澳標(biāo)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(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

1 研究背景

南太平洋國(guó)家主要是以島嶼形式存在，并受澳大利亞社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響較為深遠(yuǎn)，且主要以澳洲標(biāo)準(zhǔn)作為道路施工標(biāo)準(zhǔn)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，交通流快速增加，同時(shí)重載交通也不斷增加，對(duì)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(zhì)量、性質(zhì)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(zhì)量的基礎(chǔ)性因素。在石料來源比較單一、卵石比較豐富地區(qū)采用破碎卵石作為瀝青混凝土路面的骨料既經(jīng)濟(jì)又方便。但是由于破碎卵石的巖性紛繁復(fù)雜且所呈現(xiàn)的酸堿性、強(qiáng)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(fā)生水損害的概率，為降低瀝青混凝土路面發(fā)生水損害概率，必須對(duì)破碎卵石和瀝青的粘附性進(jìn)行充分研究。

水損害是高等級(jí)公路早期出現(xiàn)的較為常見的病害，其將顯著降低路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致路面服務(wù)水平降低。水損害發(fā)生的一個(gè)重要原因是骨料和瀝青的粘附性能較差，導(dǎo)致路面水從骨料和瀝青縫隙滲透進(jìn)入路面，造成路面承載力減低及結(jié)構(gòu)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(gè)角度出發(fā)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(jìn)入混合料的內(nèi)部，是預(yù)防水損壞的關(guān)鍵途徑。

目前研究關(guān)于瀝青與集料之間粘附性的主要理論有以下幾點(diǎn)。

1）化學(xué)反應(yīng)理論。瀝青與集料表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)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(dāng)堿性集料與瀝青的堿性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，粘附性能就較差。

2）力學(xué)理論。該理論認(rèn)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(shí)熱瀝青通過毛細(xì)作用滲入到礦料微裂縫及礦料之間的空隙中，當(dāng)瀝青遇冷凝固后便會(huì)與礦料之間形成機(jī)械粘合力。

3）分子定向理論。該理論認(rèn)為瀝青中由于存在表面活性物質(zhì)分子具有偶極矩，造成瀝青表現(xiàn)出具有力場(chǎng)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(shí)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(rèn)為固體的表面有不飽和力場(chǎng)，能自發(fā)吸引其他物質(zhì)從而降低自身自由能的能力。當(dāng)瀝青在空隙、微裂縫中擴(kuò)散時(shí)，集料因?yàn)椴伙柡土?chǎng)的存在會(huì)自發(fā)的吸收瀝青分子，這種能量交換使集料與瀝青之間產(chǎn)生了粘結(jié)力。

5）在粘附性機(jī)理分析方面美國(guó)的公路戰(zhàn)略性研究計(jì)劃（SHRP）也做了比較深入的研究。此研究結(jié)果說明了不同的瀝青所含結(jié)構(gòu)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(qiáng)于非極性組分，但大多數(shù)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(fā)展過程。

分析瀝青抗剝落劑發(fā)展過程可知，從效果來看隨著對(duì)抗剝落劑研究的深度、種類的發(fā)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(wěn)定性好、耐久性好，因此應(yīng)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(duì)的，不能一概而論，因此選擇何種抗剝落劑需要通過試驗(yàn)才能確定。

表1 瀝青抗剝落劑發(fā)展過程

國(guó)內(nèi)外對(duì)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(jié)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(duì)比較匱乏、河卵石資源比較豐富的地區(qū)，提高卵石和瀝青的粘附性能對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量和成本控制尤為重要。

2 試驗(yàn)過程

2.1 原材情況

1）破碎卵石：河道卵石種類較為復(fù)雜，包含花崗巖、風(fēng)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(qiáng)度很高。

2）破碎山石：破碎山石整體強(qiáng)度相對(duì)較低，巖石種類單一，為變質(zhì)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(shí)間后自然變色為淡黃色），形狀為細(xì)圓柱棍狀固體，可以增強(qiáng)瀝青混凝土的粘度，減少水分對(duì)瀝青的損害機(jī)會(huì)，延長(zhǎng)路面的使用壽命；同時(shí)它還具有低氣味、無煙霧、可快速融入瀝青的特點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)要求

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

2.3 前期對(duì)比試驗(yàn)

方案一：骨料采用破碎卵石，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果見表3。

表2 抗剝落試驗(yàn)要求

表3 方案一試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可得，破碎卵石由于組分復(fù)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(yán)重，使用抗剝落劑性能有所改善，但仍不滿足指標(biāo)要求（數(shù)值≤10）。

方案二：骨料采用破碎山石，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果見表4。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，由于該山石偏堿性，本身抗剝落性已滿足指標(biāo)要求。瀝青混合料呈黑色，有少量花白料現(xiàn)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(yàn)要求。

總結(jié)上述對(duì)比試驗(yàn)可知，雖然破碎卵石和山石在表面結(jié)構(gòu)和形狀、比表面積、微孔率等方面也有一定區(qū)別，但是瀝青骨料礦物組成、所呈現(xiàn)的酸堿性才是影響粘附性的重要因素。相對(duì)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(guī)范要求[2]。對(duì)于酸性骨料，一般情況不能滿足要求，需要進(jìn)行特殊處理，并綜合考慮表面結(jié)構(gòu)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(yàn)結(jié)果

3 后期改良試驗(yàn)

在卵石中挑選顏色較深、巖性偏堿性且粒徑＞20 m的進(jìn)行破碎，按照規(guī)范和配合比要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)論得出破碎后卵石強(qiáng)度、針片狀指數(shù)等基礎(chǔ)指標(biāo)均滿足要求[3]。因此，確認(rèn)其與瀝青的粘附性是本次改良實(shí)驗(yàn)非常關(guān)鍵的步驟。把事前挑選出來的石料破碎后，按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行處理并完成進(jìn)一步的改良試驗(yàn)。

骨料采用經(jīng)挑選后的破碎青色卵石，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果見表5。

由試驗(yàn)可以看出，經(jīng)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(biāo)已基本達(dá)到試驗(yàn)要求，但不是很穩(wěn)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(fā)亮，并且?guī)缀鯖]有花白料情況，達(dá)到規(guī)范要求的指標(biāo)，并呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

表5 改良試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

在澳標(biāo)AS1141.50條件下，試驗(yàn)要求骨料與瀝青在室溫下接觸相對(duì)來說增大了粘附難度，對(duì)巖石本身的性質(zhì)提出了更高要求。因此，在骨料來源比較匱乏的地區(qū)采取篩選河流中物理性質(zhì)較好的卵石，通過實(shí)驗(yàn)確定礦物組成、酸堿性、表面結(jié)構(gòu)和微孔率等參數(shù)，以提高瀝青混合料中骨料的原材質(zhì)量，并在混合料中輔以抗剝落劑，進(jìn)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(qū)的瀝青面層骨料來源問題，在滿足規(guī)范要求的同時(shí)節(jié)約了項(xiàng)目成本。