澳标条件下抗剥落剂改善破碎卵石与沥青粘附性的研究

祁志华

（中国港湾工程有限责任公司，北京 100027）

1 研究背景

南太平洋国家主要是以岛屿形式存在，并受澳大利亚社会经济影响较为深远，且主要以澳洲标准作为道路施工标准。随着经济社会的快速发展，交通流快速增加，同时重载交通也不断增加，对沥青混凝土路面的使用性能逐渐提出了更高的要求。路面原材料的质量、性质直接影响到路面的各种使用性能，是决定沥青混凝土路面质量的基础性因素。在石料来源比较单一、卵石比较丰富地区采用破碎卵石作为沥青混凝土路面的骨料既经济又方便。但是由于破碎卵石的岩性纷繁复杂且所呈现的酸碱性、强度等差别较大，其作为沥青混凝土骨料与沥青的粘附性很大程度上决定了沥青混凝土路面发生水损害的概率，为降低沥青混凝土路面发生水损害概率，必须对破碎卵石和沥青的粘附性进行充分研究。

水损害是高等级公路早期出现的较为常见的病害，其将显著降低路面结构的稳定性，导致路面服务水平降低。水损害发生的一个重要原因是骨料和沥青的粘附性能较差，导致路面水从骨料和沥青缝隙渗透进入路面，造成路面承载力减低及结构性损害。骨料的矿物组成和酸碱性是决定骨料和沥青粘附性能的重要因素。一般而言，碱性的集料与沥青粘附性能较好，而酸性的集料与沥青粘附性能较差。从这个角度出发加以研究可以得出提高沥青和集料二者之间的粘附性能，减少或者防止水进入混合料的内部，是预防水损坏的关键途径。

目前研究关于沥青与集料之间粘附性的主要理论有以下几点。

1）化学反应理论。沥青与集料表面发生的化学反应是两者之间粘附性主要来源。石油沥青中酸性成分的含量＞碱性成分，当碱性集料与沥青的碱性成分发生化学反应时生成的化合物不溶于水，两者之间的粘附性能较好。但是酸性集料如花岗岩表面缺乏所谓的碱性活性中心，难以发生化学反应，粘附性能就较差。

2）力学理论。该理论认为矿料的表面粗糙多孔，为集料与沥青之间的相互作用提供了更大的作用面积，同时热沥青通过毛细作用渗入到矿料微裂缝及矿料之间的空隙中，当沥青遇冷凝固后便会与矿料之间形成机械粘合力。

3）分子定向理论。该理论认为沥青中由于存在表面活性物质分子具有偶极矩，造成沥青表现出具有力场的能力。因此首先极性分子的定向力在集料表面形成吸附层，同时非极性的分子受到极性分子的影响获得定向力，形成外层的吸附层。

4）表面能理论。该理论认为固体的表面有不饱和力场，能自发吸引其他物质从而降低自身自由能的能力。当沥青在空隙、微裂缝中扩散时，集料因为不饱和力场的存在会自发的吸收沥青分子，这种能量交换使集料与沥青之间产生了粘结力。

5）在粘附性机理分析方面美国的公路战略性研究计划（SHRP）也做了比较深入的研究。此研究结果说明了不同的沥青所含结构成分有极性作用的差别，在集料上的吸附性能力上极性组分要强于非极性组分，但大多数的沥青成分中都含有非极性的脂肪烃类组分。表1为沥青抗剥落剂发展过程。

分析沥青抗剥落剂发展过程可知，从效果来看随着对抗剥落剂研究的深度、种类的发展，非胺类抗剥落剂的效果要比胺类抗剥落剂好。由于非胺类抗剥落剂与胺类抗剥落剂相比，热稳定性好、耐久性好，因此应尽量采用非胺类抗剥落剂。但是，抗剥落剂效果的好坏都是相对的，不能一概而论，因此选择何种抗剥落剂需要通过试验才能确定。

表1 沥青抗剥落剂发展过程

国内外对于骨料与沥青粘附性能的影响因素，以及如何提高二者之间的粘附性能等方面做了大量的研究工作。二者之间粘结性能直接影响着路面的使用性能和耐久性，粘附性的影响因素有很多，因而提高粘附性的方法也有很多途径。在山石相对比较匮乏、河卵石资源比较丰富的地区，提高卵石和沥青的粘附性能对项目质量和成本控制尤为重要。

2 试验过程

2.1 原材情况

1）破碎卵石：河道卵石种类较为复杂，包含花岗岩、风化岩、沉积岩等多种岩石种类，整体石料情况偏酸性，石料整体强度很高。

2）破碎山石：破碎山石整体强度相对较低，岩石种类单一，为变质岩，整体石料情况偏碱性，采取人工方式破碎成碎石。

3）抗剥落剂（聚酰胺类聚合物）：颜色为白色（放置一段时间后自然变色为淡黄色），形状为细圆柱棍状固体，可以增强沥青混凝土的粘度，减少水分对沥青的损害机会，延长路面的使用寿命；同时它还具有低气味、无烟雾、可快速融入沥青的特点。

2.2 试验要求

沥青骨料的粘附性试验采用澳标AS1141.50[1]（骨料与沥青的抗剥落性试验），其与国标沥青粘附性试验完全不同，试验具体要求见表2。

2.3 前期对比试验

方案一：骨料采用破碎卵石，试验分为4组，分别为未添加抗剥落剂、4%掺量、6%掺量以及8%掺量。试验结果见表3。

表2 抗剥落试验要求

表3 方案一试验结果

由试验结果可得，破碎卵石由于组分复杂，整体偏酸性，本身与沥青抗剥落性较差，沥青混合料呈黑棕色，并且花白料情况严重，使用抗剥落剂性能有所改善，但仍不满足指标要求（数值≤10）。

方案二：骨料采用破碎山石，试验分为4组，分别为未添加抗剥落剂、4%掺量、6%掺量以及8%掺量。试验结果见表4。

由试验结果可知，由于该山石偏碱性，本身抗剥落性已满足指标要求。沥青混合料呈黑色，有少量花白料现象，通过加入抗剥落剂后抗剥落性又有了一定的提升，完全可以满足试验要求。

总结上述对比试验可知，虽然破碎卵石和山石在表面结构和形状、比表面积、微孔率等方面也有一定区别，但是沥青骨料矿物组成、所呈现的酸碱性才是影响粘附性的重要因素。相对酸性骨料而言，碱性骨料和沥青粘附性明显较好且基本可以满足规范要求[2]。对于酸性骨料，一般情况不能满足要求，需要进行特殊处理，并综合考虑表面结构和形状、比表面积、微孔率等方面影响，本文在此不再赘述。

表4 方案二试验结果

3 后期改良试验

在卵石中挑选颜色较深、岩性偏碱性且粒径＞20 m的进行破碎，按照规范和配合比要求进行实验，结论得出破碎后卵石强度、针片状指数等基础指标均满足要求[3]。因此，确认其与沥青的粘附性是本次改良实验非常关键的步骤。把事前挑选出来的石料破碎后，按照实验要求进行处理并完成进一步的改良试验。

骨料采用经挑选后的破碎青色卵石，试验分为4组，分别为未添加抗剥落剂、4%掺量、6%掺量以及8%掺量。试验结果见表5。

由试验可以看出，经挑选后的破碎青色卵石抗剥落性本身有了很大的提升，指标已基本达到试验要求，但不是很稳定。在掺入一定量抗剥落剂后其抗剥离性能明显改善，沥青混合料呈油黑发亮，并且几乎没有花白料情况，达到规范要求的指标，并呈现稳定状态。

表5 改良试验试验结果

4 结语

在澳标AS1141.50条件下，试验要求骨料与沥青在室温下接触相对来说增大了粘附难度，对岩石本身的性质提出了更高要求。因此，在骨料来源比较匮乏的地区采取筛选河流中物理性质较好的卵石，通过实验确定矿物组成、酸碱性、表面结构和微孔率等参数，以提高沥青混合料中骨料的原材质量，并在混合料中辅以抗剥落剂，进一步提高骨料和沥青的粘附性能，可以很好地解决在卵石资源丰富地区的沥青面层骨料来源问题，在满足规范要求的同时节约了项目成本。