關系。目前常規試驗方法并不能有效預測瀝青路面出現水破壞及其破壞程度。

包裹在集料周圍的瀝青薄膜的性能很大程度上決定了瀝青混凝土的強度、使用壽命及瀝青膠漿膜抗水剝離的能力。瀝青膠漿膜開裂（出現裂紋）是促使瀝青膠漿膜與集料早期剝離的關鍵因素之一。因此，考慮目前我國所采用的瀝青與集料的黏附性指標單單考慮瀝青與集料的黏附性是不足以描述瀝青混合料抗水損害能力，文章在此研究基礎上，在原來瀝青黏附性指標的基礎上，考慮瀝青膠漿膜早期開裂因素的影響，綜合分析兩者對瀝青膠漿膜-集料早期剝離現象的影響程度，提出瀝青膠漿膜抗水剝離指標，用來評價瀝青膠漿膜抗水剝離性能。

3.2 瀝青膠漿膜抗水剝離性能指標評價方法

國內外目前采用黏附性來評價瀝青-集料抗剝離能力，而瀝青膠漿膜開裂是促使瀝青膠漿膜早期水剝落的關鍵因素之一。因此文章在此研究基礎上，提出瀝青膠漿膜抗水剝離性能應該包括黏附性性和瀝青膠漿膜抗裂性能兩部分。對瀝青膠漿膜抗水剝離性能的評價將黏附性和瀝青膠漿膜抗裂性能結合起來進行評價。

文章提出用雙指標來評價瀝青膠漿膜抗水剝離性能。評價指標在現行規范基礎上增加瀝青膠漿膜抗裂性能指標，采用黏附性等級和瀝青膠漿延度雙指標共同評價瀝青膠漿膜抗水剝離性能，如表1所示。黏附性指標采用水浸法作為評價試驗方法，瀝青膠漿膜抗裂性能指標采用瀝青膠漿低溫延度（10℃，5cm/min）試驗作為評價方法。

表1 瀝青膠漿膜抗剝離性能雙指標控制

瀝青與集料的黏附性好意味著瀝青與集料分子或原子有很強的作用力，水分子與集料分子的作用力不足以破壞瀝青與集料界面而使黏附性喪失。而混合料中瀝青膠漿的塑性變形能力（延度）對瀝青路面的抗裂性能有至關重要的影響，良好的塑性變形能力（延度）保證瀝青膠漿膜有較好的抗裂性能，從而保證了瀝青膠漿膜有良好的抗剝離能力。

因此，要提高瀝青路面抗水損害能力，除了考慮瀝青-集料的黏附性，還應考慮瀝青膠漿膜的抗裂性能。在混合料配比設計中，當瀝青與礦料級配確定后，還應檢驗瀝青膠漿的延性，確保瀝青混合料具有較強的塑性變形能力，由此可以保證瀝青膠漿膜抗剝離性能。粉膠比、溫度是影響瀝青膠漿延度的主要因素。因此，在混合料配比設計時，應充分考慮當地的氣溫條件，探索在該溫度下使膠漿延度達到最大的粉膠比，避免路面出現溫縮裂縫。

4 瀝青膠漿膜抗水剝離性能指標應用分析

基于文章的研究結果，對基質瀝青、摻固體抗剝落劑的基質瀝青和SBS改性瀝青三者在相同粉膠比 （文章選擇1.0）情況下的瀝青膠漿膜抗水剝離性能進行對比分析。

試驗共分三組，分組情況如表2。瀝青膠漿制備按照1.0粉膠比進行配制。

表2 瀝青膠漿膜抗水剝離性能試驗分組

試驗結果分析：

黏附性試驗與瀝青膠漿延度試驗結果如表3所示。

表3 瀝青膠漿膜抗水剝離性能雙指標控制試驗結果

從試驗結果可以看出，摻抗剝落劑和使用SBS改性瀝青對黏附性的改善效果是一樣的，而從瀝青膠漿抗裂性能來看，摻抗剝落劑后的瀝青膠漿延度確低于基質瀝青的膠漿延度，使用SBS改性瀝青的膠漿延度要大于基質瀝青的膠漿延度。所以，從改善黏附性的角度來看，摻抗剝落劑與使用SBS改性效果是一樣的；而從改善瀝青膠漿膜抗水剝離性能的角度來看，使用SBS改性要明顯優于摻抗剝落劑。可以看出不同材料的黏附性等級一樣，其瀝青膠漿抗水剝離性能卻有優劣；單單從黏附性等級上，不足以反應瀝青路面抗水損害能力。

5 結論

目前國內外采用黏附性來評價瀝青-集料抗剝離能力，而瀝青膠漿膜開裂是促使瀝青膠漿膜早期水剝落的關鍵因素之一，黏附性指標忽視了瀝青膠漿膜開裂破壞的影響。因此文章在此研究基礎上，提出瀝青膠漿膜抗水剝離性能應該包括瀝青-集料黏附性性能和瀝青膠漿膜抗裂性能兩部分，對瀝青膠漿膜抗水剝離性能的評價將黏附性和瀝青膠漿膜抗剝離性能結合起來進行評價。文章提出用新的指標來評價瀝青膠漿膜抗水剝離性能，但要將其用于控制混合料配比設計與性能評定，將瀝青膠漿膜抗剝離指標作為瀝青路面抗水損害能力評價指標的一個補充，還需進行大量試驗研究和實踐的檢驗。

[1]周衛峰.瀝青與集料界面黏附性研究[D].長安大學.2002.

[2]賈志清.北方瀝青路面低溫抗裂性研究[D].長安大學2006.05.

[3]交通部公路科學研究所.JTG F40-2004,公路瀝青路面施工技術規范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[4]交通部公路科學研究所.JTG E20-2011,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].北京:人民交通出版社.2011.