許成虎， 李傳海， 王鑫洋

(1.山東高速龍青公路有限公司， 山東 煙臺 250014； 2.山東高速科技發(fā)展集團(tuán)有限公司， 濟(jì)南 250002)

瀝青路面對水分很敏感，水分的存在會降低瀝青和集料間的粘附力，進(jìn)而導(dǎo)致粘結(jié)失效[1-2]。粘結(jié)力降低是瀝青混合料物理破壞的主要機(jī)制，其表現(xiàn)為混合料的耐久性降低。水分進(jìn)入瀝青混合料中降低其強(qiáng)度和剛度，并容易使瀝青路面產(chǎn)生各種形式的損壞，如剝落、松散、坑槽等現(xiàn)象；水分的存在同樣會加劇其他病害的產(chǎn)生，如車轍、疲勞裂縫和坑洞[3-4]。瀝青路面發(fā)生水損害除與水分和行車載荷等外部因素有關(guān)外，還與混合料的自身性質(zhì)有關(guān)。

瀝青混合料使用的集料按性質(zhì)可分為酸性和堿性。酸性集料的主要成分為鋁、硅等氧化物，具有親水憎油的特點(diǎn)，與瀝青的粘附性較差，花崗巖為典型的酸性骨料；堿性集料的主要成分為鈣、鎂氧化物，能和瀝青產(chǎn)生緊密的粘附。我國在修建瀝青路面時(shí)，通常采用堿性或中性集料，如石灰?guī)r、玄武巖。盡管我國石料分布范圍廣，但石料屬于不可再生資源，大規(guī)模的基建導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)集料儲量降低，給公路建設(shè)帶來極大壓力。而以花崗巖為代表的酸性骨料在我國分布廣泛，儲量大，且質(zhì)地堅(jiān)硬，可以充分利用集料間的嵌擠作用，若能加以使用，將緩解堿性石料缺乏地區(qū)的公路建設(shè)壓力，降低建設(shè)成本，帶動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

路面產(chǎn)生水損害主要有2種原因：1) 集料具有親水性，對水的吸附能力強(qiáng)于對瀝青的吸附能力，當(dāng)瀝青與集料間的粘附性較差時(shí)，水分可以自由代替瀝青與集料吸附，使集料表面的瀝青發(fā)生剝落；2) 瀝青內(nèi)聚力減弱，由于瀝青是一種憎水性材料，當(dāng)水分進(jìn)入瀝青中，導(dǎo)致瀝青的粘度和粘聚性能降低，使瀝青混合料的整體性能降低。由此可知，路面發(fā)生水損害的根本原因?yàn)闉r青在集料表面的粘附力降低，在車輛動載產(chǎn)生的動水壓力作用下，裹覆集料的瀝青膜脫落，從而產(chǎn)生剝落、坑槽等病害。

為提高酸性骨料與瀝青間的粘附性，通常采用添加抗剝落添加劑等方法?？箘兟鋭┛稍鰪?qiáng)瀝青與集料之間的物理-化學(xué)結(jié)合作用，并通過降低瀝青的表面張力改善其潤濕性[5-7]。目前通常采用的抗剝落劑有熟石灰、胺類抗剝落劑和非胺類抗剝落劑。其中，熟石灰是最早使用的抗剝落劑。當(dāng)熟石灰加入到混合料中時(shí)，會與集料表面反應(yīng)，增強(qiáng)瀝青與集料界面之間的結(jié)合；同時(shí)，熟石灰使得混合料變硬，提高其抗車轍能力，體現(xiàn)了其作為活性礦物填料的卓越性能[8-9]。胺類抗剝落劑通過增加瀝青的表面張力，減小與集料的接觸角，從而改善與集料的粘附性；其次可以在集料表面形成堿性電離層，進(jìn)一步增強(qiáng)與酸性瀝青之間的粘結(jié)力[10]。非胺類抗剝落劑避免了胺類受熱揮發(fā)、抗老化性差等缺點(diǎn)，同樣得到廣泛的應(yīng)用。

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)以期綜合評價(jià)胺類、非胺類和石灰抗剝落劑對混合料水穩(wěn)定性的影響。首先通過延長水煮時(shí)間評定不同抗剝落劑改性瀝青與酸性集料的粘附性；然后通過凍融劈裂試驗(yàn)和加速老化-凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)抗剝落劑的抗水損害性能；最后通過漢堡車轍試驗(yàn)全面評價(jià)抗剝落劑對混合料綜合路用性能的影響。

1 原材料

瀝青和集料是瀝青混合料的主要組成部分。瀝青混合料采用AC-20，集料采用花崗巖，氧化物組成如表1所示，粒徑分布如表2所示，經(jīng)馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定最佳油石比為4.5%。瀝青采用齊魯70#基質(zhì)瀝青，技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表2 AC-20粒徑分布

表3 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

本文分別對摻加胺類抗剝落劑、非胺類抗剝落劑和石灰抗剝落劑的瀝青混合料進(jìn)行評價(jià)，其中胺類抗剝落劑為深褐色液體，推薦摻量為瀝青質(zhì)量的0.3%～0.7%，添加量取推薦摻量的中值0.5%；非胺類抗剝落劑為白色粉末狀固體顆粒，推薦摻量為瀝青質(zhì)量的0.8%～1.2%，添加量同樣取其推薦摻量的中值1%；石灰的主要成分為氧化鈣，參照前人研究[5]，石灰摻量為集料質(zhì)量的2%。

2 試驗(yàn)方法

2.1 粘附性試驗(yàn)

采用水煮法試驗(yàn)評價(jià)集料與瀝青之間的水穩(wěn)定性。為了降低主觀因素導(dǎo)致結(jié)果的差異性，采用延長水煮時(shí)間至15 min以評定瀝青與集料之間的粘附等級。

2.2 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)研究混合料在受到水損害前后劈裂破壞的強(qiáng)度比，以評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，具體步驟按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 加速老化-凍融劈裂試驗(yàn)

為評價(jià)不同抗剝落劑長期的水穩(wěn)定性能，首先將馬歇爾試件置于環(huán)境溫度為85 ℃烘箱中，保溫時(shí)長5 d；試件冷卻1 d后，按照凍融劈裂試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。考慮到實(shí)際應(yīng)用過程中由光照引起瀝青老化因素，期間同時(shí)在烘箱中采用紫外線殺菌燈對試件進(jìn)行照射，其中紫外線燈功率為387 W，波長為200 nm～400 nm。

2.4 漢堡車轍試驗(yàn)

與傳統(tǒng)車轍試驗(yàn)相比，漢堡車轍試驗(yàn)是目前測試瀝青混合料水敏感性和抗車轍性能最嚴(yán)格的試驗(yàn)方法之一。試驗(yàn)采用固定荷載685 N，輪壓力0.73 MPa的鋼制輪，在浸泡于55 ℃水中的混合料試件表面上往返碾壓20 000次，通過測量瀝青混合料車轍深度的變化評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 粘附性

摻加不同抗剝落劑的瀝青與花崗巖石料的水煮法試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，空白組花崗巖-瀝青經(jīng)15 min水煮法后，瀝青出現(xiàn)大面積剝落現(xiàn)象，花崗巖表面裸露明顯，瀝青與花崗巖之間粘附性較差，粘附等級較低。花崗巖中含有大量的二氧化硅，顯酸性；瀝青中的酸性物質(zhì)很難與花崗巖表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致兩者之間粘附性較差；其次，對硅含量多的花崗巖，其表面帶有弱的負(fù)電荷，水分子中的H+容易與酸性集料表面的負(fù)電荷形成氫鍵，兩者之間具有較強(qiáng)的極性吸附力，使酸性集料表現(xiàn)出親水憎油的性能，在水遇到花崗巖集料會穿透瀝青膜到達(dá)集料表面，導(dǎo)致瀝青膜從花崗巖表面脫落[11]。相較于空白組，添加不同種類抗剝落劑的瀝青與花崗巖之間的粘附等級得到改善，但是摻加石灰組和胺類抗剝落劑組的花崗巖表面瀝青膜厚度降低，但同樣出現(xiàn)集料表面裸露的現(xiàn)象。相較于其他3組，含有非胺類抗剝落劑的瀝青與花崗巖具有良好的粘附性，花崗巖表面的瀝青膜包裹完整，未出現(xiàn)瀝青膜脫落現(xiàn)象。

(a) 空白組

(b) 胺類

(c) 非胺類

(d) 石灰

3.2 凍融劈裂

劈裂抗拉強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)值如圖2所示。由圖2可知，相比于空白組混合料，添加任意一種抗剝落劑都能顯著提高花崗巖瀝青混合料的力學(xué)性能和水穩(wěn)定性。有學(xué)者認(rèn)為，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度值和TSR值都應(yīng)用于評估水損害對瀝青混凝土混合料性能的影響[12]。添加抗剝落劑后對混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度有顯著提高，其中非胺類抗剝落劑對其強(qiáng)度提升最為顯著，胺類和石灰抗剝落劑性能相近，如圖2(a)所示。TSR值反映瀝青混合料的抗水損害能力，通常情況下，較高的TSR值表明混合料具有良好的水穩(wěn)定性?？瞻捉M混合料的TSR值僅為53.87%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范中最小值70%的要求，而添加各類抗剝落劑后的瀝青混合料水穩(wěn)定性能均符合要求，如圖2(b)所示。對比3種添加抗剝落劑混合料的TSR值，非胺類抗剝落劑混合料表現(xiàn)出優(yōu)異的抗水損害能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于胺類和石灰混合料。粘附性試驗(yàn)的結(jié)果與該結(jié)論一致，在粘附性試驗(yàn)中，添加非胺類抗剝落劑的瀝青與花崗巖粘附性最好，花崗巖表面的瀝青膜完整。

(a) 劈裂抗拉強(qiáng)度

(b) TSR值

3.3 加速老化-凍融劈裂

瀝青在儲存、運(yùn)輸、施工過程中，長時(shí)間處于高溫環(huán)境下，加之在服役期間受外力、水、光照等多因素耦合作用下使得瀝青中的輕組分發(fā)生一系列的揮發(fā)、氧化與聚合，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青各物理性質(zhì)改變，最終導(dǎo)致瀝青混合料的路用性能劣化[13]。為比較添加不同抗剝落劑瀝青混合料的長期抗水損害能力，馬歇爾試件經(jīng)加速老化后進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，經(jīng)高溫、紫外照射后，空白組的劈裂抗拉強(qiáng)度僅為0.3 MPa；同樣的，含有不同抗剝落劑的混合料劈裂抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)不同程度的降低。對比各組的TSR值發(fā)現(xiàn)，僅非胺類抗剝落劑混合料經(jīng)加速老化試驗(yàn)后，其TSR值為77.43%，仍滿足規(guī)范要求的最低值，表現(xiàn)出優(yōu)異的水穩(wěn)定性；而含有胺類和石灰的混合料，經(jīng)加速老化后水穩(wěn)定性能下降明顯，不能滿足規(guī)范要求，瀝青經(jīng)加速老化后使得瀝青表面能下降，導(dǎo)致瀝青與礦料間的粘附性降低。

3.4 漢堡車轍

漢堡車轍試驗(yàn)包括車轍深度、蠕變速率、剝落速率和剝落拐點(diǎn)，通過繪制車轍深度和車輪載荷次數(shù)間的曲線來獲得這些參數(shù)，其中蠕變速率和剝落速

(a) 加速老化劈裂抗拉強(qiáng)度

(b) 加速老化TSR值

率分別是剝落發(fā)生前后曲線線性區(qū)域中的變形率，剝落拐點(diǎn)由蠕變速率和剝落速率交叉處的車輪載荷次數(shù)確定。蠕變速率反映了混合料的抗車轍性能，剝落速率和剝落拐點(diǎn)用作評價(jià)瀝青混合料的抗水損害性能[14-15]。添加不同抗剝落劑瀝青混合料的車轍深度隨碾壓次數(shù)的變化規(guī)律和特征點(diǎn)如圖4和表4所示?？瞻捉M混合料經(jīng)過約10 000次載荷后，車轍深度已經(jīng)達(dá)到最大值；添加胺類和石灰的混合料在循環(huán)載荷15 000次時(shí)，試件破壞，而添加非胺類抗剝落劑的瀝青混合料經(jīng)20 000次循環(huán)載荷后，混合料仍未破壞，車轍深度約為9 mm，且混合料未發(fā)生剝落變形，表現(xiàn)出優(yōu)異的水穩(wěn)定性能。對比添加胺類和石灰混合料剝落拐點(diǎn)的載荷次數(shù)，2種混合料的載荷次數(shù)相差較小，說明胺類和石灰抗剝落劑的抗水損害性能非常接近，這與前文的試驗(yàn)結(jié)果相似。

4 成本分析

為了分析不同類型抗剝落劑的價(jià)格優(yōu)勢，對3種瀝青混合料成本進(jìn)行簡單對比，因混合料采用相同的級配，僅比較所用抗剝落劑的價(jià)格，如表5所示。

(a) 空白組

(b) 胺類

(c) 非胺類

(d) 石灰

以AC-20瀝青混合料為例，其瀝青含量為4.3%，在其他原材料價(jià)格相同的前提下，計(jì)算摻加

表4 漢堡車轍結(jié)果特征值

表5 抗剝落劑成本分析

抗剝落劑對混合料成本的增加。由表5可知，摻加胺類抗剝落劑的混合料成本增加最低，每t瀝青混合料增加成本為3.01元，石灰的價(jià)格雖然低，但其摻量大，成本增加最多，每t混合料增加成本9.57元。綜合混合料性能結(jié)果與抗剝落劑的成本分析，非胺類抗剝落劑改性瀝青混合料的長期耐久性最優(yōu)且價(jià)格適中，適合大面積推廣。

5 結(jié)束語

綜上研究可知，抗剝落劑均提高了瀝青與花崗巖之間的粘附等級，經(jīng)長期水煮試驗(yàn)后非胺類抗剝落劑瀝青膜完整，粘附性最優(yōu)。其次，抗剝落劑提高了花崗巖瀝青混合料的TSR值，摻加胺類(0.5%)、非胺類(1%)和石灰(2%)抗剝落劑的混合料較空白組的TSR值分別提高了42%、67%和42%。

加速老化-凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明，非胺類抗剝落劑具有優(yōu)異的長期耐久性，其改性花崗巖瀝青混合料的TSR值達(dá)到了77.43%，滿足規(guī)范要求；相較于非胺類抗剝落劑，胺類和石灰類抗剝落劑對花崗巖瀝青混合料的長期耐久性較差，TSR值僅為53.15%和50.35%。

漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果表明，抗剝落劑提高了混合料承載載荷的次數(shù)，提高了混合料的抗車轍性能和抗水損害性能。在55 ℃水溫環(huán)境下，非胺類抗剝落劑改性花崗巖瀝青混合料未發(fā)生剝落變形，抵抗水損害能力優(yōu)異。胺類和石灰類抗剝落劑的剝落拐點(diǎn)對應(yīng)的載荷次數(shù)分別為11 954次和12 284次，2種抗剝落劑的抗水損害能力相當(dāng)。