沥青与石料间黏附性能影响因素研究

■詹 军

(1.福建省交通科学技术研究所，福州 350004；2.福建省公路、水运工程重点实验室，福州 350004)

沥青混凝土路面是一种重要的的路面结构形式，在我国已建成的和正在兴建的高速公路中几乎全部都采用沥青混凝土路面。但是，某些地方的沥青路面早期破坏比较严重，往往通车两三年内就会出现沥青剥落、坑槽等病害，而这些病害和沥青与石料间的黏附性能有很大关系，因此，了解沥青与石料间的黏附机理，对沥青的黏附性能进行深入研究，对减少沥青路面的早期病害，提高沥青路面的行车质量乃至延长使用寿命，有着非常重要的意义。

1 沥青对黏附性能的影响

1.1 沥青黏附机理

黏附是指一种物体与另一物体黏结时的物理作用。沥青路面水损害的作用机理，主要依据是黏附理论。影响沥青与集料之间黏结力的因素包括沥青与集料表面的界面张力、沥青与集料的化学组成、沥青的黏性、集料的表面构造、集料的孔隙率、集料的清洁度、集料表面的干湿程度以及沥青与集料的拌和温度。有五种理论可用来解释沥青与集料间的黏附性，这些理论包括力学理论、化学反应理论、表面能理论、分子定向理论和静电理论。

1.2 沥青性能对黏附性的影响

1.2.1 沥青组分与黏附性的关系

沥青是一种成分极为复杂的化合物。它是由天然产出或有机物经加工后得到的产品。常温下沥青一般呈固态、半固态。组成沥青的主要化学元素为碳和氢，另外还含有氧、硫、氮、镍、钒、锰、铁等微量元素。由于将沥青的元素组成及化学成分与路用性能建立联系的研究极为困难，因此产生了将沥青分离为几个化学性质与路用性能有一定联系的组(即组分)的思想。目前我国广泛使用的方法为四组分（饱和分、芳香分、胶质、沥青质）分析法，各组分性质如下：

（1）油质是沥青具有流动性的主要因素，它包括饱和分及芳香分。其含量越高，沥青的软化点越低。因此油质含量高，沥青具有好的施工性，一般来说抗裂性能也好，在某些情况下，油质可转化为树脂质甚至沥青质。

（2）胶质是半固体或液体的黄色至褐色的黏稠状物质。由于胶质的存在，沥青具有一定的可塑性、可流动性和黏结性，直接决定着沥青的延伸度和黏结力。

（3）沥青质是深褐色至黑色的固态无定性物质，是高分子化合物，沥青的化学组成中，沥青质是沥青胶体体系的核心，是一种可溶、杂散、无规的有机大分子，平均相对分子质量可达数千至1 万，是高度缩合的芳烃。沥青质中富集有大量的硫、氮、氧等杂原子，杂原子虽然和C、H 相比含量不高，但对石油及其组分的性质却有很大的影响。由于硫、氮、氧等杂原子的存在使得沥青质分子间形成电荷转移作用、偶极相互作用、氢键作用等分子间的作用力，对沥青质的极性、缔合性、稳定性产生重要影响。含沥青质高的沥青，其黏度大、软化点高、针入度小、延度低。沥青质决定着沥青的黏结力、黏滞度和温度稳定性。沥青质含量增加时，沥青的黏度和黏结力增加。

（4）沥青酸和沥青酸酐虽不属于沥青的组分，但它与沥青的黏附性有直接的关系。沥青酸和沥青酸酐是树脂状黑褐色黏稠物质，比重大于1，是油质氧化后的产物，为固体或半固体状态。沥青酸和沥青酸酐是沥青中活性最大的组分，它改善了沥青对矿物质的浸润性，特别是提高了沥青与集料的黏附强度。

1.2.2 沥青酸值对黏附性的影响

在石油沥青中含有大量的酸性及碱性化合物，沥青组分中属于酸性的物质有环烷酸、地沥青酸、地沥青酸酐。沥青酸和沥青酸酐是沥青中活性最大的组分，它改善了沥青对矿物质的浸润性，特别是提高了沥青与集料的黏附强度。沥青的酸性越大，与矿料的黏附性就越好，在沥青混合料中沥青从矿料表面的剥落度就越小。沥青酸值测定的基本原理为将沥青溶于苯-乙醇的混合溶液中，以氢氧化钾的乙醇标准溶液中和沥青中的游离酸，由消耗的氢氧化钾的乙醇溶液的体积来计算沥青的酸值。研究资料显示：

（1）由于沥青酸及沥青酸酐均为阴离子型的表面活性组分，其含量越大，就有可能更多地与矿料表面带正电的吸附中心发生作用，同时，酸性组分沥青酸、沥青酸酐可以与矿料表面的活性中心能发生化学反应产生化学吸附，从而使黏附性增加。

（2）沥青混合料的残留稳定度及冻融劈裂强度随沥青酸值的增大而增大，尤其对中性和酸性石料影响较大。

（3）为提高混合料的水稳性而掺加有机酸和沥青酸时，对于沥青酸含量低的沥青，其效果可能是显著的，但沥青酸含量并非越大越好。

1.2.3 沥青蜡含量对黏附性的影响

蜡的存在不但使沥青的感温性增强，高温黏度减小，影响沥青路面的高低温性能，而且沥青中蜡含量的高低对黏附性也有重大影响。

沥青中蜡的分子量很小，在沥青中属于小分子组分。因此在与集料结合时，小分子组成很容易到达集料表面，并容易进入某些微孔和缺陷，但这种吸附属于物理吸附，随着时间的延长，物理吸附层中有部分组成被其它组成所替换。如果混合料在铺筑过程中吸附于集料表面的蜡未被替换或未被完全替换，则蜡将存留于界面层上。一方面由于蜡的分子量小，因而分子吸附力小，结合性能不高，另一方面由于温度变化引起的结晶-溶化过程将使得界面性质不断变化，特别在低温时蜡结晶后更易引起剥落，因而高蜡沥青的水稳性不佳。

1.2.4 沥青蜡黏度对黏附性的影响

研究显示，随着蜡黏度的增加，沥青与集料的黏附性从总体上是增加的。其原因有二，第一，沥青黏度大意味着沥青中沥青质、胶质含量高，则活性物质沥青酸、沥青酸酐的含量也相应较大，可以与集料产生更多的化学吸附；第二，从试验方法的角度讲，黏度大的沥青受高温水浸时沥青膜在集料表面受热运动要相对困难一些，因此也表现出剥落率低的特点。

1.2.5 硫对黏附性的影响

含硫沥青与石料的接触角比基质沥青更大，对石料的润湿能力更强，能够更好地抵抗水的剥蚀。而且更强的润湿能力使沥青更容易进入石料的毛细孔隙和微裂缝，增加沥青石料界面面积，使沥青与石料之间有更牢固的黏接。

1.3 不同沥青的黏附性分析

选用三种常用的70 号基质沥青（A、B、C）与玄武岩按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTG E20-2011)进行水煮法黏附性试验，三种70 号沥青的四组分结果见表1，黏附性结果见表2。

表1 三种70 号沥青的四组分

表2 70 号基质沥青黏附性试验结果

根据三种沥青的四组分分析，A 沥青的饱和分及芳香分的总含量最低，沥青质最高，沥青黏度大，活性物质沥青酸、沥青酸酐的含量也相应较大，可以与集料产生更多的化学吸附，因此与石料的黏附性较好。

2 石料对黏附性能的影响

石料作为高速公路沥青路面的主要组成材料，其含量占沥青混合料的95%以上。高速公路沥青路面对石料要求较高，生产加工的粗细集料性质和质量直接影响着高速公路建设质量、服务水平和使用寿命。影响集料性质和质量因素有两个方面：

一是料源特性，即保证压碎值、洛杉矶磨耗值、表观相对密度、吸水率、坚固性、软石含量、磨光值、沥青黏附性等岩石固有物理性能方面满足技术要求，尤其是沥青黏附性，在雨量充沛的福建省，若黏结不佳，极易导致沥青路面的水损害。沥青本身呈弱酸性，与沥青具有良好黏附性的石料一般是基性岩或者碱性石料。

二是生产加工特性，即保证集料的洁净、干燥、无风化、无杂质、良好的颗粒形状与棱角性、低的针片状颗粒含量。

2.1 石料与沥青黏附性的评价

沥青黏附性的评价方法，主要有水煮法、水浸法、光电比色法、搅动水净吸附法等。本次研究主要采用水煮法。水煮法是用粒径大于13.2mm 的粗集料，经150℃左右的沥青浸润，取出冷却后在微沸水中煮3min，观察碎石表面沥青膜被水移动剥落的程度，分5个等级评定其黏附性，见表3。

表3 石料与沥青的黏附性等级

2.2 不同石料的黏附性分析

对福建省各个地区的石料试验数据进行归纳整理与统计，将这些数据作为一个总体分析，研究了福建省高速公路石料黏附性，结果如表4（不考虑样品数量对统计结果的影响）。

表4 岩石性能指标统计结果

对于沥青路面而言，花岗岩、砂岩等属酸性石料，虽然强度高，但与沥青的黏附性能差，抗水损害能力差；石灰岩属碱性石料，虽然与沥青的黏附性能好，抗水损害能力强，但强度较低。鉴于此，高速公路往往通过沥青改性、添加抗剥落剂、掺加消石灰等方法以改善石料与沥青间的黏附性，使之满足路面的使用要求。

3 改善黏附性试验

针对目前常用的改善黏附性时不同的外掺剂添加类型、剂量及方法，采用水煮法、水浸法试验手段进行黏附性评价。石料采用福建地区高速公路建设常用的典型集料，如辉绿岩、凝灰岩、闪长岩，沥青采用70#基质沥青和改性沥青。采用水煮法试验测定的集料与沥青黏附性分组试验结果如表5 所示：

表5 福建省石料与沥青黏附性水煮法测定试验结果

图1 对沥青进行处理的水煮法试验结果

图2 对集料进行处理的水煮法试验结果

在不同抗剥落措施条件下，水煮法测试的不同集料与沥青黏附性变化规律如图1(a)、(b),图2 所示。

4 结论

（1）基质沥青与凝灰岩、闪长岩和辉绿岩三种岩石的黏附性等级分别为3 级、3 级和4 级。因此集料就黏附性好坏，辉绿岩比凝灰岩和闪长岩都好。而凝灰岩和闪长岩与基质沥青的黏附性等级都是3 级，因此无法比较出凝灰岩与闪长岩两者黏附性好坏。老化后的基质沥青与未老化基质沥青黏附性等级基本一致。

(2)改性沥青与三种集料黏附性等级都是5 级，黏附性达到最好。老化后改性沥青黏附等级依然都达到5级。说明改性沥青改善黏附性效果最好。

(3)掺加固体抗剥落剂的基质沥青与三种集料的黏附性也均达到5 级，说明抗剥落剂能显著改善沥青与集料的黏附性。而老化后的参加固体抗剥落剂的基质沥青与凝灰岩、闪长岩的黏附性等级降低为4 级，与辉绿岩的黏附性等级保持5 级。说明抗剥落剂的高温稳定性及长期性能存在不足。

(4)基质沥青中掺加1%、2%、4%消石灰后与集料的黏附性等级都有所提高。当掺量为1%时，三种集料都比与基质沥青黏附性的等级提高1 级。当掺量从1%提高到2%时，三种岩石的黏附性等级都保持不变。当掺量从2%提高到4%时，凝灰岩的黏附性等级从4 级上升到5 级，而闪长岩和辉绿岩黏附性等级仍然保持在1%掺量时的等级。因此可以说明，当消石灰掺量从1%提高到4%时，提高黏附性的程度改变甚小。三种掺量下的基质沥青经老化后与集料的黏附性等级保持不变。

(5)基质沥青中掺加1%水泥后与凝灰岩的黏附性等级比没掺加水泥的基质沥青黏附性等级提高一级，但与闪长岩、辉绿岩的黏附性等级则没有提高。当掺量从1%提高到4%时，黏附性等级都保持不变。说明基质沥青中添加水泥改善黏附性的效果并不明显。掺加水泥的基质沥青老化后与未老化的黏附性等级一致。

(6)当集料裹石灰浆或水泥浆，沥青与集料的黏附性等级都达到5 级，效果明显好于在基质沥青中添加水泥或消石灰。说明了集料与水泥或石灰直接接触后，黏附性明显更好。这是因为水泥和石灰中富含CaO、MgO等活性成分，附着在集料表面后，集料表面呈碱性，从而提高了与基质沥青的黏附性。

(7)就水煮法来看，添加水泥或消石灰后，老化前后的黏附性等级基本无变化；掺加固体抗剥落剂后，老化后则比老化前黏附性要减弱。

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