沥青-集料粘附性能影响因素

高 波，高子琛，王 铁，段德峰

（1、中交二公局第四工程有限公司 河南洛阳 710131；2、长安大学材料科学与工程学院 西安 710018）

0 引言

沥青路面以其舒适性好、易于维护等优点，被广泛应用于道路，尤其是高等级公路。但沥青路面施工后，容易出现一些早期破坏，比如车辙、开裂和水损害等，严重影响道路的使用能力，使得道路的使用寿命远远短于设计寿命。为了保持道路的使用性能，需要花费更多的资金和时间进行维护或重建，给国民经济的增长带来了很大的负担。事实上，据美国交通部报告，2030年，美国现有公路和桥梁的年度维修和维护成本估计为650～830亿美元，占2010年所有相关成本支出预算的近40%［1］。因此，从经济角度来看，提高道路的使用寿命具有重要意义。

沥青混合料是一个复杂的非均质多相系统，由沥青相、集料相、沥青结合料和集料之间的界面相组成，其中3个相共同保持沥青混合料的强度和结构稳定性［2］。集料相主要承受车辆传递的竖向荷载，沥青相将集料相粘结成一个整体，而界面相是沥青结合料和集料之间通过复杂的物理化学反应形成的复合相。由于作为极性材料的沥青和作为无机材料的骨料之间的极性差异，会导致这2种材料之间相互作用减弱，因此材料之间界面相的强度低于其他相。所以，在水和载荷等外部因素的影响下，界面相容易损坏，一旦界面相被破坏，沥青混合料的整体性能将大大降低。此外，相关研究表明，沥青结合料与集料界面相的强度与沥青混合料的水稳定性密切相关，如果界面相强度不足，容易导致沥青路面在荷载和水环境下的水损害。作为沥青路面典型的过早损坏，水分损坏将进一步诱发其他路面损坏，包括松散、车辙、泌水、开裂和坑洼。水损害是指在交通荷载和水的作用下，集料从沥青路面上脱落的过程，这种移动过程，通常称为剥离，主要是由沥青粘合剂和骨料之间的低相容性造成的［3］。因此，保持沥青与集料的粘结强度是防止水损害的关键。沥青结合料与集料之间的粘附性能受多种因素影响，这些因素可分为2类，即内部因素（沥青性能、集料性能、沥青混合料等）和外部因素（温度、湿度、负载、助粘剂等）。

为了深入了解沥青结合料与集料之间的粘附性能，本文综述了沥青结合料与集料粘附性能的主要影响因素，以期找到合适的方法进行改善，从而提高路面的使用寿命。

1 沥青-集料黏附性能影响因素

1.1 集料特性

集料作为主要成分在沥青混合料中占很大比例，约占总质量的95%。因此，集料的特性对沥青混合料的各项性能有着重要的影响，粘附性也不例外。

1.1.1 集料类型

路面施工中使用的集料包括各种类型。这些不同的集料类型由不同的化学成分组成，导致沥青混合料的化学和物理性质不同。为了搞清楚集料中的成分，研究人员对集料进行了化学分析，如表1所示。

表1 不同骨料的化学成分Tab.1 Chemical Composition of Different Aggregates

根据二氧化硅的含量，骨料可分为3种类型：碱性骨料（约小于52%）、中性骨料（约52%～65%）和酸性骨料（大于65%）。碱性矿物如石灰石和玄武岩因为其与沥青有较好的黏附性在中国被广泛采用，但是其耐磨性经常难以满足要求，且这些矿物的高需求导致当地市场缺乏碱性骨料。因此，花岗岩等酸性骨料可能是碱性骨料的合适替代品［4］。虽然酸性骨料具有更好的力学性能，但其与沥青的粘附性仍低于要求。因此，在实际应用中推广酸性集料之前，应有效解决其粘附性差的问题。

目前，已经有了一些方法处理这个问题，比如添加抗剥落剂、高粘度改性剂或碱性集料粉末来提高沥青对酸性骨料的粘附性，此外，还可以通过多次洗涤过程以减少酸性成分。虽然这些方法确实有一些积极的作用，但也造成了一些不容忽视的副作用。抗剥落剂因为较差的热稳定性易在短期内失去效力，且过量的抗剥落剂会导致沥青和集料之间弱连接［5］。比如在热拌沥青混合料中，熟石灰一直被用作抗剥落剂，通常以1%～3%的骨料质量添加，并作为填料的一部分。然而，如果熟石灰中的一部分生石灰没有完全消化，它将膨胀并严重影响沥青混合料的质量，导致路面损坏。对于多次水洗工艺，骨料表面的干燥度难以控制，且该方法工艺复杂，制约了其推广应用。因此，改性剂的加入和多次洗涤过程在提高沥青和酸性骨料之间的粘附性方面都有一定的局限性。

据以前的研究，骨料表面改性被认为是改善沥青和骨料之间粘附性的有效方法［5］。DING等人［6］提出一种同时含有有机和无机官能团的改性剂——硅烷偶联剂（SCA），对骨料表面进行改性。一种类型的官能团与疏水材料相互作用以改变它们的极性，而其他基团促进与无机材料的化学键合，从而提高混合物界面处的粘附力。集料与沥青混合料之间的SCA作用机理主要包括4个步骤：①在偶联剂水解过程中，CH3基团转化为硅羟基；②硅烷的硅羟基可以与聚集体表面的羟基反应形成共价键；③界面上的氢键也同时形成；④偶联剂吸附在集料表面，形成分子“桥”，改善集料与沥青的相互作用。文献［6］通过接触角方法测试表明SCA改性花岗岩表面主要改变了花岗岩表面的亲油性和亲水性，经过表面活性剂处理的花岗岩具有很强的亲油性，可以显著提高沥青与花岗岩之间的附着力。

1.1.2 集料几何特征

除了集料类型外，集料的几何特征，如形状、棱角和质地，将影响沥青混合料中集料之间的联锁结构以及沥青混合料和集料之间的相互作用。一般来说，考虑到粗立方体骨料将呈现互锁水平，具有粗立方体特征的骨料将比那些具有光滑圆形特征的骨料表现更好［7］。集料复杂的表面纹理会增加沥青混合料与集料的接触面积，从而产生良好的粘附性能。具有棱角的集料被认为是具有良好粘附性能的有利类型，以获得更好的机械互锁。具有良好粘附性能的集料的有利几何特征如图1所示。

图1 具有良好粘附性能的骨料的良好几何特征Fig.1 Good Geometric Characteristics of Aggregates with Good Adhesion

1.2 沥青类型及老化

沥青作为沥青混合料中的粘结剂，是保证集料能够连接在一起形成整体结构，并且在交通荷载和环境因素（包括水、温度等）作用下不会分离的关键。因此，沥青结合料的性能将极大地影响沥青混合料的性能。

1.2.1 沥青类型

为了改善沥青结合料和随后的沥青混合料的性能，一些改性沥青结合料已被提出并广泛用于道路建设，其中轮胎废橡胶粉以及一些其他聚合物，包括苯乙烯-丁二烯橡胶（丁苯橡胶）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）和聚乙烯（PE）被广泛使用。相比于基质沥青，改性剂可以显著改善沥青结合料的性能，进而改善沥青混合料的性能，其中集料与SBS改性沥青的粘附性能最好。此外，SBR和SBS两种聚合物改性沥青通过原子力显微镜（AFM）研究粘附性能［8］。同样的结果表明，聚合物改性可以使沥青结合料不易受水分破坏。总的来说，含有改性沥青粘合剂的沥青混合料具有较低的水分敏感性和较好的抗水分损害性。

除了改性沥青类型之外，另一种类型，即不同组分的沥青结合料已经得到认可。根据HUANG等人［9］的研究，沥青与集料粘结的根本原因是沥青和集料的极性。基于已建立的4组分沥青模型（沥青质、胶质、饱和分和芳香分），结果表明沥青质和胶质分子呈现不对称结构，并含有少量活性官能团；因此，它们包含沥青的极性组分，因此当它们接近极性集料表面时，可以完成粘结行为。因此，沥青质和胶质分子越多的沥青结合料粘合性越好。然而，沥青中的轻质组分可以增加粘合面积，进一步增加总粘合强度。因此，何种比例的沥青组分有利于更好的粘附性能仍需进一步研究。

1.2.2 沥青老化

沥青路面施工需要将沥青结合料加热到更高的温度（一般接近160℃，对于改性沥青可能更高）。铺装后，路面需要承受荷载等环境因素，才能在一段时间内保持良好的性能。在施工和应用过程中，沥青结合料的性能会在荷载、热、光、氧等条件下发生变化。一般来说，老化的沥青结合料比原始沥青相对更硬、更脆。这些变化将进一步影响沥青混合料的性能，粘附性能也不例外。

为了研究沥青类型和老化对粘附性的影响，LI等人［10］测量了表面自由能与粘结比的关系。意外的是，在RTFOT老化后，可以观察到每种沥青的表面自由能增加，粘附性增强，这可能与短期老化引起的沥青粘合剂极性增加有关。这些粘合剂在PAV老化后有明显的减少，表明长期老化对沥青结合料的表面自由能有不利影响，导致集料-沥青体系粘附性能显著下降，AGUIAR-MOYA等人［11-12］也在试验后得到了相同的结论。JI等人［13］还用原子力显微镜（AFM）对老化条件下微纳米尺度下沥青的微纳米形态和表面能的演化进行研究。在沥青的微观表面观察到一种特殊的蜂状结构（见图2），这种结构对沥青的表面粗糙度有显著影响，并且随着老化时间的延长其数量先增加后减少。有研究表明，蜂状结构本质上是蜡结晶，沥青质等大分子成分可以为蜡结晶提供晶核。在早期老化阶段，沥青质含量的增加可以提供更多的结晶岩心，因此，蜂状结构的数量增加。然而，随着老化的继续，沥青质发生絮凝和熔融，这进一步导致蜂状结构聚集和数量减少，可见蜂状结构会随着老化而降解，从而导致沥青纳米表面的平均粗糙度先增大后减小。

图2 蜜蜂状结构的原子力显微镜图像Fig.2 AFM Image of Honeybee Like Structure

虽然短时老化的沥青表现出良好的性能，但长时间老化是短时老化的必然结果。因此，为了具有更好的粘附性能，应提出可行的措施来避免或减缓沥青结合料的老化过程。综上所述，沥青混合料中推荐使用高粘度沥青结合料和改性剂，以获得良好的粘结性能。

1.3 沥青混合料

1.3.1 级配

集料级配在沥青混合料设计中起着关键作用，是形成骨架结构和保证机械强度的关键，而级配与沥青混合料的空隙率密切相关，空隙率是影响沥青混合料黏附性能的关键因素［14］。相对较大的空隙，尤其是连通的空隙，会使水更容易向沥青混合料内部流动，这可能会增加水分破坏的概率。因此，密实的级配是沥青混合料抵抗水分破坏的理想选择。应该注意的是，过多的空隙也有利于减轻湿气的损害，因为内部的水更容易挥发和消散，这意味着也需要相对开放的级配。因此，密实且开放的级配有利于沥青混合料具有良好的粘结性能。

一些研究人员提出，相对于细级配粗级配具有更好的性能，因为粗级配中的空隙是连通的，然后水可以容易地进入空隙；然而，其他人支持相对于粗级配，细级配更有利于沥青混合料，因为细级配具有较大的集料表面积，这意味着将形成较薄的沥青膜厚度，即沥青粘合剂和集料之间的粘附性能较弱［15］。因此，考虑到级配分类的可变性，与级配相关的沥青混合料影响因素还需进一步细化。

1.3.2 沥青掺量

沥青掺量主要控制集料上沥青结合料的膜厚。对于相同级配的沥青混合料，沥青结合料的膜厚会随着沥青含量的增加而增加。此外，沥青结合料在集料上的薄膜厚度与粘结强度直接相关［16］。当沥青膜厚度较小时，沥青结合料与集料的粘结强度小于沥青结合料本身的粘结强度，部分暴露的骨料会直接与水接触，或者由于薄膜厚度较薄，水更容易进入界面，事后界面容易出现水分损伤。当沥青膜厚度逐渐增加时，粘结强度增加，直至大于沥青结合料本身的粘结强度，集料将被充分封装在沥青粘合剂中，并且界面将呈现良好的粘附性能［17］。因此，高沥青含量有利于良好的粘附性能。

需要注意的是，过多的沥青含量会导致另一个问题，即高温性能差。具体来说，沥青含量过高会导致沥青路面在夏季出现泌水和车辙现象。因此，需要适当的沥青含量来平衡水下和高温下的性能。

1.4 负载和环境因素

沥青路面在使用期间需要承受车辆的反复荷载。有研究表明，车辆前进过程中，车头会继续产生正压，车尾会产生负压，进一步对路面施加反复的泵送作用。此外，路面在水的条件下会产生动水压力，这将加剧沥青路面的水损害［18］。因此，低交通流量更有利于良好的附着性能。

除了负载，其他环境因素也会影响粘合性能，例如水、温度。水作为重要因素将影响沥青粘合剂和骨料之间的粘附性能，这归因于水对骨料的亲和力强于沥青粘合剂对骨料的亲和力。因此，骨料应充分干燥，以避免水滞留在骨料中，尤其是温拌沥青。此外，应避免外界水进入骨料和沥青结合料之间的界面。

沥青是一种温度敏感材料，在其使用阶段，随着温度的升高，其性质会从粘弹性变为粘弹塑性。根据文献记载，沥青结合料与集料之间的粘附性在温暖的天气条件下会变得有利，因为沥青结合料的塑性特征使沥青结合料能够更紧密地与集料接触，从而改善路面的水温定性。

2 结论

为了全面了解沥青结合料与集料粘附性能的现状和研究需求，对粘附性影响因素、黏附性改善等方面的国内外研究进行了综述，并对今后的工作提出了展望。可以得出如下结论：

粘附性能主要受材料（沥青、集料）、沥青混合料和一些环境因素的影响。至于骨料，目前的研究主要集中在骨料类型和骨料几何特征等方面。对于沥青，沥青类型和老化一直是人们关注的焦点。对于沥青混合料，级配和沥青掺量是主要影响因素。在环境因素方面，综述了水、温度和负荷。虽然从这些研究中已经获得了一些有用的结果。例如，具有碱性、粗糙立方体和大量表面孔隙的集料是有利的；在沥青混合料中使用高粘度粘合剂、改性沥青粘合剂，选择密实或开放的级配和高沥青含量是有利的。然而，集料和沥青中影响粘附性的关键成分需要进一步确定，并且需要考虑更详细的环境参数。