抗剥落剂对沥青混合料水稳定性影响的试验方法与指标研究

张 苛， 张争奇

（长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064）

黄海是我国海雾发生最频繁的海区之一，海雾的主要成分为NaCl，高浓度的海雾往往成为NaCl溶液的天然载体。当来自海雾中的具有极强穿透能力和腐蚀能力的氯离子、含盐潮湿空气中的氧和湿气等腐蚀性介质渗透到沥青路面结构内部，就会在行车荷载的动水压力作用下对沥青混合料产生侵蚀，加速沥青的乳化作用，降低沥青与石料的黏附性［1］；同时随着盐溶液中水分的蒸发，NaCl在沥青混合料内部结晶膨胀，导致沥青与石料松散、脱落，进而引起沥青路面出现坑洞、辙槽、唧浆等水损害，对沥青路面整体结构造成严重的破坏，极大地影响了沥青路面的耐久性［2－3］。

在沥青或沥青混合料中掺入抗剥落剂，是提高沥青与集料的黏附性、增强沥青混合料抗水损害能力的一种常用的措施［4－9］。目前针对抗剥落剂的研究大多是在淡水的环境中进行的，抗剥落剂在含盐高湿环境水分和氯盐的双重作用下能否还能表现出淡水环境中的良好性能尚不明确。且以往大多采用浸水马歇尔、冻融劈裂等静态试验评价沥青混合料的水稳定性［10－12］，与沥青路面实际受力模式相差甚远。浸水汉堡车辙试验可以很好地模拟行车荷载引起的动水压力对沥青混合料的冲刷作用［13－14］。因此，有必要针对含盐高湿环境的特点采用浸水汉堡车辙试验开展含盐高湿环境下沥青抗剥落剂性能方面的研究。

本文选择3种工程中常用的抗剥落剂，采用黏附性试验确定其在含盐高湿环境下的最佳掺量，并在不同试验温度下对掺有抗剥落剂的沥青混合料进行浸水汉堡车辙试验，探讨评价不同抗剥落剂性能优劣的合理试验条件和评价指标，推荐适合含盐高湿环境的抗剥落剂种类及掺量，以期为提高含盐高湿地区沥青混合料的水稳定性提供一定的参考依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 沥青和集料

沥青采用SK90＃基质沥青，级配采用工程中常用的AC－13级配，经马歇尔设计法确定混合料的最佳油石比为4.3%，沥青的性能指标和集料级配见表1、表2所列。

混合料中所用粗细集料分别为西安产玄武岩、石灰岩，沥青与集料的黏附性试验中的集料为西安产玄武岩和花岗岩，经检查粗细集料的各项技术指标均符合规范要求。

表1 SK90＃基质沥青性能指标

表2 集料级配

1.1.2 沥青抗剥落剂

目前，沥青抗剥落剂主要有4种：① 无机类抗剥落剂，以石灰、水泥最为常见，优点是成本低、性能好，但在混合料中不易混合均匀且施工工艺复杂；② 金属皂化物，以皂脚铁为代表，成本较低，使用方便，但其与沥青易产生离析；③ 以季胺盐为代表的阳离子型表面活性剂，使用方便，但成本较高，热稳定性差；④ 高分子类抗剥落剂，以胺类和非胺类聚合物为主，改善沥青混合料性能较好，在国内外沥青路面建设中应用非常广泛。

本文选择第4类高分子抗剥落剂进行研究，其中胺类抗剥落剂采用PA－1型，外观为棕褐色黏稠液体，在常规淡水环境中的推荐用量为沥青用量的0.2%～0.4%，在下文称抗剥落剂P。非胺类抗剥落剂采用AMR型和T－066型，AMR型外观为棕黄色固体颗粒，在淡水环境中的推荐用量为沥青用量的0.2%～0.4%，在下文称抗剥落剂A；TJ－066型外观为黑褐色黏稠液体，在淡水环境中的推荐用量为沥青用量的0.4%，在下文称抗剥落剂T。

1.2 试验方法

在5%NaCl溶液和自来水中进行3min水煮法试验，研究抗剥落剂P、A、T在不同掺量下对沥青与玄武岩、花岗岩黏附性的影响，根据试验结果确定含盐高湿环境下各抗剥落剂的合理掺量，并与普通淡水环境中抗剥落剂的最佳掺量进行对比分析。

将P、A、T 3种抗剥落剂在各自最佳掺量下加入SK90＃基质沥青中搅拌均匀，设置对比组（不掺抗剥落剂），拌制AC－13沥青混合料并成型车辙板试件。将试件在5%的NaCl溶液中干湿循环15次以模拟含盐高湿环境对沥青路面的侵蚀，其中以试件在30℃的NaCl溶液中浸泡24h后取出在室温下放置24h为一次干湿循环。

浸水汉堡车辙试验可以模拟行车荷载对沥青路面的动水压力冲刷作用，且试验轮的加载次数达到20 000次或试件的车辙深度达到20mm试验才结束，可以评价长期荷载作用下沥青路面的水稳定性。本文在40、50、60℃条件下进行浸水汉堡车辙试验，确定评价不同沥青混合料水稳定性合理的试验条件，并讨论浸水汉堡车辙试验指标现有评价指标的不足，推荐适合含盐高湿环境沥青抗剥落剂。

2 抗剥落剂掺量的确定

根据厂家推荐的P、A、T 3种抗剥落剂在常规环境中的掺量范围，结合含盐高湿环境的不利影响，初步拟定抗剥落剂P、A、T的掺量为沥青用量的0.3%、0.4%、0.5%。制作掺有不同种类及掺量抗剥落剂的沥青试样，与玄武岩和花岗岩在5%的NaCl溶液和自来水中进行3min水煮试验，试验结果见表3所列。

表3 掺有不同抗剥落剂沥青的黏附等级

从表3可以看出：

（1）在SK90＃基质沥青中加入3种抗剥落剂均可以改善其在含盐高湿环境下与集料的黏附性，这是因为沥青抗剥落剂能够与集料表面形成物理吸附或依靠其特殊的化学成分使其与集料发生化合反应，从而在它们之间形成强有力的化学纽带，达到提高沥青与集料黏附性的效果［4－6］。

（2）胺类抗剥落剂P在掺量小于A、T 2种非胺类抗剥落剂的掺量时就表现出明显的效果，可以较大幅度地减小沥青在集料表面的剥落面积。抗剥落剂P、A和T在含盐高湿环境下的最佳掺量分别为沥青用量的0.4%、0.5%和0.5%，略大于淡水环境中各抗剥落剂的最佳掺量。

（3）含盐高湿环境下胺类抗剥落剂的最佳掺量小于非胺类抗剥落剂，最佳掺量下的胺类抗剥落剂与非胺类抗剥落剂在5%的NaCl溶液中水煮3min后的试验结果基本相当，沥青在集料表面的剥落情况无明显差别。这说明传统的3min水煮试验法无法很好地区分不同抗剥落剂改善沥青与集料黏附性的优劣。

3 浸水汉堡车辙试验结果分析

3.1 抗剥落剂对车辙深度的影响

在40、50、60℃的条件下进行浸水汉堡车辙试验，掺有不同抗剥落剂的沥青混合料的试验结果见表4～表6所列。

表4 40℃时掺有不同抗剥落剂混合料的车辙深度 mm

表5 50℃时掺有不同抗剥落剂混合料的车辙深度 mm

表6 60℃时掺有不同抗剥落剂混合料的车辙深度 mm

从表4～表6中的数据可知：

（1）在40℃时，4种沥青混合料的最终碾压次数均达到了20 000次，碾压前15 000次各混合料车辙深度排序为对比组＞抗剥落剂P＞抗剥落剂T＞抗剥落剂A，当碾压次数超过15 000次后，车辙深度排序为抗剥落剂P＞对比组＞抗剥落剂T＞抗剥落剂A。

分析原因是由于抗剥落剂P在浸水条件下经过一段时间的荷载作用后，与非胺类抗剥落剂A、T相比性能有所衰减，其车辙深度甚至大于未掺抗剥落剂的混合料的车辙深度，对沥青混合料使用后期的水稳性能产生了一定程度的损害作用。因此，选择抗剥落剂时不能只看其短期改善混合料水稳性能的效果，一定要保证其长期耐久性能。

（2）在50℃时，除掺有抗剥落剂P的沥青混合料在碾压15 000次发生破坏外，其他几种沥青混合料的碾压次数均达到了20 000次。钢轮在试件上碾压前1 000次、1 000～8 000次、8 000～12 000次、12 000～20 000次这4个阶段的车辙深度排序是不一致的，说明抗剥落剂对沥青混合料所处环境的变化是敏感的，不同抗剥落剂在含盐高湿环境下改善混合料的水稳性能存在差异。

（3）在60℃时，随着车辙仪碾压次数的增加，各沥青混合料的车辙深度急剧增加，在碾压次数达到3 000次前各混合料均已发生破坏。碾压前1 200次各混合料车辙深度排序为抗剥落剂P＞抗剥落剂T＞对比组＞抗剥落剂A，碾压次数超过1 200次后各混合料车辙深度排序为抗剥落剂P＞对比组＞抗剥落剂T＞抗剥落剂A。抗剥落剂P在60℃的水浴环境中使用性能急剧衰减，甚至对混合料的水稳定性产生不利影响。

3.2 试验温度对车辙深度的影响

沥青混合料是一种感温性极强的黏弹塑性材料，在有水存在的情况下温度越高车辙变形发展越迅速［15］。不同温度下沥青混合料的车辙深度变化情况如图1所示。

从图1可以看出：

（1）4种沥青混合料在相同碾压次数下的车辙深度均随着温度的升高显著增大。沥青混合料经过含盐高湿环境的侵蚀作用后，在浸水条件下随着试验温度的升高，抗水损害能力急剧下降。

（2）在40℃时，各沥青混合料的车辙深度变化趋势平缓，最终车辙深度较小，随着试验温度的升高，车辙深度变化趋势変陡，尤其是在60℃时各混合料的车辙深度随碾压次数急剧增加，在3 000次左右就发生破坏（最大车辙深度达到20mm）。在60℃的试验条件下，不能很好地区分未掺加抗剥落剂以及掺加不同抗剥落剂对含盐高湿环境下沥青混合料水稳定性的影响，试验条件过于苛刻，不适合用于评价含盐高湿环境下沥青混合料的水稳定性。

（3）在50℃时，车辙深度变化曲线均介于40℃和60℃时的曲线之间，几种混合料的最终碾压次数大部分达到20 000次，且试件破坏时的车辙深度具有较好的区分度，在50℃条件下的浸水汉堡车辙试验可以很好地评价含盐高湿环境下不同抗剥落剂改善沥青混合料水稳定性的优劣。

图1 不同温度条件下沥青混合料的车辙深度对比

4 浸水汉堡车辙试验评价指标分析

4.1 现有评价指标的不足

浸水汉堡车辙试验中车辙的形成过程分为压密阶段、蠕变阶段和剥落阶段3个阶段。通常采用剥落点处对应的碾压次数（剥落次数）和剥落速率来评价沥青混合料水稳性能的优劣［16］。其中，剥落点即混合料的车辙深度经过缓慢的增长后急剧增大的拐点，也就是蠕变阶段和剥落阶段的交点，该点对应的碾压次数即为剥落次数；剥落速率即混合料剥落阶段的车辙深度变化率。

图2所示为不同试验条件下掺有不同抗剥落剂的沥青混合料的车辙深度随碾压次数的变化情况。

从图2a中可以看出，掺有抗剥落剂P的沥青混合料的车辙变化曲线在碾压次数为13 875时产生明显拐点，混合料发生了水损坏，而其余几种混合料均未出现剥落情况。

从图2b中可以看出，在60℃的水浴条件下，各混合料还未来得及发生剥落就已经达到最大破坏深度，说明60℃的试验条件对于基质沥青混合料而言过于苛刻，试件尚未经过足够的碾压次数就过早地出现破坏，不能真实地反映各种抗剥落剂改善混合料水稳性能的差异。

因此，在40℃和60℃的试验条件均无法采用剥落次数和剥落速率指标来评价不同抗剥落剂改善沥青混合料水稳性能的差异。

从图2c中可以看出，4种混合料均出现剥落现象，掺有抗剥落剂P、抗剥落剂A和T及对比组混合料剥落次数分别为：12 200、17 500、17 200、17 000次。

对应的剥落速率分别为：2.64×10－3、1.50×10－3、1.14×10－3、2.09×10－3mm／次。

分析上述指标可以发现，4种混合料剥落次数指标间的区分度并不明显，且按剥落次数和剥落速率排序得到混合料水稳定性优劣的结论并不一致。

因此，对掺加不同抗剥落剂的沥青混合料进行浸水汉堡车辙试验，单独采用剥落次数和剥落速率指标均不能够很好地区分不同抗剥落剂改善含盐高湿环境下沥青混合料水稳性能的优劣，有时甚至会得出相反的结论。

图2 掺有不同抗剥落剂的沥青混合料车辙深度变化趋势

4.2 评价指标的改进

为更好地评价含盐高湿环境下不同抗剥落剂对混合料水稳性能的影响，采用的评价指标应能够综合反映混合料的车辙深度和经受的碾压次数，且同时适用于评价混合料未出现剥落现象时的情况。基于此，本研究提出了沥青混合料的车辙深度变化率指标，即

单位为mm／103次。对掺有不同抗剥落剂的沥青混合料而言，若抗剥落剂对应的车辙深度变化率越大，说明掺有该抗剥落剂沥青混合料的水稳性能对含盐高湿环境越敏感，受其影响越强烈，掺有该抗剥落剂沥青混合料的水稳性能越差。不同试验条件下各混合料的车辙深度变化率如图3所示。

从图3可以看出，4种沥青混合料在不同试验温度下的车辙深度变化率指标间差异明显，且在不同试验温度下的排序均为抗剥落剂P＞对比组＞抗剥落剂T＞抗剥落剂A。在50℃时，采用车辙深度变化率指标对沥青混合料水稳性能的排序与采用剥落次数指标的排序一致。通过前述研究可知，沥青混合料在40℃和60℃时未出现剥落现象，而40℃和60℃时各混合料车辙深度变化率的区分度较高，采用车辙深度变化率指标可以评价沥青混合料在未发生剥落现象时水稳性能的优劣。

同时，车辙深度变化率在计算过程中考虑了试件破坏时的最终车辙深度，能够体现出混合料在长期使用过程中的水稳性能。采用车辙深度变化率指标评价不同试验条件下掺加抗剥落剂沥青混合料的水稳性能是可行的，建议将车辙深度变化率和剥落次数指标作为浸水汉堡车辙试验的主要评价指标。

图3 不同温度下混合料的车辙深度变化率

通过不同温度条件下混合料的车辙深度变化率和50℃时混合料的剥落次数指标可知，抗剥落剂A改善沥青混合料水稳性能的效果最好，推荐临海含盐高湿地区采用抗剥落剂A来提高沥青路面的水稳定性。

5 结 论

（1）含盐高湿环境下抗剥落剂P、A、T的最佳掺量分别为沥青用量的0.4%、0.5%、0.5%，比常规淡水环境中的各抗剥落剂的最佳掺量略有增加。

（2）掺有不同抗剥落剂的沥青混合料经过氯盐溶液侵蚀后，在50℃的试验条件下均出现剥落且车辙深度具有较好的区分度，建议采用50℃的浸水汉堡车辙试验来评价掺加不同抗剥落剂的沥青混合料的水稳定性。

（3）针对浸水汉堡车辙试验评价指标的不足，提出车辙深度变化率指标，该指标考虑了混合料的最大车辙深度，能够有效地比较不同沥青混合料的水稳定性，同时适用于评价混合料未出现剥落的情况，可以作为浸水汉堡车辙试验的主要评价指标。

（4）掺有抗剥落剂A的沥青混合料车辙深度变化率最小、剥落次数最大，抗剥落剂A改善沥青混合料水稳定性的效果最好，建议在含盐高湿地区采用抗剥落剂A来提高沥青路面的水稳定性。

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