沥青胶浆膜与集料抗水剥离性能及其评价方法研究

■王金权

（1.福建省建筑科学研究院;2.福建省绿色建筑技术重点实验室 福州 350025）

沥青胶浆膜与集料抗水剥离性能及其评价方法研究

■王金权1,2

（1.福建省建筑科学研究院;2.福建省绿色建筑技术重点实验室 福州 350025）

文章简要阐述分析国内评价沥青路面抗水损害性能的方法，通过分析沥青胶浆膜的抗水剥离能力，提出沥青胶浆膜抗水剥离性能应该包括沥青-集料黏附性性能和沥青胶浆膜抗裂性能两部分，从而对沥青胶浆膜抗水剥离性能的评价应将黏附性和沥青胶浆膜抗裂性能结合起来，作为沥青路面抗水损害性能评价的建议性指标，对沥青路面抗水损害性能评价具有一定的参考价值。

沥青胶浆膜 抗水剥离 评价指标

我国现行的沥青路面抗水损害性能评价虽然严格按照交通行业标准 《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40）规定执行，即：（1）水煮法试验的沥青与集料黏附性大于4级，（2）沥青混合料残留稳定度大于80%；但是许多沥青路面在通车后不久仍然发生水损害现象，说明我国现行的评价指标不足以防止水损害的发生。黏附性指标是评价沥青-集料抗剥离能力，而沥青胶浆膜开裂是促使沥青胶浆膜早期水剥落的关键因素之一，黏附性指标忽视了沥青胶浆膜开裂破坏的影响。因此，针对现行评价指标未能与抗水损害性能建立很好的关系，文章通过研究沥青胶浆膜的抗水剥离能力，尝试提出一个评价沥青路面抗水损害性能的新指标，作为沥青路面抗水损害能力评价的一个建议性补充指标。

1 沥青胶浆膜抗水抗剥离性能分析

要提出沥青胶浆膜-集料抗水剥离性能指标，首先探讨沥青胶浆膜的抗水剥离能力与沥青-集料黏附性两者的关系。

黏附性的定义一般如下：黏附是指沥青与集料界面上的原子、分子或电子的相互作用。它包含化学作用与物理作用，其中又以化学作用对黏附性贡献最大。其作用范围只包括两者界面上几个分子或原子的厚度，而与其它因素如集料与沥青的嵌挤力等无关。影响黏附性的主要因素是材料的化学性质。因此如果沥青与集料发生更多的化学作用，其黏附性将大大提高[1]。一般地，沥青酸值、集料碱值越大，沥青与集料的黏附性就越好。

而沥青胶浆膜抗水剥离能力是指裹覆有沥青胶浆膜的集料在一定的外界环境作用下，沥青胶浆膜抵抗水剥离的能力。做一个极端的比喻：一块裹覆有铁皮的集料无论在如何严酷的现行黏附性试验条件下其剥落率都为零。我们可以肯定集料-铁皮系统有很好的抗剥离能力，但显然不能说集料与铁皮有好的黏附性[1]。可以看出，显然黏附性与抗水剥离能力有密切联系，但是沥青与集料的黏附性与沥青胶浆膜抗水剥离能力是有区别的。黏附性好是沥青胶浆膜抗水剥离能力强的基础。沥青与集料的黏附性好意味着沥青与集料分子或原子有很强的作用力，水分子与集料分子的作用力不足以破坏沥青与集料界面而使黏附性丧失。

2 沥青胶浆膜抗水剥离性能影响因素分析

引起沥青胶浆膜水剥离是由于水分侵入沥青-集料界面降低沥青-集料界面的结合力而导致二者剥离。但是，沥青路面所渗入的水分应该始终在沥青胶浆膜的外表面，水分又是怎样穿透了沥青胶浆膜达到了沥青-集料界面呢？从沥青与水的化学分子来看，水分是不可能穿透沥青胶浆膜的。因此，唯有沥青胶浆膜本身存在裂纹，水分方可能沿裂纹侵入沥青-集料界面。沥青胶浆膜是否产生裂纹才是沥青路面水稳定性好坏的决定性内部因素。不幸的是，沥青材料非常容易开裂，尤其在快速降温及快速加载时通常表现为脆性材料，产生脆性开裂。因此，认为“裂纹”是沥青路面水稳定性及早期水破坏的真正罪魁祸首。很容易理解，如果沥青胶浆膜产生了裂纹，水分将迅速透过裂纹渗透到集料-沥青结合面，破坏集料-沥青间的结合力，从而彻底破坏路面的水稳定性并迅速导致早期水破坏。这种情况下，即使空隙率为零，也将产生早期水损害。而如果没有裂纹，即使空隙率再大，也不会产生早期水破坏。

如何避免沥青胶浆膜裂纹或如何提高沥青胶浆膜的抗裂能力，便成为了解决水稳定性及早期水破坏问题的有效途径之一。否则，产生早期破坏是不可避免的。综上可知，沥青胶浆膜的抗裂性能是沥青胶浆膜早期剥离的内在决定性因素。

再次，集料的比表面及粗糙度对沥青胶浆膜抗剥离能力也有重要影响。集料比表面大，表面粗糙，它提供了更多的机会使沥青与集料相结合，相应的沥青胶浆膜也厚，从而抗水剥离能力增强。另外比表面大意味着集料可以对沥青进行更多的选择性吸附，且在常温下沥青与集料有更大的机械粘合力即锲入与锚固力。从而更增加了沥青胶浆膜抗水剥离能力。

由以上分析可以看出，黏附性与抗水剥离能力有密切联系，黏附性好是沥青胶浆膜抗水剥离能力强的基础，而沥青胶浆膜开裂是促使沥青胶浆膜与集料早期剥离的关键因素之一。因此提高沥青胶浆膜抗剥离能力是解决沥青路面水损害的关键所在。下面分别对沥青胶浆膜的抗裂性能和沥青与集料黏附性及其相应的评价方法进行探讨分析。

2.1 沥青胶浆膜抗裂性能

（1）沥青胶浆膜抗裂性能分析

沥青胶浆膜的破裂往往是由于交通荷载、路面结构或温度变化使沥青混合料产生拉压应力，而集料表面尖锐地方的沥青胶浆膜较薄，沥青胶浆膜容易在应力作用下破裂，这种现象不一定需要水的存在，但很明显有水存在时这种现象会加速。沥青胶浆膜的破裂一般发生沥青路面的开裂之后。

从调查的情况看，福建省高速公路沥青路面也一定程度上出现了开裂现象，如横向裂缝、纵向裂缝或是龟裂（如图1至图4所示）。沥青路面裂缝是路面早期破坏最常见的病害，几乎伴随着沥青路面的整个使用期，并随路龄的增长而加重。

图2 纵向裂缝

图3 块状裂缝

图4 沥青混合料开裂后断面情况

图4表示的是沥青混合料开裂后断面情况。从图中可以看出，由于沥青混合料的开裂，多数集料表面已经裸露，说明沥青胶浆膜已经发生了破裂；此时若混合料在有水的环境下，则水分将迅速渗入到沥青胶浆膜与集料的界面，降低沥青胶浆膜与集料间的黏附性能，从而加快了沥青胶浆膜从集料表面剥落，进而逐渐发展成松散、坑槽等严重水损害现象。

沥青路面开裂的主要形式之一是沥青路面的温度开裂。温度开裂有两种形式：一种是由于气温骤降造成面层温度收缩，在有约束的沥青层内产生的温度应力超过沥青混凝土的抗拉强度时造成的开裂；另一种是温度疲劳裂缝。在我国还普遍存在第三种形式，那就是由于半刚性基层的收缩（温缩和干缩）而引起的面层开裂。在低温条件下沥青混凝土脆化，在荷载作用下容易产生开裂。

既然沥青路面的开裂是导致沥青胶浆膜开裂的主要原因，而沥青混合料的性能决定了沥青路面的抗开裂性能。由于开裂表现为寒冷季节混合料集料之间的沥青胶浆膜拉伸破坏，然后导致集料的破裂，因此沥青路面的低温抗裂性能主要取决于沥青结合料的低温拉伸变形性能。据有关资料报导，沥青结合料的性能对沥青路面抵抗收缩变形导致的开裂贡献率达到90%，而混合料的矿料级配对其贡献率只有10%。

但是，由于长期以来忽视了填料的作用，仅把它当作一种惰性填充物来看待，所以在起粘结作用的介质性能研究方面，通常把沥青材料单独撇出来研究，然而，在实际的混合料中，真正起粘结作用的是沥青和填料形成的沥青胶浆。现代胶浆理论认为，沥青混合料是一种多级空间网状结构的分散系。以粗集料为分散相而分散在沥青砂浆的介质中的一种粗分散系：沥青砂浆又是以细集料为分散相而分散在沥青胶浆介质中的一种细分散系；而沥青胶浆又是以填料为分散相而分散在高稠度的沥青介质中的一种微分散系。而三级分散系以沥青胶浆最为重要，其组成结构决定沥青混合料的高温稳定性和低温变形能力。

（2）沥青胶浆膜抗裂性能评价方法研究

沥青胶浆本身的抗裂性能是影响沥青胶浆膜抗裂性能主要因素。因此，文章认为要评价沥青胶浆膜抗裂性能需从沥青胶浆抗裂性能入手，可以以沥青胶浆抗裂性能指标来评价沥青胶浆膜的抗裂能力。但目前评价沥青胶浆性质还没有统一的标准，由于沥青胶浆低温时很硬，高温时稠度和粘度较大，需用合适的方法进行试验。

目前国内外评价沥青胶浆低温抗裂性能的指标有许多，其中有些指标，如SHRP开发的简支梁弯曲蠕变试验S与m指标，直接拉伸试验 指标，物理意义明确，是较为理想的指标。但是试验技术要求较高，仪器设备需要进口，尚难以在国内生产单位推广应用[2]。

而“八五”国家科技攻关专题提出的由针入度测定的针人度指数PI、10℃低温延度、当量脆点T1.2等，试验方法简单，而且它们同样与SHRP等先进方法进行的小梁弯曲试验（BBR）的弯曲蠕变劲度S，以及直接拉伸试验（DTT）的破坏应变的试验结果相比较有良好的相关性，所以被认为是适合于我国国情的评价指标。由于沥青的延度与路面的使用性能有一定的相关性，尤其是低温延度与低温开裂性能关系密切，因此在不少国家的沥青标准中，开始增加低温延度的指标。我国近年来高速公路大量使用优质道路石油沥青，15℃延度均能大于100cm，甚至个别沥青TFOT后的15℃延度也能大于100cm。为了进一步区分不同沥青的低温性能，采用更低的试验温度是必要的，国家“八五”攻关课题认为低温延度的拉伸速率为5cm/min，试验温度采用10℃是适宜的。

延度作为评价沥青低温性能的指标，由于其方法简单，比较直观等优点，一直为众多的国家所采用。在我国，延度指标显得尤其重要。许多试验表明了延度值与路面低温开裂有不同程度上的相关，并由此提出了不同要求的延度标准。

现代胶浆理论认为胶浆的组成结构决定沥青混合料的高温稳定性和低温变形能力。因此，沥青胶浆延度较沥青延度能确切反映沥青混合料的低温延性。

为评价沥青胶浆的低温抗裂性能，文章研究选用10℃、拉伸速率为5cm/min的低温延度作为评价沥青胶浆膜抗裂性能的指标。

2.2 沥青与集料黏附性

黏附性自20世纪30年代以来，世界各国的道路工作者对沥青与集料的黏附性问题逐渐开始重视，并进行大量研究，提出很多理论来阐述沥青路面的水损害原因。这些理论认为，沥青混合料的水损害主要是水浸入沥青混合料的集料与沥青胶浆膜之间而产生两方面的破坏作用：（1）减少沥青对矿料的黏附力；（2）破坏沥青混合料相互之间的粘结力。影响集料与沥青黏附性的因素很多，主要有沥青与集料的表面张力、沥青与集料的化学组成、沥青的粘度、集料表面纹理、多孔性和清洁度以及混合料拌和时集料的含水量和温度。沥青与集料的黏附性不好致使沥青混合料的抗水损害能力降低。目前，沥青路面水损害是沥青路面最常见的破坏现象之一。因此，集料与沥青的黏附性试验非常重要，在黏附性不好的情况下应采用添加抗剥落剂的方法来尽量提高集料与沥青的黏附性。而现行试验方法中，基本上都采用水煮法来评价沥青与集料的黏附性。

评价黏附性的试验方法，不论直接还是间接，都各有优缺点，应根据实际情况选用。水煮法试验简单易行，用于鉴别粗集料与沥青的黏附性时比较直观，在工程及科研中应用都很广泛。但水煮试验样品少，试验条件不甚严格，且分级较粗，人为因素影响较大。水浸法试验样品较多，可以避免以偏概全错误的发生，可以减少人为因素的影响。试验过程较水煮法复杂一些，但结果更可靠一些。因此，文章选择水浸法作为评价沥青-集料黏附性的试验方法。

3 沥青胶浆膜抗水剥离性能指标及其评价方法

3.1 沥青胶浆膜抗水剥离性能指标

国外评价沥青混凝土水稳定性或水敏感性的试验方法很多，一般可分为两大类。一类是以未经压实的松散沥青混合料为研究对象进行定性的（主观的）试验，这类方法常见的有水煮法、静态浸水法等；一类是以沥青混合料试件或芯样为研究对象进行定量的试验，这类方法包括马歇尔试验、劈裂试验、浸水抗压试验、德克萨斯承台冻融试验、洛特曼试验、改进的洛特曼试验、Tunnicliff and Root试验、浸水车辙试验等。

在我国，交通部颁发的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20）已有明确规定，针对其强度和水稳定性，应开展沥青混合料的弯曲试验、劈裂试验和马歇尔稳定度试验。应该说，通过试验对路面层的空隙率、压实度和沥青与集料的粘结力进行了评定，其路面设计寿命是可以达到20年要求的。但我国路面的早期水损坏现象却如此普遍，说明我国现行沥青混合料技术指标不足以防止水破坏发生，如沪宁路在施工时，严格按照交通部行业标准 《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40）执行，即：（1）按水煮法试验所有的集料与沥青的黏附性都大于4级；（2）按马歇尔试验所有的沥青混合料残留稳定度均大于80%，仍发生了水破坏。因此除了上面论述的一些原因之外，还有一个原因是规范本身的关于黏附性指标以及混合料残留马歇尔稳定度的指标，与路面水破坏并没有建立起很好的关系。目前常规试验方法并不能有效预测沥青路面出现水破坏及其破坏程度。

包裹在集料周围的沥青薄膜的性能很大程度上决定了沥青混凝土的强度、使用寿命及沥青胶浆膜抗水剥离的能力。沥青胶浆膜开裂（出现裂纹）是促使沥青胶浆膜与集料早期剥离的关键因素之一。因此，考虑目前我国所采用的沥青与集料的黏附性指标单单考虑沥青与集料的黏附性是不足以描述沥青混合料抗水损害能力，文章在此研究基础上，在原来沥青黏附性指标的基础上，考虑沥青胶浆膜早期开裂因素的影响，综合分析两者对沥青胶浆膜-集料早期剥离现象的影响程度，提出沥青胶浆膜抗水剥离指标，用来评价沥青胶浆膜抗水剥离性能。

3.2 沥青胶浆膜抗水剥离性能指标评价方法

国内外目前采用黏附性来评价沥青-集料抗剥离能力，而沥青胶浆膜开裂是促使沥青胶浆膜早期水剥落的关键因素之一。因此文章在此研究基础上，提出沥青胶浆膜抗水剥离性能应该包括黏附性性和沥青胶浆膜抗裂性能两部分。对沥青胶浆膜抗水剥离性能的评价将黏附性和沥青胶浆膜抗裂性能结合起来进行评价。

文章提出用双指标来评价沥青胶浆膜抗水剥离性能。评价指标在现行规范基础上增加沥青胶浆膜抗裂性能指标，采用黏附性等级和沥青胶浆延度双指标共同评价沥青胶浆膜抗水剥离性能，如表1所示。黏附性指标采用水浸法作为评价试验方法，沥青胶浆膜抗裂性能指标采用沥青胶浆低温延度（10℃，5cm/min）试验作为评价方法。

表1 沥青胶浆膜抗剥离性能双指标控制

沥青与集料的黏附性好意味着沥青与集料分子或原子有很强的作用力，水分子与集料分子的作用力不足以破坏沥青与集料界面而使黏附性丧失。而混合料中沥青胶浆的塑性变形能力（延度）对沥青路面的抗裂性能有至关重要的影响，良好的塑性变形能力（延度）保证沥青胶浆膜有较好的抗裂性能，从而保证了沥青胶浆膜有良好的抗剥离能力。

因此，要提高沥青路面抗水损害能力，除了考虑沥青-集料的黏附性，还应考虑沥青胶浆膜的抗裂性能。在混合料配比设计中，当沥青与矿料级配确定后，还应检验沥青胶浆的延性，确保沥青混合料具有较强的塑性变形能力，由此可以保证沥青胶浆膜抗剥离性能。粉胶比、温度是影响沥青胶浆延度的主要因素。因此，在混合料配比设计时，应充分考虑当地的气温条件，探索在该温度下使胶浆延度达到最大的粉胶比，避免路面出现温缩裂缝。

4 沥青胶浆膜抗水剥离性能指标应用分析

基于文章的研究结果，对基质沥青、掺固体抗剥落剂的基质沥青和SBS改性沥青三者在相同粉胶比 （文章选择1.0）情况下的沥青胶浆膜抗水剥离性能进行对比分析。

试验共分三组，分组情况如表2。沥青胶浆制备按照1.0粉胶比进行配制。

表2 沥青胶浆膜抗水剥离性能试验分组

试验结果分析：

黏附性试验与沥青胶浆延度试验结果如表3所示。

表3 沥青胶浆膜抗水剥离性能双指标控制试验结果

从试验结果可以看出，掺抗剥落剂和使用SBS改性沥青对黏附性的改善效果是一样的，而从沥青胶浆抗裂性能来看，掺抗剥落剂后的沥青胶浆延度确低于基质沥青的胶浆延度，使用SBS改性沥青的胶浆延度要大于基质沥青的胶浆延度。所以，从改善黏附性的角度来看，掺抗剥落剂与使用SBS改性效果是一样的；而从改善沥青胶浆膜抗水剥离性能的角度来看，使用SBS改性要明显优于掺抗剥落剂。可以看出不同材料的黏附性等级一样，其沥青胶浆抗水剥离性能却有优劣；单单从黏附性等级上，不足以反应沥青路面抗水损害能力。

5 结论

目前国内外采用黏附性来评价沥青-集料抗剥离能力，而沥青胶浆膜开裂是促使沥青胶浆膜早期水剥落的关键因素之一，黏附性指标忽视了沥青胶浆膜开裂破坏的影响。因此文章在此研究基础上，提出沥青胶浆膜抗水剥离性能应该包括沥青-集料黏附性性能和沥青胶浆膜抗裂性能两部分，对沥青胶浆膜抗水剥离性能的评价将黏附性和沥青胶浆膜抗剥离性能结合起来进行评价。文章提出用新的指标来评价沥青胶浆膜抗水剥离性能，但要将其用于控制混合料配比设计与性能评定，将沥青胶浆膜抗剥离指标作为沥青路面抗水损害能力评价指标的一个补充，还需进行大量试验研究和实践的检验。

[1]周卫峰.沥青与集料界面黏附性研究[D].长安大学.2002.

[2]贾志清.北方沥青路面低温抗裂性研究[D].长安大学2006.05.

[3]交通部公路科学研究所.JTG F40-2004,公路沥青路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[4]交通部公路科学研究所.JTG E20-2011,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京:人民交通出版社.2011.