提高沥青混合料水稳定性研究进展

李明婷

摘要：本文分析了沥青混合料水损害的破坏机理，并从原材料选择、抗剥落剂的选用以及混合料性质三个方面，总结了改善沥青混合料水稳定性的各项措施，以期能提高混合料的水稳定性能。

关键词：沥青混合料；水稳定性；粘附性；抗剥落剂

Abstract：Thedamagemechanismofwaterdamageofasphaltmixturesisanalyzed.Inordertoimprovethewaterstabilityofasphaltmixtures,measurestoenhancethewaterstabilityofasphaltmixturesaresummarizedasrawmaterials,anti-strippingagentsandpropertiesofmixtures.

Keywords：asphaltmixtures;waterstability;adhesion;anti-strippingagent

引言

沥青路面具有平整性好、行车舒适、施工工期短、养护简单等优点，在我国道路中应用广泛，但很多沥青路面在使用一定年限后（小于设计使用年限）普遍出现了沥青膜剥落、掉粒、松散、坑槽等水损害，这不仅会降低行车舒适性，还会缩短路面的服务年限，增加养护成本[1，2]。水损害破坏了混合料的整体结构，出现水损害的路面，还容易引发其它病害，因此提高沥青混合料的水稳定性很有必要。

1.水稳定性机理分析

由于天气原因，沥青路面结构中不可避免的会有水渗入，大多数水能通过连通的空隙排出，但仍有小部分水在混合料内部形成空隙残留水，水的极性较沥青大，能置换沥青膜，使沥青膜剥落。同时在交通荷载作用下，水产生的动水压力和真空负压抽吸作用加速沥青膜的剥落，油石界面粘结力下降，从而形成掉粒、松散、唧浆、坑槽等水损害[3]。Taylor和Khosls把沥青膜的剥落过程归纳为下列几种模式[4]：

（1）沥青膜移动

由于水的表面能比沥青大，当水浸入油石界面时，部分沥青膜从集料表面剥离，并收缩成球状，减小表面积以达到热力学平衡。

（2）沥青膜分离

若集料表面存在尘土时，拌和后，尘土相当于隔离剂，虽然沥青仍附着在集料表面，但粘附作用很小，在这种情况下，易发生沥青膜剥落和移动。

（3）沥青膜破裂

汽车在路面行驶时，轮胎不可避免地与路面摩擦，沥青膜在集料棱角、尖角处较薄，沥青膜容易被擦破，水分从破裂的沥青膜处浸入油石界面，降低油石界面粘结力。

（4）起泡

在炎热的夏天，沥青路面温度很高，沥青粘度较低，突遇大雨，沥青膜易脱离集料，形成气泡，在车辆荷载的作用下，易造成沥青膜脱落。

（5）水力冲刷和孔隙压力

汽车通过有水的路面时，会对混合料产生水力冲刷作用。轮胎前面的水在车轮的挤压下进入路面空隙中，并对混合料产生水压力作用；轮胎通过后，空隙中的水在负压作用下被吸出，水不断的被挤入、吸出，形成水力冲刷，使沥青膜脱落。

（6）粘结层破坏

一旦有水浸入油石界面，沥青膜上下面存在两层水膜，在这种环境中，酸性集料通常带负电荷，而沥青膜也带负电荷，使沥青膜与集料相互排斥，进一步加速油石界面的分离，直至沥青混合料彻底丧失粘结力。

2.改善沥青混合料水稳定性措施

沥青混合料水稳定性的影响因素复杂多样，下面分别从原材料、外加剂以及沥青混合料性质三个方面分析改善沥青混合料水稳定性的措施。

2.1原材料选择

2.1.1集料选择

集料是沥青混合料的主要组成部分，其性质对混合料水稳定性影响很大。下面从集料的酸碱性、化学成分、表面电荷、表面构造、含泥量等几个方面进行分析。

（1）酸碱性

按二氧化硅含量不同将集料分为酸性集料、中性集料和碱性集料，二氧化硅含量越大，集料酸性越强。在道路工程中，将二氧化硅含量小于52%的成为碱性集料，这类集料与沥青的粘附性较好，如辉长岩、玄武岩、辉绿岩等。当二氧化硅含量为52%～65%时，这类集料称为中性集料，如安山岩、正长岩、闪长岩等。当集料二氧化硅含量大于65%时称为酸性集料，如花岗岩、砂岩、流纹岩等，这类集料与沥青粘附差，在使用时需要采用抗剥落措施。在条件允许的条件下，应优先选用碱性集料。

（2）化学成分

集料是由不同的矿物组成，每种矿物的结构、性质不同，因此不同的集料其物理、化学性质也不相同。沥青为弱酸性有机物，易与集料中的氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化铝等发生化学反应，生成难溶性盐吸附在集料表面，因此含有这类物质的集料与沥青粘附性较好。二氧化硅，结构稳定，与沥青的粘附性主要依靠范德华力，故花岗岩等集料与沥青粘附性较差[5]。

（3）集料表面构造

集料的表面构造主要包括轮廓、棱角性和表面纹理。颗粒形状呈立方体且棱角性好的集料，在与沥青拌和后，具有良好的嵌挤作用，不仅能提高混合料的水稳定性，还具有较高的强度。表面粗糙的集料，存在大量孔隙、微裂缝和棱角，有利于沥青浸入集料内部，形成契合锚固作用，同时粗糙的表面增大沥青与集料的接触面积，形成更多的结构沥青，提高沥青与集料的粘附性[6]。

（3）集料表面电荷

集料的化学成分还决定了集料的表面电荷，通常碳酸钙含量高的集料表面带正电荷，如石灰岩，而二氧化硅含量高的集料带负电荷，如花岗岩、片麻岩等。沥青中含有极性物质，通常带负电荷，能与带正电荷的集料相互吸引，达到平衡形成较好的粘附性[7]。

（4）含泥量

当集料表面含有大量粉尘和泥土时，这些杂质相当于隔离剂，集料与粉尘的粘附性较差，当有水存在时，与尘土粘结的沥青膜易从集料表面脱落。赵春花研究发现集料表面含泥量大小与泥土的塑性指数对沥青与集料的粘附性影响显著，塑性指数大的泥土对碎石与沥青的粘附性影响较大[8]。

2.1.2沥青选择

沥青是沥青混合料的重要组成部分，其性质对沥青混合料性能影响很大，下面从沥青的化学成分、表面电荷、酸碱性、蜡含量几个方面进行分析。

（1）化学成分

制备沥青采用的原油和工艺不同，使不同种类的沥青所含化学成分也不同。沥青的主要成分有沥青质、胶质、饱和分、芳香分，其中胶质和沥青质极性较强，能与集料发生化学反应，粘附性较好；饱和分和芳香分统称为油分，其分子量小，是非极性物质，与集料的吸附主要是物理吸附，吸附力小[9]；傅珍，延西利利用灰关联方法分析沥青组分和组分构成对沥青粘度、粘附性的影响，结果表明胶质含量对沥青与石灰岩、玄武岩的粘附等级具有较高的影响，胶质含量越多，对沥青与集料的粘附性影响程度越高；胶质与沥青质之比对粘附性指标影响较低[10]。

（2）表面电荷

沥青主要由碳氢化合物组成，含有少量的杂原子，如硫、氧、氮等，这些杂原子与沥青中的碳原子相连，使分子结构发生变化，导致电化学不平衡，形成偶极，使分子具有极性。沥青的表面电荷一般为负，能够与带正电荷的集料相互作用，形成稳定的油石界面。

（3）酸碱性

沥青中的沥青酸、沥青酸酐呈酸性，是阴离子型表面活性组分，能与集料表面带正电荷的物质发生反应，产生化学吸附，有利于提高沥青与集料之间的粘附性。但沥青的酸值不是越大越好，周卫峰、原健安等研究表明当沥青的酸值大于2.1时，沥青与集料的粘附等级、混合料的残留稳定度、冻融劈裂强度都不再随着沥青酸值的增加而增大[11]。由于不同种类的矿料所含碱性活性中心不同，不同沥青所含酸、酸酐也不相同，因此化学反应产生的物质不同，沥青与集料之间存在配伍性，在工程中选择原材料时应考虑这一因素[12]。

（4）蜡含量

蜡是沥青中的不利物质成分，其分子量小，当沥青与集料接触时，蜡比其他组分更容易到达集料表面，但蜡与集料是物理吸附，粘附力小。蜡含量大的沥青，温度敏感性较大，常温下，蜡呈固态，但当温度超过50时，变为熔融态，使沥青粘度降低。在低温时，蜡容易结晶，使沥青脆性增大，引起沥青膜脱落，因此工程中尽可能选择蜡含量低的沥青。

2.2外加剂

目前，国内提高酸性集料与沥青的粘附性最常用的方法是掺加抗剥落剂。抗剥落剂能减小沥青与集料间的接触角，降低界面张力，使沥青能更好地浸润集料，提高沥青与集料的粘附性。抗剥落剂的发展主要经过了4个阶段：无机类抗剥落剂、金属皂化物、阳离子型表面活性剂、高分子类抗剥落剂。

2.2.1无机类抗剥落剂

消石灰和水泥是工程中使用最广泛的无机类抗剥落剂，其成本低、性能好，但在混合料中难以拌和均匀。水泥是碱性物质，氧化钙含量较高，可以与沥青中的有机酸反应，生成吸附能力强的物质，另一方面水泥细度大，比表面积大，能吸附更多的油分，提高沥青胶浆的稠度，改善混合料的水稳定性。陈繁华、张登峰等采用水泥、抗剥落剂提高安山岩沥青混合料的水稳定性能，研究发现，水泥和抗剥落剂均可以提高混合料抗水损害性能，若联合使用，能显著提高安山岩沥青混合料的抗水损害能力[13]。郭荣昌研究了水泥对花岗岩沥青混合料性能的影响，研究发现，水泥能有效地提高花岗岩沥青混合料的高温、低温、水稳定性能[14]。

消石灰改善沥青与集料之间的粘附性主要有以下原因，一是消石灰比表面积大，与沥青接触后形成更多的结构沥青，增强沥青与集料的作用力；二是消石灰可降低集料表面负电荷；三是消石灰能与沥青发生化学反应，生成不溶于水的物质，从而提高粘附性。李剑用消石灰替换矿粉加入到沥青混合料中，混合料低温抗裂性、高温稳定性和疲劳性能都有一定提高；从水稳定性改善角度看，消石灰替代矿粉的合适比列为16.7%，但从实际的拌和过程中发现，消石灰掺量越大，拌和越困难，综合不同掺量下的混合料水稳定性情况和施工和易性，推荐消石灰参量为1%。值得注意的是，由于消石灰比表面积大，能吸附较多的沥青，因此当消石灰掺量大于1%时，必须重新确定油石比[15]。

2.2.2金属皂化物

以皂脚铁为代表，工艺简单，成本较低，使用方便，但与沥青易产生离析，目前很少在国内工程中使用。

2.2.3阳离子型表面活性剂

以季铵盐为代表，使用方便，但成本高，热稳定性差，目前在国内也很少使用。

2.2.4高分子类抗剥落剂

高分子类抗剥落剂以胺类和非胺类聚合物为主，能较好地改善沥青混合料的水稳定性，在工程中应用广泛，但胺类抗剥落剂热稳定性差，受热易分解。

胺类抗剥落剂是表面活性剂，同时具有极性基团和非极性基团，极性基团定向吸附于集料表面，而非极性基团定向吸附于沥青，胺类抗剥落剂将沥青与集料结合起来产生较强的吸附力，但胺类抗剥落剂热稳定性差，受热易分解。孙瑜，李立寒基于表面能理论研究了不同抗剥落剂改善沥青混合料水稳定性能，在常规条件下，对沥青混合料改善效果由好到次依次为：消石灰、水泥、非胺类抗剥落剂TJ066、胺类抗剥落剂PA-1,但经热老化、浸水、冻融循环后，掺量为0.4%的非胺类抗剥落剂TJ660对混合料抗水损害性能改善效果最好[16]。武银君，王福满等采用水泥和PA-1型抗剥落剂改善花岗岩沥青混合料的路用性能，研究结果发现，水泥和PA-1型抗剥落剂均可提高花岗岩沥青混合料的高温性能、水稳定性和低温抗裂性，且当水泥和PA-1型抗剥落剂混合使用效果远远优于单独使用水泥或PA-1型抗剥落剂[17]。

非胺类抗剥落剂的热稳定性好，在道路工程中使用广泛。张苛，张争奇研究发现非胺类抗剥落剂AMR型和T-066型，在含盐高湿环境中的最佳掺量略大于淡水环境，且能较好地提高沥青混合料的水稳定性[18]。王延海研究了消石灰、胺类抗剥落剂、非胺类抗剥落剂对混合料水稳定性的影响，研究发现：对于未经过老化的沥青混合料，消石灰改善混合料水稳定性效果最好，其次为非胺类抗剥落剂，胺类抗剥落剂效果最差；混合料经老化后，残留稳定度和TSR均降低，且胺类抗剥落剂降幅最大[19]。郭寅川研究了改性材料种类对砾石沥青混合料水稳定性的影响规律，结果表明：单掺0.4%AMRI型抗剥落剂的改善效果优于水泥和石灰，复掺0.4%AMR抗剥落剂和1%水泥的改善效果最好[20]。

2.3沥青混合料性质

2.3.1沥青膜厚度

集料上沥青膜厚度不但会影响沥青的内聚力，还会影响沥青与集料的粘聚力。当沥青膜较薄时，沥青与集料之间的粘聚力小于沥青自身的内聚力，此时油石界面的破坏为沥青与集料间的粘聚性破坏。当沥青膜逐渐增大，沥青与集料间的拉伸强度也逐渐增加，此时，油石界面的破坏多为沥青自身粘聚性的破坏[21]。

2.3.2空隙率

沥青混合料的空隙率，空隙分布情况，空隙结构都会影响混合料的水稳定性能。当沥青混合料孔隙率较低，小于4%～5%时，多为不连通空隙，混合料处于密实的状态，水难以进入混合料结构内部，因此，混合料水稳定性较好。当混合料空隙率较大，在15%～20%时，空隙相互连通，进入混合料结构内部的水能顺利排出，也不易发生水损害。当混合料孔隙率在5%～15%时，空隙多，且不连通，水很难从结构内部排出，在车辆荷载反复作用下，产生水力冲刷作用，加速沥青膜从集料表面剥落。

3结语

（1）从改善沥青混合料水稳定性出发，应选择干燥洁净、颗粒呈立方体结构、棱角性较好的碱性集料。

（2）由于碱性集料是不可再生资源，优质的碱性集料逐渐匮乏，酸性集料与沥青的粘附性差的问题亟待解决。

（3）抗剥落剂能有效改善沥青混合料的水稳定性能，但应重视抗剥落剂与集料间的配伍性问题。

（4）原材料、抗剥落剂的选择以及沥青混合料的性质对沥青混合料的水稳定性能有很大影响，这些因素存在着不可分割的关联性，在工程中应综合考虑。

参考文献

[1]任满仓．抗剥落剂对沥青路用性能影响研究[D]：[硕士学位论文]．西安：长安大学，2012.

[2]华涛．高温多雨山区公路沥青路面使用性能评价研究[D]：[硕士学位论文]．重庆：重庆交通大学，2013.

[3]沈金安．沥青与沥青混合料路用性能[M]．北京：人民交通出版社，2001．414-416.

[4]魏强．沥青稳定碎石结构层抗高温变形能力的研究[D]：[硕士学位论文]．重庆：重庆交通大学，2007.

[5]孔维川.集料特性对沥青-集料界面性能影响研究[D]：西安：长安大学,2012.

[6]ChengD．Surfacefreeenergyofasphalt-aggregatesystemandperformanceanalysisofasphaltconcretebasedonsurfacefreeenergy[D]．CollegeStation，USA：TexasA&MUniversity，2002.

[7]魏建明．沥青-集料的表面自由能及水分在沥青的的扩散研究[D]：[博士学位论文]．中国石油大学（华东），2008.

[8]赵春花，祝小龙，含泥量对沥青与粗集料粘附性的影响，重庆交通大学学报（自然科学版），2008.27.933-936.

[9]马峰，郝景贤等．天然沥青改性沥青的表面自由能分析[J]．交通运输工程学报，2015，15（1）：34-39.

[10]傅珍，延西利，蔡婷，等．三角形坐标系下沥青组分与粘度、粘附性关系[J]．交通运输工程学报，2014，(3)：1-7.

[11]周卫峰，原健安，戴经梁．影响粘附性的沥青性质分析[J]．石油沥青，2003，17(3)：22-25.

[12]黄继成，黄彭．基于表面理论分析沥青剥离机理及防治对策[J]．石油沥青，2005，19(4)：52-55.

[13]陈繁华、张登峰等.提高沥青混合料水稳定性能的实验研究[J]．武汉理工大学学报，2007，29（9）：9-11.

[14]郭荣昌.抗剥落剂与水泥对花岗岩沥青混合料性能的影响[J]．中外公路，2013，33（6）：280-283.

[15]李剑，史立梅，刘慧敏.沥青混合料中掺加消石灰的抗水损害性能研究[J]．公路，2003，（6）：110-114.

[16]孙瑜，李立寒．基于表面能理论的沥青混合料抗剥落性能[J]．建筑材料学报，2016，19（2）：285-291.

[17]武银君，王福满，张宜洛.不同类型抗剥落剂对花岗岩沥青混合料性能影响研究[J]．中外公路，2016，36（1）：289-292.

[18]张苛，张争奇．抗剥落剂对沥青混合料水稳定影响的试验方法与指标研究[J]．合肥工业大学学报（自然科学版），2015，38（7）：955-961.

[19]王延海．三种沥青抗剥落剂的性能对比研究[J]．公路工程，2011，36（3）：172-186.

[20]郭寅川，魏自玉，申爱琴等.砾石沥青混合料稳定性复合改善技术研究[J]．重庆交通大学学报（自然科学版），2018，37（12）：41-48.

[21]沈金安．沥青与沥青混合料路用性能[M]．北京：人民交通出版社，2001．413-414.