常用抗剝落劑對瀝青混合料路用性能的影響

楊衛國，王書杰，李 黃，高攀峰

(1.四川省攀枝花市養護管理總段，四川 攀枝花 617027；2.交科院檢測技術(北京)有限公司，北京 100010)

1 試驗說明

試驗膠結料采用遼河70#A級道路石油瀝青，石料為內蒙古赤峰市克旗三義鄉五地采石廠花崗巖，抗剝落劑A為市售胺類抗剝落劑，抗剝落劑B為市售非胺類抗剝落劑。瀝青的主要技術性能如表1所示。抗剝落劑根據廠家建議的0.3%～0.5%(瀝青質量)的摻量直接加入到瀝青中，瀝青加熱溫度為135 ℃左右，加入抗剝落劑后攪拌時間為10～15 min。

表1 瀝青主要技術性能指標

通過與二氧化硅和鈉長石XRD圖譜的比對，可以初步判定該石料中二氧化硅的含量不低于60%，按照石料分類要求，判定該石料為酸性石料。

本文選擇AC-20型密級配瀝青混合料級配，如表2所示，級配曲線見圖1。采用馬歇爾試驗測定最佳油石比為4.3%。

表2 礦料級配

圖1 合成級配曲線圖

2 老化前后瀝青抗剝落性研究

本文采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)中瀝青與粗集料的粘附性試驗來評價三種膠結料(原樣瀝青、加抗剝落劑A的瀝青、加抗剝落劑B的瀝青)的粘附性。選用水煮法開展試驗，石料過篩，取粒徑13.2～19 mm形狀接近立方體的規則集料。集料加熱溫度為105 ℃，加熱時間不小于1 h，瀝青加熱溫度為145 ℃。將加熱后的集料迅速從烘箱中取出，浸入145 ℃的瀝青中45 s，輕輕拿出，使集料顆粒完全為瀝青膜所裹覆。將裹覆瀝青的集料顆粒懸掛與試驗架上，在室溫下冷卻15 min。將冷卻后的集料顆粒浸入盛有煮沸水的大燒杯中，水呈微沸狀態，水溫為98 ℃左右，浸煮3 min后，將集料從水中取出，適當冷卻，然后放入一個盛有溫常溫水的容器中，在水中觀察礦料顆粒上瀝青膜的剝落程度。

為了評價抗剝落劑的高溫穩定性能，對三種膠結料進行薄膜老化處理，老化條件為163 ℃，5 h。老化前后三種膠結料與粗集料的粘附性試驗結果見表3所示。

由表3可以看出，未進行高溫老化處理前，加入抗剝落劑后，瀝青與粗集料的粘附性提高了一個等級，僅有少量瀝青膜被水所移動，集料表面沒有出現任何露白的剝落現象。從表1可知，本次試驗所用的70#基質瀝青其軟化點為47.5 ℃，在98 ℃的水中浸煮3 min，集料上裹覆的瀝青膜極易融化而發生移動，但加熱抗剝落劑后，集料表面沒有出現露白現象，說明摻加抗剝落劑的瀝青與集料發生了化學結合，兩種抗剝落劑對瀝青的抗剝落改性效果顯著。進行薄膜老化處理后，添加0.3%抗剝落劑A的膠結料與粗集料的粘附性降為3級，集料表面的瀝青也發生了剝落，說明抗剝落劑A在高溫下發生了分解，活性成分損失明顯，該種抗剝落劑的高溫穩定性差。而添加抗剝落劑B的膠結料在老化后與粗集料的粘附性仍為4級，說明抗剝落劑B高溫下未發生變化，高溫穩定性好。將抗剝落劑A的摻量從0.3%提高到0.5%后，經過薄膜老化處理后，其改性的瀝青與粗集料的粘附性又提高為4級，這一結果表明，抗剝落劑A經過163 ℃、5 h的薄膜老化處理后，有效成分雖然有所分解，但并沒有完全分解，因此當摻量由0.3%提高0.5%后，膠結料與粗集料的抗剝落性又提高到老化前的4級。

表3 瀝青膠結料與粗集料的粘附性

3 老化前后瀝青混合料水穩定性研究

水損壞是瀝青路面病害的一種主要形式，各國的瀝青路面都存在不同程度的水損壞。這種損壞通常的表現是瀝青從集料表面剝落，瀝青混合料粘結力損失，路面強度和穩定性降低，拌之出現各種病害，嚴重影響了路面的使用性能與耐久性能。瀝青從集料表面剝落，在某些環境下先于其他病害發生的誘因之一，因此，預防水損壞，是提高瀝青路面耐久性的前提。

瀝青混合料的水穩定性是指其在被水侵蝕時，抵抗產生瀝青膜剝落、松散、坑洞等水破壞的能力。依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)瀝青抗剝落劑性能評價試驗中的規定，采用馬歇爾殘留穩定度試驗和凍融劈裂試驗來評價摻加抗剝落劑后瀝青混合料的水穩定性。此外，為了評價抗剝落劑的高溫穩定性和長期使用效果，采用未經老化處理的瀝青混合料和經過短期老化及長期老化處理的瀝青混合料來進行比較研究。

3.1 長期老化前瀝青混合料的水穩定性

三種類型膠結料拌合的瀝青混合料的馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂試驗結果分別見表4和表5所示。

表4 浸水殘留穩定度

表5 凍融劈裂試驗結果

由表4和表5可知，未加入抗剝落劑前，混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度為75%，凍融劈裂殘留強度比為70%，均不滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中對潮濕區及濕潤區普通瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩定度不小于80%，凍融劈裂殘留強度比不小于75%的技術要求。加入0.5%的抗剝落劑A后，瀝青混合料的水穩定性明顯提高，其中浸水馬歇爾殘留穩定度由75%提高到了98%，凍融劈裂殘留強度比由70%提高到了95%，說明加入0.5%抗剝落劑A后，瀝青混合料在高溫水泡和低溫水凍的試驗條件下，力學性能基本保持不變，表現出了良好的水穩定性。加入0.3%的抗剝落劑B后，瀝青混合料的水穩定性也有明顯提高，其中浸水馬歇爾穩定度提高到了93%，凍融劈裂殘留強度比提高了92%，分別比加入0.5%抗剝落劑A的瀝青混合料減少了5%和3%。原因可能是因為，瀝青混合料的高溫拌合時間僅為180 s，遠低于薄膜老化的5 h高溫加熱時間，因此抗剝落A基本沒有發生熱分解，而0.5%抗剝落劑A的有效成分含量將明顯高于0.3%抗剝落B的有效成分含量，最終加入0.5%抗剝落劑A的瀝青混合料的水穩定性要優于加入0.3%抗剝落劑B的瀝青混合料的水穩定性。

3.2 長期老化后瀝青混合料的水穩定性

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)熱拌瀝青混合料加速老化試驗用于模擬瀝青混合料的短期老化和長期老化過程，其中規定試件在進行長期老化試驗前必須先經過短期老化。

短期老化是將拌合后的瀝青混合料均勻攤鋪在搪瓷盤中，松鋪約21～22 kg/m2，將混合料放入135 ℃的烘箱中，在強制通風條件下加熱4 h，每小時用鏟在試樣盤中翻拌混合料一次。

長期老化是將短期老化后的混合料按照浸水殘留穩定度和凍融劈裂試件的尺寸和成型方法制作試件。然后將試件連同試模一起置于室溫條件下冷卻不小于16 h，然后脫模。將試件放置于85 ℃的烘箱中，在強制通風條件下連續加熱120 h。要求在恒溫過程中直至冷卻前不得觸摸試件和移動試件。5 d后關閉烘箱，打開烘箱門，經自然冷卻不少于16 h至室溫。短期老化和長期老化后瀝青混合料的水穩定性試驗結果分別見表6和表7所示。

表6 浸水殘留穩定度

表7 凍融劈裂試驗結果

由表6和表7可以看出，經過135 ℃、4 h的強制通風短期老化和85 ℃、120 h的強制通風長期老化后，未加抗剝落劑的普通瀝青瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度由老化前的75%提高到了86%，滿足“JTG F40-2004”中潮濕區和濕潤區普通瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩定度不小于80%的技術要求，其凍融劈裂殘留強度比由老化前的70%提高到了87%，滿足“JTG F40-2004”中潮濕區和濕潤區普通瀝青混合料凍融劈裂殘留強度比不小于75%的技術要求。其試驗結果的絕對值也明顯提高，由表8可以看出，48 h浸水前，老化后的普通瀝青混合料的馬歇爾穩定度為20.77 kN較老化前的11.20 kN提高了85%，48 h浸水后，老化后的普通瀝青混合料的馬歇爾穩定度為17.76 kN也較老化前的9.08 kN提高了96%；凍融前，老化后的普通瀝青混合料的凍融劈裂強度為1.02 MPa較老化前的0.66 MPa提高了55%，凍融后，老化后的普通瀝青混合料的凍融劈裂強度為0.88 MPa較老化前的0.46 MPa提高了91%。經過短期和長期老化后，70#瀝青發生了明顯的老化，輕質分揮發，部分膠質轉化為瀝青質，瀝青粘度增大應該是普通瀝青混合料馬歇爾穩定度和劈裂強度絕對值升高的主要原因，但普通瀝青混合料的水穩定性也明顯提高的原因應該是：在135 ℃&4 h短期老化和85 ℃&120 h長期老化的熱作用下，瀝青膠結料始終處于一種良好的流動狀態，可以對石料發生充分的浸潤，從而大大提高了石料的抗剝落性，進而提高了老化后普通瀝青混合料的水穩定性。

表8 普通瀝青混合料老化前后的馬歇爾穩定度和劈裂強度性能對比

由表4～表7可以看出，加入0.5%抗剝落劑A的瀝青混合料，老化后其浸水馬歇爾殘留穩定度由老化前的98%降低到83%，明顯降低，并且較未加抗剝落劑的普通瀝青混合料降低了3%；老化后其凍融劈裂殘留強度比由老化前的98%變為99%，基本不變，并且較未加抗剝落劑的普通瀝青混合料提高了12%。加入0.3%抗剝落劑B的瀝青混合料，老化后其浸水馬歇爾殘留度由老化前的93%降低到83%，較未加抗剝落劑的普通瀝青混合料降低3%；老化后其凍融劈裂殘留強度比由老化前的92%提高到98%，并且較未加抗剝落劑的普通瀝青混合料提高了11%。因此從水穩定性的相對值來看，經過長期老化后，未加抗剝落劑的瀝青混合料的夏季耐高溫水穩定性較加抗剝落劑的瀝青混合料略有提高，而其冬季耐低溫水穩定性較加抗剝落劑的瀝青混合料明顯降低，但仍滿足現行規范的要求。

由表8可以看出，老化后加入抗剝落劑的瀝青混合料的馬歇爾穩定度和劈裂強度也較老化前明顯提高。其中加入0.5%抗剝落劑A的瀝青混合料48 h浸水前和48 h浸水后的馬歇爾穩定度分別較老化前提高了42%和10%；加入0.5%抗剝落劑A的瀝青混合料凍融前和凍融后劈裂強度分別較老化前提高了35%和40%。加入0.3%抗剝落劑B的瀝青混合料48 h浸水前和48 h浸水后的馬歇爾穩定度分別較老化前提高了74%和56%；加入0.3%抗剝落劑B的瀝青混合料凍融前和凍融后劈裂強度分別較老化前提高了59%和70%。與普通瀝青混合料老化后的性能結果對比可以看出，加入抗剝落劑的瀝青混合料老化后馬歇爾穩定度和劈裂強度的絕對值雖有所提高的提高幅度低于未加抗剝落劑的普通瀝青混合料，尤其是加入0.5%抗剝落劑A的瀝青混合料其老化后的馬歇爾穩定度和劈裂強度絕對值的提高幅度明顯低于未加抗剝落劑的普通瀝青混合料。

由圖2可以看出，老化后，未加抗剝落劑的普通瀝青混合料的馬歇爾穩定度和加入0.3%抗剝落劑B瀝青混合料的馬歇爾穩定度的絕對值基本相當，都明顯高于加入0.5%抗剝落劑A瀝青混合料的馬歇爾穩定度，老化后凍融前，未加抗剝落劑的普通瀝青混合料的劈裂強度最高，加入0.3%抗剝落劑B瀝青混合料的劈裂強度略低，加入0.5%抗剝落劑A瀝青混合料的劈裂強度最低；老化后凍融后，加入0.3%抗剝落劑B瀝青混合料的劈裂強度最高，未加抗剝落劑普通瀝青混合料和加入0.5%抗剝落劑A瀝青混合料的劈裂強度基本相當，均低于加入0.3%抗剝落劑B的瀝青混合料。由此可以看出，老化后，加入0.3%抗剝落劑B瀝青混合料的整體水穩定性能還是最佳，未加抗剝落劑的普通瀝青混合料的水穩定性略低，但較老化前大幅提高，并且滿足規范中對普通瀝青混合料水穩定性的要求，加入0.5%抗剝落劑A瀝青混合料的水穩定性最差，尤其是馬歇爾穩定度和劈裂強度的絕對值最低。分析原因，應該是經過135 ℃&4 h短期老化和85 ℃&120 h長期老化后，抗剝落劑A發生了分解，活性成分損失，按照抗剝落劑的作用機理，抗剝落劑為石料與瀝青之間的橋梁，在熱作用下，橋梁發生了分解破壞，其改性的瀝青混合料的水穩定性必然降低，此外，這個橋梁的存在，其也在一定程度上阻止了瀝青對石料的充分浸潤，因此其改性的瀝青混合料老化后的水穩定性反而低于未改性的普通瀝青混合料的水穩定性。

圖2 老化后三種瀝青混合料馬歇爾穩定和劈裂強度比度結果比較

4 結 論

(1)老化前，加入抗剝落劑的瀝青混合料的水穩定性明顯高于未加抗剝落劑的普通瀝青混合料，且因為抗剝落劑A的加入量高于抗剝落劑B的加入量，所以加入0.5%抗剝落劑A的瀝青混合料的水穩定性略優于加入0.3%抗剝落劑B的瀝青混合料的水穩定性；

(2)老化后，因為胺類抗剝落劑的熱穩定性差，加入0.5%抗剝落劑A的瀝青混合料的水穩定性明顯降低，尤其是其力學性能的絕對值明顯低于其他兩種瀝青混合料；

(3)老化后，非胺類抗剝落劑仍然表現出了良好的熱穩定性，加入0.3%抗剝落劑B的瀝青混合料的整體水穩定性最佳；

(4)老化后，未加抗剝落劑改性的普通瀝青混合料的水穩定性較老化前顯著提高，高溫水穩定性和低溫水穩定性都明顯提高，均滿足“JTG F40-2004”中對潮濕區和濕潤區普通瀝青混合料水穩定性要求，尤其是其力學性能的絕對值大幅提高，提高幅度均在50%以上，這表明長期的熱作用，可以在提高瀝青粘度的同時也會提高瀝青對石料的浸潤作用，從而使其水穩定性和力學性能均明顯提高。

(5)室內模擬的老化，尤其是長期老化與實際路面的老化過程仍有顯著差別，長期使用后實際瀝青路面水穩定性的變化趨勢仍待考察，因此，從路面使用的安全性考慮，對于酸性石料，應當加入0.3%～0.5%非胺類抗剝落劑來保證瀝青混合料老化前后的水穩定性。