道路酸性石料表面活化與粘附性研究

張 天 （江蘇沿江高速公路有限公司，江蘇 常熟 215500）

0 前言

我國高速公路的發(fā)展從80年代末開始起步，經(jīng)歷了80年代末至1997年的起步建設(shè)階段和1998年至今的快速發(fā)展階段。截止2018年底，我國公路網(wǎng)總里程達(dá)到了485.6萬km，其中高速公路里程達(dá)到了14.25萬km，居世界第一位。

由于瀝青路面具有建設(shè)速度快、力學(xué)性能好、施工周期短、平整度好、行車舒適性好以及養(yǎng)護(hù)維修簡單等優(yōu)點(diǎn)，我國90%以上的高速公路均采用的是瀝青路面。由于瀝青呈酸性，與堿性或中性石料的粘附性較好，混合料的水穩(wěn)定性高，有效減少了瀝青路面的水損病害，瀝青混合料所用石料多為石灰?guī)r、玄武巖等堿性或中性石料。酸性石料具有良好的耐磨性、抗磨耗、強(qiáng)度高等性能，但其SiO2含量過高并且易與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的Ca2+、Mg2+離子較少，導(dǎo)致酸性石料與瀝青的粘附性較差，這使得在道路建設(shè)中難以廣泛應(yīng)用。

隨著近幾年我國高速公路的發(fā)展，石灰?guī)r等堿性石料大量開采和使用，用于瀝青路面鋪筑的優(yōu)質(zhì)石料越來越少。此外，堿性石料在我國分布地域差異大，部分堿性石料匱乏地區(qū)高速公路瀝青路面施工時，不得不從外地調(diào)運(yùn)合格的堿性石料，而當(dāng)?shù)刎S富的酸性石料卻因與瀝青粘附性差而無法使用，不僅增加了工程運(yùn)輸成本，也造成了極大的資源浪費(fèi)。

本文針對上述問題，提出了采用表面處理劑處理酸性石料表面，使酸性石料表面活化以提高其與瀝青的粘附性，改善酸性石料瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗材料及方法

1.1 實(shí)驗材料

選用產(chǎn)自海南的花崗巖為主要研究的酸性石料，選用產(chǎn)自浙江湖州的石灰?guī)r和玄武巖作為花崗巖的對比石料，試驗石料化學(xué)成分見表1；選用南通通沙瀝青科技有限公司所生產(chǎn)的SBS改性瀝青和70#道路石油瀝青作為試驗瀝青；選用高分子、無機(jī)材料作為酸性石料的表面處理劑，具體成分見表2。

1.2 粘附性試驗試驗方案設(shè)計

采用5組表面經(jīng)過處理的花崗巖石料、1組表面未經(jīng)處理的花崗巖石料、1組石灰?guī)r石料、1組玄武巖石料，進(jìn)行表面處理劑與石料、瀝青與石料的粘附性對比試驗。每組試驗石料的用量均為1kg（石料粒徑均大于等于13.2mm），再從1kg的試驗石料中選出30～50個形狀接近立方體的單個規(guī)則石料，進(jìn)行單個石料的粘附性試驗研究。

2 實(shí)驗結(jié)果與討論

2.1 表面處理劑與石料的粘附性

圖1 表面處理劑與石料的粘附性

分析圖1可知，AS-2、AS-3這兩種處理材料在試驗石料表面粘附性能非常好，沒有任何脫落情況，AS-5由于裹附固結(jié)后表面存在水泥灰，水煮時存在一定的質(zhì)量損失，而AS-1因為固化時間較短所以與試驗石料的粘附性并不理想；4種表面處理劑在熱老化條件下，與試驗石料的熱老化性能均較好基本不受熱老化的影響，尤其是AS-3這種處理材料熱老化性能非常好。熱老化性能的良好可保證當(dāng)表面處理劑運(yùn)用到實(shí)際道路中時，表面處理劑與花崗巖的粘附界面不受高溫的破壞；AS-2、AS-3，2種表面處理劑不受紫外老化的影響，與試驗石料粘附時紫外老化性能較好。由于AS-5為無機(jī)材料的原因，所以在紫外老化的影響下，表面處理劑與試驗石料的粘附界面遭到一定破壞，有輕微的脫落情況；通過耐磨試驗4種表面處理劑與試驗石料的耐磨性能均較好基本沒有什么差異，所以基本可以排除摩擦而導(dǎo)致表面處理劑從花崗巖表面脫落。

試驗石料的化學(xué)成分 表1

酸性集料表面處理劑 表2

綜上所述，根據(jù)4種性能的綜合分析在表面處理劑與酸性花崗巖石料的粘附性研究階段本文所優(yōu)選出的表面處理劑為AS-2和AS-3。

2.2 瀝青與石料的粘附性

圖2 瀝青與原樣石料的粘附性

分析圖2可得出以下2個結(jié)論。

①瀝青性能角度：70#道路石油瀝青裹附下的3種試驗石料，在直接水煮過后試驗石料表面的瀝青有明顯的大面積脫落情況，質(zhì)量損失都比較大，粘附性能均較差，尤其是花崗巖表面的瀝青幾乎全部脫落，與SBS改性瀝青裹附試驗石料的質(zhì)量損失比形成了鮮明的對比，驗證了瀝青的性能尤其是瀝青的粘度性能對瀝青與石料的粘附性是一個很大的影響因素。

②石料成分角度：花崗巖石料因為SiO2含量高而易與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的Ca2+、Mg2+含量又少的原因，不管是與SBS改性瀝青還是70#道路石油瀝青裹附，粘附性能、熱老化性能、紫外老化性能均較差，而石灰?guī)r和玄武巖經(jīng)SBS改性瀝青裹附后，在這4種不同條件下石料表面的瀝青幾乎沒有大面積脫落的情況，驗證了瀝青與酸性石料粘附性差的事實(shí)。

圖3 SBS改性瀝青與花崗巖石料的粘附性

分析圖3可得出以下3個結(jié)論。

①經(jīng)第一階段優(yōu)選出的表面處理劑AS-3裹附的試驗石料，在熱老化的條件下石料表面瀝青有明顯脫落，熱老化性能較差；經(jīng)AS-1與AS-5處理過后的試驗石料裹附SBS改性瀝青的4種性能均不占優(yōu)，4種條件下石料表面瀝青都有明顯脫落的痕跡。

②經(jīng)AS-2處理過后的石料裹附SBS改性瀝青的粘附性能、熱老化性能、紫外老化性能、耐磨性能在優(yōu)于其它4種處理材料的同時，也都優(yōu)于表1、圖3中的石灰?guī)r和玄武巖與SBS改性瀝青裹附的4種性能。這說明經(jīng)AS-2處理的酸性石料表面已經(jīng)完全被活化，其表面堿性已經(jīng)大于優(yōu)質(zhì)堿性石料的堿性，使得其與SBS改性瀝青的粘附性有了很大的提升。

③AS-4表面處理劑由于濃度較大的原因本文通過熱噴和冷浸兩種處理方式使其裹附至石料表面，從圖3中可以清晰的看出采用熱噴處理方式的石料裹附SBS改性瀝青的4種性能都遠(yuǎn)優(yōu)于冷浸的處理方式，可以得出石料進(jìn)行表面處理時的溫度對瀝青與石料的粘附性也是一個重要的影響因素。與此同時，AS-4（熱噴）在與除AS-2處理材料以外其它處理材料的對比下，各方面的性能均占優(yōu)。

綜上所述，本文在SBS改性瀝青與酸性花崗巖石料粘附性研究階段，所優(yōu)選出的表面處理劑是AS-2和AS-4（熱噴）。

圖4 70#道路石油瀝青與花崗巖石料的粘附性

分析圖4可得出以下3個結(jié)論。

①單一從耐磨試驗來看，70#道路石油瀝青與5種表面經(jīng)處理石料的耐磨性能均較好，同SBS改性瀝青與試驗石料的耐磨性能一樣，不會受到摩擦因素的影響。

②經(jīng)AS-4熱噴處理過后的石料裹附70#道路石油瀝青，在直接水煮下試驗石料表面的70#道路石油瀝青脫落不明顯，粘附性能較好，且對比圖2中的石灰?guī)r、玄武巖堿性、中性試驗石料也很占優(yōu)，而通過冷浸處理后的粘附性能比并不是很理想，石料表面瀝青有大片脫落痕跡，同樣也證明了處理溫度對粘附性的影響。

③由于AS-3處理材料的堿性偏弱，所以經(jīng)AS-3處理過后的石料裹附70#道路石油瀝青在直接水煮下，瀝青從石料表面大面積脫落，粘附性能較差。

綜上所述，本文在70#道路石油瀝青與酸性花崗巖石料粘附性研究階段，所優(yōu)選出的表面處理劑是AS-4（熱噴）。

根據(jù)四個階段的對比研究，本文選定AS-2、AS-4（熱噴）為優(yōu)質(zhì)表面處理劑。

3 結(jié)論

①表面處理劑采用熱噴的方式裹附至石料表面的粘附效果優(yōu)于冷浸的效果，驗證了處理溫度對粘附性的影響。

②花崗巖的SiO2含量高而Ca2+、Mg2+含量又低，導(dǎo)致瀝青與花崗巖的粘附性較差。

③SBS改性瀝青粘度高的特點(diǎn)使得其與石料的粘附性優(yōu)于70#道路石油瀝青與石料的粘附性，驗證了瀝青的性能對粘附性也是一個重要的影響因素。

④通過表面處理劑裹附方式效果的對比、與石灰?guī)r和玄武巖的對比研究以及不同性能的試驗驗證，優(yōu)選出AS-2和AS-4兩種表面處理劑。