澳標條件下抗剝落劑改善破碎卵石與瀝青粘附性的研究

祁志華

（中國港灣工程有限責任公司，北京 100027）

1 研究背景

南太平洋國家主要是以島嶼形式存在，并受澳大利亞社會經濟影響較為深遠，且主要以澳洲標準作為道路施工標準。隨著經濟社會的快速發展，交通流快速增加，同時重載交通也不斷增加，對瀝青混凝土路面的使用性能逐漸提出了更高的要求。路面原材料的質量、性質直接影響到路面的各種使用性能，是決定瀝青混凝土路面質量的基礎性因素。在石料來源比較單一、卵石比較豐富地區采用破碎卵石作為瀝青混凝土路面的骨料既經濟又方便。但是由于破碎卵石的巖性紛繁復雜且所呈現的酸堿性、強度等差別較大，其作為瀝青混凝土骨料與瀝青的粘附性很大程度上決定了瀝青混凝土路面發生水損害的概率，為降低瀝青混凝土路面發生水損害概率，必須對破碎卵石和瀝青的粘附性進行充分研究。

水損害是高等級公路早期出現的較為常見的病害，其將顯著降低路面結構的穩定性，導致路面服務水平降低。水損害發生的一個重要原因是骨料和瀝青的粘附性能較差，導致路面水從骨料和瀝青縫隙滲透進入路面，造成路面承載力減低及結構性損害。骨料的礦物組成和酸堿性是決定骨料和瀝青粘附性能的重要因素。一般而言，堿性的集料與瀝青粘附性能較好，而酸性的集料與瀝青粘附性能較差。從這個角度出發加以研究可以得出提高瀝青和集料二者之間的粘附性能，減少或者防止水進入混合料的內部，是預防水損壞的關鍵途徑。

目前研究關于瀝青與集料之間粘附性的主要理論有以下幾點。

1）化學反應理論。瀝青與集料表面發生的化學反應是兩者之間粘附性主要來源。石油瀝青中酸性成分的含量＞堿性成分，當堿性集料與瀝青的堿性成分發生化學反應時生成的化合物不溶于水，兩者之間的粘附性能較好。但是酸性集料如花崗巖表面缺乏所謂的堿性活性中心，難以發生化學反應，粘附性能就較差。

2）力學理論。該理論認為礦料的表面粗糙多孔，為集料與瀝青之間的相互作用提供了更大的作用面積，同時熱瀝青通過毛細作用滲入到礦料微裂縫及礦料之間的空隙中，當瀝青遇冷凝固后便會與礦料之間形成機械粘合力。

3）分子定向理論。該理論認為瀝青中由于存在表面活性物質分子具有偶極矩，造成瀝青表現出具有力場的能力。因此首先極性分子的定向力在集料表面形成吸附層，同時非極性的分子受到極性分子的影響獲得定向力，形成外層的吸附層。

4）表面能理論。該理論認為固體的表面有不飽和力場，能自發吸引其他物質從而降低自身自由能的能力。當瀝青在空隙、微裂縫中擴散時，集料因為不飽和力場的存在會自發的吸收瀝青分子，這種能量交換使集料與瀝青之間產生了粘結力。

5）在粘附性機理分析方面美國的公路戰略性研究計劃（SHRP）也做了比較深入的研究。此研究結果說明了不同的瀝青所含結構成分有極性作用的差別，在集料上的吸附性能力上極性組分要強于非極性組分，但大多數的瀝青成分中都含有非極性的脂肪烴類組分。表1為瀝青抗剝落劑發展過程。

分析瀝青抗剝落劑發展過程可知，從效果來看隨著對抗剝落劑研究的深度、種類的發展，非胺類抗剝落劑的效果要比胺類抗剝落劑好。由于非胺類抗剝落劑與胺類抗剝落劑相比，熱穩定性好、耐久性好，因此應盡量采用非胺類抗剝落劑。但是，抗剝落劑效果的好壞都是相對的，不能一概而論，因此選擇何種抗剝落劑需要通過試驗才能確定。

表1 瀝青抗剝落劑發展過程

國內外對于骨料與瀝青粘附性能的影響因素，以及如何提高二者之間的粘附性能等方面做了大量的研究工作。二者之間粘結性能直接影響著路面的使用性能和耐久性，粘附性的影響因素有很多，因而提高粘附性的方法也有很多途徑。在山石相對比較匱乏、河卵石資源比較豐富的地區，提高卵石和瀝青的粘附性能對項目質量和成本控制尤為重要。

2 試驗過程

2.1 原材情況

1）破碎卵石：河道卵石種類較為復雜，包含花崗巖、風化巖、沉積巖等多種巖石種類，整體石料情況偏酸性，石料整體強度很高。

2）破碎山石：破碎山石整體強度相對較低，巖石種類單一，為變質巖，整體石料情況偏堿性，采取人工方式破碎成碎石。

3）抗剝落劑（聚酰胺類聚合物）：顏色為白色（放置一段時間后自然變色為淡黃色），形狀為細圓柱棍狀固體，可以增強瀝青混凝土的粘度，減少水分對瀝青的損害機會，延長路面的使用壽命；同時它還具有低氣味、無煙霧、可快速融入瀝青的特點。

2.2 試驗要求

瀝青骨料的粘附性試驗采用澳標AS1141.50[1]（骨料與瀝青的抗剝落性試驗），其與國標瀝青粘附性試驗完全不同，試驗具體要求見表2。

2.3 前期對比試驗

方案一：骨料采用破碎卵石，試驗分為4組，分別為未添加抗剝落劑、4%摻量、6%摻量以及8%摻量。試驗結果見表3。

表2 抗剝落試驗要求

表3 方案一試驗結果

由試驗結果可得，破碎卵石由于組分復雜，整體偏酸性，本身與瀝青抗剝落性較差，瀝青混合料呈黑棕色，并且花白料情況嚴重，使用抗剝落劑性能有所改善，但仍不滿足指標要求（數值≤10）。

方案二：骨料采用破碎山石，試驗分為4組，分別為未添加抗剝落劑、4%摻量、6%摻量以及8%摻量。試驗結果見表4。

由試驗結果可知，由于該山石偏堿性，本身抗剝落性已滿足指標要求。瀝青混合料呈黑色，有少量花白料現象，通過加入抗剝落劑后抗剝落性又有了一定的提升，完全可以滿足試驗要求。

總結上述對比試驗可知，雖然破碎卵石和山石在表面結構和形狀、比表面積、微孔率等方面也有一定區別，但是瀝青骨料礦物組成、所呈現的酸堿性才是影響粘附性的重要因素。相對酸性骨料而言，堿性骨料和瀝青粘附性明顯較好且基本可以滿足規范要求[2]。對于酸性骨料，一般情況不能滿足要求，需要進行特殊處理，并綜合考慮表面結構和形狀、比表面積、微孔率等方面影響，本文在此不再贅述。

表4 方案二試驗結果

3 后期改良試驗

在卵石中挑選顏色較深、巖性偏堿性且粒徑＞20 m的進行破碎，按照規范和配合比要求進行實驗，結論得出破碎后卵石強度、針片狀指數等基礎指標均滿足要求[3]。因此，確認其與瀝青的粘附性是本次改良實驗非常關鍵的步驟。把事前挑選出來的石料破碎后，按照實驗要求進行處理并完成進一步的改良試驗。

骨料采用經挑選后的破碎青色卵石，試驗分為4組，分別為未添加抗剝落劑、4%摻量、6%摻量以及8%摻量。試驗結果見表5。

由試驗可以看出，經挑選后的破碎青色卵石抗剝落性本身有了很大的提升，指標已基本達到試驗要求，但不是很穩定。在摻入一定量抗剝落劑后其抗剝離性能明顯改善，瀝青混合料呈油黑發亮，并且幾乎沒有花白料情況，達到規范要求的指標，并呈現穩定狀態。

表5 改良試驗試驗結果

4 結語

在澳標AS1141.50條件下，試驗要求骨料與瀝青在室溫下接觸相對來說增大了粘附難度，對巖石本身的性質提出了更高要求。因此，在骨料來源比較匱乏的地區采取篩選河流中物理性質較好的卵石，通過實驗確定礦物組成、酸堿性、表面結構和微孔率等參數，以提高瀝青混合料中骨料的原材質量，并在混合料中輔以抗剝落劑，進一步提高骨料和瀝青的粘附性能，可以很好地解決在卵石資源豐富地區的瀝青面層骨料來源問題，在滿足規范要求的同時節約了項目成本。