不同材料對改善瀝青與集料粘附性研究進展

耿九光，陳帥，劉光軍，周恒玉，劉潤喜

(1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064；2.中交二公局第四工程有限公司，陜西 西安 710000)

近些年來，在交通量不斷增長的情況下，瀝青路面產生了多種早期損壞現象，水損害是瀝青路面最典型早期損害之一。研究表明，產生路面水損害現象的根本原因是瀝青與集料的粘附性不足，最終使得瀝青從集料表面剝離從而導致路面發生破壞[1]。針對瀝青與集料粘附性問題，雖然許多國內外學者分別從集料的類別、棱角性、孔隙率、酸堿值等方面對其進行了廣泛的研究，然而對集料與瀝青粘附性的改善措施并沒有詳細的總結[2-5]。本文擬通過綜述國內外研究現狀，總結不同種材料對瀝青與集料粘附性改善的研究，并且提出不同材料在瀝青與集料粘附性改善措施中存在的問題與今后的發展方向。

1 無機材料對瀝青與集料粘附性的改善

消石灰與水泥作為無機材料之一，由于水泥和消石灰自身是種活性較高的堿性材料，且其中的堿性成分可以與瀝青中的羥酸反應，形成的產物對集料表面有更強的吸附能力，從而使得集料與瀝青的粘附性增強。

1.1 消石灰對瀝青與集料粘附性的改善

消石灰的比表面積能達7 000 cm2/g以上，遠高于比表面積為2 500～3 000 cm2/g石灰巖礦粉，這就使得集料與瀝青間分子力增大。消石灰可與瀝青中有機酸發生反應，生成物使集料表面活化，提高了瀝青與集料粘附性[6]。除此外，將消石灰加入瀝青混合料中，有利于瀝青在集料表面形成微孔吸附，增強瀝青與集料粘附性[7]。

消石灰作為傳統的無機材料之一，特別是在施工技術方面被廣泛應用于瀝青與集料的粘附性改善。Johansson等[8]認為消石灰作為填充劑與瀝青反應，在強度方面產生了一些有益的效果，進而使得瀝青與集料粘附性增強。杜順成等[6]研究表明，摻加1%消石灰的瀝青混合料可以有效地增強瀝青混合料抗剝落性能力，提高抗水損害能力。張勇指出水泥和消石灰對瀝青混合料的水穩定性能均有明顯的提高[9]。美國聯邦公路總局通過對各種添加劑比較，最終認為效果最好最穩定的是消石灰[10]。消石灰成本低、效果好，是一種實用型的抗剝落添加劑，但在實際應用消石灰中不同程度的摻雜有未充分熟化的生石灰，將對瀝青混合料產生不良的影響[11]。

1.2 水泥對瀝青與集料粘附性的改善

水泥作為活性礦粉的替代品之一，當水泥與乳化瀝青混合后會吸收其中的水分發生一系列水化反應。如圖1所示，水泥水化產生的纖維狀水化產物向四周的空間發展，與瀝青膜相互滲透交織在一起，形成光滑的曲面[12]。部分水泥與瀝青分子發生化學吸附，形成一層薄膜，增強了瀝青與骨料間的粘附性，從而提高了混合料的水穩定性[13]。

圖1 水泥瀝青膠漿SEM圖[14]Fig.1 SEM image of cement asphalt cement

水泥是一種活性較高的堿性材料，將水泥代替礦粉可以使水泥中的堿性成分和瀝青中的酸性成分反應，形成的產物具有更強的吸附能力，增強了瀝青與集料的粘附性。Dong等[15]通過微觀分析得到瀝青混合料表面由細小顆粒邊緣有少量皺紋的光滑表面轉變為具有凝膠結構的粗糙表面。當瀝青薄膜在凍融循環中被破壞時，水泥會與滲入的水分發生水化反應，生成的水化產物會逐漸變強封閉裂縫或空隙，彌補混合料的強度損失。Jie等[16]用水泥代替填料，實驗結果表明，含水泥填料瀝青混合料抗水損害性顯著。

韋澤鵬等[17]通過研究認為水泥的摻入使得瀝青與集料的粘附性增強，當水泥替代20%～40%礦粉時可以改善瀝青混合料的水穩定性。謝海超等[18]研究表明，摻入水泥可以增加對瀝青的吸附能力，從而使瀝青與集料的粘附性增強。馬本剛等[19]通過添加液體抗剝落劑與水泥對比，結果表明水泥對瀝青混合料的水穩定性改善效果更加明顯與穩定。

綜上所述，雖然水泥對瀝青混合料的水穩定性有很大的提升，但是針對不同的級配，不同的瀝青混合料路用性能，水泥替代礦粉的量都會不同，而且在實際應用中還要根據施工條件與區域氣候而定[20]。

2 高分子材料對瀝青與集料粘附性的改善

隨著科技發展，在道路工程領域中，研究人員將高分子材料應用于改善瀝青與集料粘附性中，并取得了良好的效果。在瀝青與集料粘附性改善過程中最具有代表性的高分子材料為高分子抗剝落劑材料。當前使用的高分子抗剝落劑以胺類抗剝落劑為主[21]。但是由于胺類物質耐熱性差，在高溫下極易分解，從而喪失部分或全部作用，因此胺類抗剝落劑的使用受到質疑。與其相比，非胺類抗剝落劑具有化學性質穩定、抗剝落性能優良等特點，因而具有很好的發展空間。

2.1 胺類抗剝落劑

將抗剝落劑加入瀝青中會與集料表面及部分碳氫作用生成結合物，碳氫長烴鏈在親水性集料與憎水性的瀝青的界面之前形成橋接，形成耦連作用，從而增強了瀝青與集料間粘附性[24]。Zhang等[25]研制一種新型胺類抗剝落劑，結果表明，該新型抗剝落劑對瀝青與集料的粘附性有很好的改善作用。Nazirizad等[26]研究結果表明，液體抗剝落劑制備的混合料與加入消石灰的混合料相比，前者具有更強的相關性和更好的抗水損害性。

張晨旭等[27]研發的一種新型胺類抗剝落劑對瀝青與酸性花崗巖石料粘附性的改善效果明顯，且在溫度為170 ℃下保持良好活性。吳登睿等[7]將水泥與胺類抗剝落劑復合使用，結果表明瀝青混合料水穩定性得到了很大提升。胺類抗剝落劑本身為表面活性劑，即只與集料接觸的瀝青膜才能發揮作用。再者，大部分胺類抗剝落劑對酸性集料的吸附能力有限，且胺類抗剝落劑耐熱性差。因此，在使用胺類抗剝落劑時要根據不同的集料類型選擇不同類別與摻量的胺類抗剝落劑。

2.2 非胺類抗剝落劑

非胺類抗剝落劑目前在市場上開發應用較少，在此僅以磷羥基非胺類抗剝落劑為例。見圖2，酸性集料表面與空氣水蒸氣接觸會活化產生大量的羥基，當將含磷羥基抗剝落劑加入瀝青中，在瀝青與集料間發生化學反應，抗剝落劑的作用是將瀝青與集料緊緊的拉在一起，增強兩者的粘附性[28]。

劉飛等[29]研究表明，堿渣與非胺類抗剝落劑混合使用會使瀝青混合料的水穩性能更佳。朱大章等[30]首次制備了含磷羥基的非胺類抗剝落劑，摻入瀝青后可以大大地提高瀝青與酸性集料的粘附性。肖富榮等[31]以表面活性劑為原料，研發了一種污染小，可再生的非胺類抗剝落劑。張苛等[32]建議非胺類抗剝落劑最佳摻量范圍為瀝青用量的0.5%～0.7%。從上述可知非胺類抗剝落劑有效地避免了胺類抗剝落劑的缺陷，但是并非所有的非胺類抗剝落劑對瀝青與集料的改善效果都非常好，其長期性能如何還應該根據具體的實際情況而定。

圖2 含磷基抗剝落劑化學吸附Fig.2 Phosphate-based anti-stripping agent chemisorption

3 新型材料對瀝青與集料粘附性的改善

對于酸性石料，由于其二氧化硅含量較高，以往研究人員將其應用在道路的主要方式是向其中摻入堿性石料。近些年來，新型硅烷偶聯劑和新型納米抗剝落劑的研發解決了這一難題，由于其含有特殊的化學結構能與石料表面的Si—OH鍵發生反應，從而增強瀝青與酸性集料間的粘附性。

3.1 新型硅烷偶聯劑

硅烷偶聯劑是一種具有雙極性基團的有機化合物，通過形成分子“橋”來改善基體與硅烷功能化合物之間的相互作用[33]。瀝青混合料中，瀝青與集料的界面是瀝青混合料最薄弱的環節。以往的研究人員大部分是通過改性瀝青以達到提高集料與瀝青粘附性能的目的，然而改性后的瀝青多次加熱后易被老化，且存在儲存困難等問題[34]。李美霞等[35]研發的新型硅烷界面改性劑對酸性石料表面進行改性，在瀝青與集料相接觸的界面間形成一層致密的過渡層，使得相鄰兩相發生物理化學作用，從而增強了瀝青與集料間的粘附性。

瀝青與集料間的粘附性問題除了對集料改性外，還可以通過對填料與纖維等物質改性來提高瀝青與集料的粘附性。Yu等[33]采用硅烷偶聯劑(KH-550)溶液對纖維表面進行改性，通過增加纖維表面的粗糙度來增強瀝青與纖維的化學結合，從而提高瀝青與集料的粘附性。由圖3可知，經過硅烷偶聯劑處理前后對比，處理后的纖維表面更加粗糙，則瀝青與纖維粘附性更好。Xie等[36]用硅烷偶聯劑處理粉煤灰(CFAM)填料，處理后的填料與消石灰粉相比，摻加粉煤灰瀝青混合料的水穩定性更好。主要原因為偶聯劑的“橋聯作用”使瀝青與填料之間的粘結性能得到改善，從而使集料與瀝青結合增強，因此表現為經過硅烷偶聯劑處理的粉煤灰有更好的抗水損害性。而Ameri[37]和Arabani等[38]通過研究新納米有機硅烷抗剝落劑對瀝青-集料界面影響來提高瀝青混合料的抗水損害性。

圖3 KH-550處理纖維前后的EDS結果Fig.3 EDS results before and after KH-550 treatment of fibersa.處理前；b.處理后

3.2 新型納米材料

隨著科技的發展，特別近些年隨著納米材料的出現，一些研究人員將其應用在瀝青與集料粘附性方面，結果發現納米材料對瀝青混合料水穩定性起到很好的改善效果。Sarkar等[39]研制了一種新型的水溶性納米添加劑材料。Arabani和Behbahani等[40-41]實驗表明，水溶性納米添加劑可以增強瀝青與集料的粘附性。Nejad等[42]將納米添加劑加入到熱拌瀝青混合料，結果表明瀝青混合料的水穩定性與其它性能都有很大程度的改善。

季志博等[43]從微觀分析了添加納米材料后集料的總表面自由能減小、堿性增大，使其與瀝青有更強的粘附性。由于硅質集料如花崗巖表面的氧化硅與空氣中的水反應后生成硅烷醇，從而在集料表面形成極性的親水基團，納米材料通過與集料表面的硅烷醇基反應生成結合物，并在集料表面形成疏水性優異的疏水層，從而使瀝青與集料的抗水剝落能力增強。李進才等[44]研制的納米瀝青抗剝落劑(NAS)不僅可以提高瀝青與酸性集料表面的粘附性，同時還使得混合料具有抗老化性。張國宏等[45]發現聚酰胺納米復合材料由于酰胺基團的存在可有效提升瀝青與酸性集料粘附性。

上述兩種改善瀝青與集料粘附性的新型材料雖然可以提高二者的粘附性，但其對酸性集料的改善作用較為明顯，對其它類型的集料改善效果不顯著，需要進一步的研究與探討。

4 結束語

綜上所述，無機材料、高分子材料及新型改性材料等不同類型的材料對瀝青與集料的粘附性都有顯著的提升。但是，目前也存在著一些待解決的問題。針對不同配合比的瀝青混合料水泥的摻量不確定；消石灰的細度難以控制，且在使用時很難避免會摻加生石灰。高分子聚合物材料胺類抗剝落劑耐熱性差，受熱易分解，非胺類抗剝落劑種類較少且耐久性未知，有待進一步的研究。硅烷偶聯劑與新型納米材料對改善瀝青混合料粘附性具有一定效果，但其僅對含Si較多的酸性石料有很大的作用，對其它類型的石料改性并不是都很理想，因此，在現場使用時應根據現場試驗或者模擬試驗來確定參數后使用。