抗剥落剂对花岗岩沥青混合料水稳定性的影响

许成虎， 李传海， 王鑫洋

(1.山东高速龙青公路有限公司， 山东 烟台 250014； 2.山东高速科技发展集团有限公司， 济南 250002)

沥青路面对水分很敏感，水分的存在会降低沥青和集料间的粘附力，进而导致粘结失效[1-2]。粘结力降低是沥青混合料物理破坏的主要机制，其表现为混合料的耐久性降低。水分进入沥青混合料中降低其强度和刚度，并容易使沥青路面产生各种形式的损坏，如剥落、松散、坑槽等现象；水分的存在同样会加剧其他病害的产生，如车辙、疲劳裂缝和坑洞[3-4]。沥青路面发生水损害除与水分和行车载荷等外部因素有关外，还与混合料的自身性质有关。

沥青混合料使用的集料按性质可分为酸性和碱性。酸性集料的主要成分为铝、硅等氧化物，具有亲水憎油的特点，与沥青的粘附性较差，花岗岩为典型的酸性骨料；碱性集料的主要成分为钙、镁氧化物，能和沥青产生紧密的粘附。我国在修建沥青路面时，通常采用碱性或中性集料，如石灰岩、玄武岩。尽管我国石料分布范围广，但石料属于不可再生资源，大规模的基建导致优质集料储量降低，给公路建设带来极大压力。而以花岗岩为代表的酸性骨料在我国分布广泛，储量大，且质地坚硬，可以充分利用集料间的嵌挤作用，若能加以使用，将缓解碱性石料缺乏地区的公路建设压力，降低建设成本，带动当地经济发展。

路面产生水损害主要有2种原因：1) 集料具有亲水性，对水的吸附能力强于对沥青的吸附能力，当沥青与集料间的粘附性较差时，水分可以自由代替沥青与集料吸附，使集料表面的沥青发生剥落；2) 沥青内聚力减弱，由于沥青是一种憎水性材料，当水分进入沥青中，导致沥青的粘度和粘聚性能降低，使沥青混合料的整体性能降低。由此可知，路面发生水损害的根本原因为沥青在集料表面的粘附力降低，在车辆动载产生的动水压力作用下，裹覆集料的沥青膜脱落，从而产生剥落、坑槽等病害。

为提高酸性骨料与沥青间的粘附性，通常采用添加抗剥落添加剂等方法。抗剥落剂可增强沥青与集料之间的物理-化学结合作用，并通过降低沥青的表面张力改善其润湿性[5-7]。目前通常采用的抗剥落剂有熟石灰、胺类抗剥落剂和非胺类抗剥落剂。其中，熟石灰是最早使用的抗剥落剂。当熟石灰加入到混合料中时，会与集料表面反应，增强沥青与集料界面之间的结合；同时，熟石灰使得混合料变硬，提高其抗车辙能力，体现了其作为活性矿物填料的卓越性能[8-9]。胺类抗剥落剂通过增加沥青的表面张力，减小与集料的接触角，从而改善与集料的粘附性；其次可以在集料表面形成碱性电离层，进一步增强与酸性沥青之间的粘结力[10]。非胺类抗剥落剂避免了胺类受热挥发、抗老化性差等缺点，同样得到广泛的应用。

本文通过室内试验以期综合评价胺类、非胺类和石灰抗剥落剂对混合料水稳定性的影响。首先通过延长水煮时间评定不同抗剥落剂改性沥青与酸性集料的粘附性；然后通过冻融劈裂试验和加速老化-冻融劈裂试验评价抗剥落剂的抗水损害性能；最后通过汉堡车辙试验全面评价抗剥落剂对混合料综合路用性能的影响。

1 原材料

沥青和集料是沥青混合料的主要组成部分。沥青混合料采用AC-20，集料采用花岗岩，氧化物组成如表1所示，粒径分布如表2所示，经马歇尔设计方法确定最佳油石比为4.5%。沥青采用齐鲁70#基质沥青，技术指标如表3所示。

表2 AC-20粒径分布

表3 基质沥青性能指标

本文分别对掺加胺类抗剥落剂、非胺类抗剥落剂和石灰抗剥落剂的沥青混合料进行评价，其中胺类抗剥落剂为深褐色液体，推荐掺量为沥青质量的0.3%～0.7%，添加量取推荐掺量的中值0.5%；非胺类抗剥落剂为白色粉末状固体颗粒，推荐掺量为沥青质量的0.8%～1.2%，添加量同样取其推荐掺量的中值1%；石灰的主要成分为氧化钙，参照前人研究[5]，石灰掺量为集料质量的2%。

2 试验方法

2.1 粘附性试验

采用水煮法试验评价集料与沥青之间的水稳定性。为了降低主观因素导致结果的差异性，采用延长水煮时间至15 min以评定沥青与集料之间的粘附等级。

2.2 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验研究混合料在受到水损害前后劈裂破坏的强度比，以评价沥青混合料的水稳定性，具体步骤按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行试验。

2.3 加速老化-冻融劈裂试验

为评价不同抗剥落剂长期的水稳定性能，首先将马歇尔试件置于环境温度为85 ℃烘箱中，保温时长5 d；试件冷却1 d后，按照冻融劈裂试验方法进行试验。考虑到实际应用过程中由光照引起沥青老化因素，期间同时在烘箱中采用紫外线杀菌灯对试件进行照射，其中紫外线灯功率为387 W，波长为200 nm～400 nm。

2.4 汉堡车辙试验

与传统车辙试验相比，汉堡车辙试验是目前测试沥青混合料水敏感性和抗车辙性能最严格的试验方法之一。试验采用固定荷载685 N，轮压力0.73 MPa的钢制轮，在浸泡于55 ℃水中的混合料试件表面上往返碾压20 000次，通过测量沥青混合料车辙深度的变化评价沥青混合料的水稳定性能。

3 结果与分析

3.1 粘附性

掺加不同抗剥落剂的沥青与花岗岩石料的水煮法试验结果如图1所示。通过对比发现，空白组花岗岩-沥青经15 min水煮法后，沥青出现大面积剥落现象，花岗岩表面裸露明显，沥青与花岗岩之间粘附性较差，粘附等级较低。花岗岩中含有大量的二氧化硅，显酸性；沥青中的酸性物质很难与花岗岩表面发生化学反应，导致两者之间粘附性较差；其次，对硅含量多的花岗岩，其表面带有弱的负电荷，水分子中的H+容易与酸性集料表面的负电荷形成氢键，两者之间具有较强的极性吸附力，使酸性集料表现出亲水憎油的性能，在水遇到花岗岩集料会穿透沥青膜到达集料表面，导致沥青膜从花岗岩表面脱落[11]。相较于空白组，添加不同种类抗剥落剂的沥青与花岗岩之间的粘附等级得到改善，但是掺加石灰组和胺类抗剥落剂组的花岗岩表面沥青膜厚度降低，但同样出现集料表面裸露的现象。相较于其他3组，含有非胺类抗剥落剂的沥青与花岗岩具有良好的粘附性，花岗岩表面的沥青膜包裹完整，未出现沥青膜脱落现象。

(a) 空白组

(b) 胺类

(c) 非胺类

(d) 石灰

3.2 冻融劈裂

劈裂抗拉强度和冻融劈裂强度比(TSR)值如图2所示。由图2可知，相比于空白组混合料，添加任意一种抗剥落剂都能显著提高花岗岩沥青混合料的力学性能和水稳定性。有学者认为，试件的劈裂抗拉强度值和TSR值都应用于评估水损害对沥青混凝土混合料性能的影响[12]。添加抗剥落剂后对混合料的劈裂抗拉强度有显著提高，其中非胺类抗剥落剂对其强度提升最为显著，胺类和石灰抗剥落剂性能相近，如图2(a)所示。TSR值反映沥青混合料的抗水损害能力，通常情况下，较高的TSR值表明混合料具有良好的水稳定性。空白组混合料的TSR值仅为53.87%，远远低于规范中最小值70%的要求，而添加各类抗剥落剂后的沥青混合料水稳定性能均符合要求，如图2(b)所示。对比3种添加抗剥落剂混合料的TSR值，非胺类抗剥落剂混合料表现出优异的抗水损害能力，远远优于胺类和石灰混合料。粘附性试验的结果与该结论一致，在粘附性试验中，添加非胺类抗剥落剂的沥青与花岗岩粘附性最好，花岗岩表面的沥青膜完整。

(a) 劈裂抗拉强度

(b) TSR值

3.3 加速老化-冻融劈裂

沥青在储存、运输、施工过程中，长时间处于高温环境下，加之在服役期间受外力、水、光照等多因素耦合作用下使得沥青中的轻组分发生一系列的挥发、氧化与聚合，进而导致沥青各物理性质改变，最终导致沥青混合料的路用性能劣化[13]。为比较添加不同抗剥落剂沥青混合料的长期抗水损害能力，马歇尔试件经加速老化后进行冻融劈裂试验，结果如图3所示。由图3可知，经高温、紫外照射后，空白组的劈裂抗拉强度仅为0.3 MPa；同样的，含有不同抗剥落剂的混合料劈裂抗拉强度均出现不同程度的降低。对比各组的TSR值发现，仅非胺类抗剥落剂混合料经加速老化试验后，其TSR值为77.43%，仍满足规范要求的最低值，表现出优异的水稳定性；而含有胺类和石灰的混合料，经加速老化后水稳定性能下降明显，不能满足规范要求，沥青经加速老化后使得沥青表面能下降，导致沥青与矿料间的粘附性降低。

3.4 汉堡车辙

汉堡车辙试验包括车辙深度、蠕变速率、剥落速率和剥落拐点，通过绘制车辙深度和车轮载荷次数间的曲线来获得这些参数，其中蠕变速率和剥落速

(a) 加速老化劈裂抗拉强度

(b) 加速老化TSR值

率分别是剥落发生前后曲线线性区域中的变形率，剥落拐点由蠕变速率和剥落速率交叉处的车轮载荷次数确定。蠕变速率反映了混合料的抗车辙性能，剥落速率和剥落拐点用作评价沥青混合料的抗水损害性能[14-15]。添加不同抗剥落剂沥青混合料的车辙深度随碾压次数的变化规律和特征点如图4和表4所示。空白组混合料经过约10 000次载荷后，车辙深度已经达到最大值；添加胺类和石灰的混合料在循环载荷15 000次时，试件破坏，而添加非胺类抗剥落剂的沥青混合料经20 000次循环载荷后，混合料仍未破坏，车辙深度约为9 mm，且混合料未发生剥落变形，表现出优异的水稳定性能。对比添加胺类和石灰混合料剥落拐点的载荷次数，2种混合料的载荷次数相差较小，说明胺类和石灰抗剥落剂的抗水损害性能非常接近，这与前文的试验结果相似。

4 成本分析

为了分析不同类型抗剥落剂的价格优势，对3种沥青混合料成本进行简单对比，因混合料采用相同的级配，仅比较所用抗剥落剂的价格，如表5所示。

(a) 空白组

(b) 胺类

(c) 非胺类

(d) 石灰

以AC-20沥青混合料为例，其沥青含量为4.3%，在其他原材料价格相同的前提下，计算掺加

表4 汉堡车辙结果特征值

表5 抗剥落剂成本分析

抗剥落剂对混合料成本的增加。由表5可知，掺加胺类抗剥落剂的混合料成本增加最低，每t沥青混合料增加成本为3.01元，石灰的价格虽然低，但其掺量大，成本增加最多，每t混合料增加成本9.57元。综合混合料性能结果与抗剥落剂的成本分析，非胺类抗剥落剂改性沥青混合料的长期耐久性最优且价格适中，适合大面积推广。

5 结束语

综上研究可知，抗剥落剂均提高了沥青与花岗岩之间的粘附等级，经长期水煮试验后非胺类抗剥落剂沥青膜完整，粘附性最优。其次，抗剥落剂提高了花岗岩沥青混合料的TSR值，掺加胺类(0.5%)、非胺类(1%)和石灰(2%)抗剥落剂的混合料较空白组的TSR值分别提高了42%、67%和42%。

加速老化-冻融劈裂试验结果表明，非胺类抗剥落剂具有优异的长期耐久性，其改性花岗岩沥青混合料的TSR值达到了77.43%，满足规范要求；相较于非胺类抗剥落剂，胺类和石灰类抗剥落剂对花岗岩沥青混合料的长期耐久性较差，TSR值仅为53.15%和50.35%。

汉堡车辙试验结果表明，抗剥落剂提高了混合料承载载荷的次数，提高了混合料的抗车辙性能和抗水损害性能。在55 ℃水温环境下，非胺类抗剥落剂改性花岗岩沥青混合料未发生剥落变形，抵抗水损害能力优异。胺类和石灰类抗剥落剂的剥落拐点对应的载荷次数分别为11 954次和12 284次，2种抗剥落剂的抗水损害能力相当。