系統(tǒng)改善瀝青與集料的粘附性

金寶柱

本文探討了瀝青、集料、水及荷載等因素對(duì)瀝青與集料之間粘附性的影響，分析瀝青與集料的粘附性能，水損害是瀝青路面早期損壞的主要原因。以及瀝青混合料的空隙率、瀝青模厚度等。瀝青混合料水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法，通常分兩個(gè)階段；⑴第一階段是評(píng)價(jià)瀝青與礦料的粘附性。⑵第二階段是評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。文章就瀝青與礦料的粘附性進(jìn)行了研究，論述了瀝青與集料的幾種粘附性理論，分析了粘附性的影響因素，比較了目前常用的幾種粘附性試驗(yàn)方法的優(yōu)劣。

一、粘附性的影響因素

1.1 瀝青性質(zhì)對(duì)粘附性的影響

瀝青是一種成分極為復(fù)雜的化和物，按照色譜分析法可將其分解成瀝青質(zhì)、飽和酚、芳香酚和膠質(zhì)四種組分。研究表明：飽和酚和芳香酚都作為油分，在瀝青中起著潤(rùn)滑和柔軟作用，且均屬于定分子化合物，是非極性物質(zhì)，主要以范德華力與礦料表面發(fā)生吸附[3]。故與集料的粘附力較弱，很容易脫附。而膠質(zhì)與瀝青質(zhì)均為帶有極性或是表面活性物質(zhì)，瀝青中具有化學(xué)活性組分的瀝青酸、瀝青酸酐等極性組分基本都集中在膠質(zhì)和瀝青質(zhì)中，這些成分與集料表面發(fā)生化學(xué)吸附，故吸附力較強(qiáng)。此外，瀝青組分中屬于酸性的物質(zhì)有環(huán)烷酸、地瀝青酸。瀝青酸和瀝青酸酐是瀝青中活性最大組分，它改善了瀝青對(duì)礦物質(zhì)的浸潤(rùn)性，特別是提高了瀝青與集料的粘附強(qiáng)度。瀝青的酸性越大，與礦料的粘附性就越好，在瀝青混合料中瀝青從礦料表的剝落度越就小。

1.2集料性質(zhì)對(duì)瀝青與集料粘附性的影響

集料在瀝青混合料中與瀝青發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)作用，集料的化學(xué)性質(zhì)在很大程度上影響著混合料的物理力學(xué)性質(zhì)。集料的酸堿性也會(huì)影響到瀝青與集料的粘附性。一般認(rèn)為堿性較強(qiáng)的集料與瀝青的粘附性好，酸性集料與瀝青的粘附性差。[4]

此外，集料表面電荷及比表面積等性質(zhì)可以在很大程度上反應(yīng)集料與瀝青的粘附性。當(dāng)集料被粉碎成細(xì)顆粒作為分散相分散與介質(zhì)水中，在每個(gè)顆粒周圍會(huì)形成雙電層。由于在組成雙電層之間的擴(kuò)散層內(nèi)，存在著過(guò)剩反離子的靜電荷，這些離子在電場(chǎng)的作用下發(fā)生移動(dòng)。由于這些離子是水合離子，故在其本身運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，將帶動(dòng)水的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向取決于礦料表面普遍帶有電荷的性質(zhì)。礦料表面普遍帶有電荷的性質(zhì)不同，其方向也異，故可根據(jù)液體運(yùn)動(dòng)的方向判定礦料表面所帶電荷的性質(zhì)。而所測(cè)試的電勢(shì)，就是礦料與水兩相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的邊界處與液體內(nèi)部的電位差。這個(gè)電位的大小，在雙電層厚度一定的情況下，取決于礦料表面占主導(dǎo)地位的電荷密度，即電荷密度越大。研究表明：電位越大，即礦料表面的電荷密度越大，集料與瀝青的粘附性越好[5]。

1.3水及荷載對(duì)集料和瀝青粘附性的影響

影響瀝青與集料粘附性的因素除了瀝青、集料本身的性質(zhì)等內(nèi)因外，還包括水和荷載等外因。水及交通荷載的存在是瀝青與集料發(fā)生粘附性破壞而剝落的先決條件。潔凈的集料在干燥條件下與瀝青粘附良好，然而水在瀝青路面施工過(guò)程中，并在以后會(huì)慢慢滲出入瀝青集料的界面之間，水分就很容易浸潤(rùn)到集料與瀝青的界面上，導(dǎo)致瀝青膜被水置換，發(fā)生剝落。交通荷載的反復(fù)作用是加速水損壞進(jìn)程的重要因素。當(dāng)路面上有水分時(shí)，汽車的通過(guò)會(huì)形成一種水力沖刷現(xiàn)象，在輪胎前面的水受輪胎擠壓擠入路表面的空隙中，造成水壓力，輪胎通過(guò)后在輪胎的后方又形成負(fù)壓，將空隙中的水吸出，這種擠入和吸出的反復(fù)循環(huán)，便形成了水力沖刷，使集料松散、掉粒、繼而成為坑槽而造成路面破壞。

二粘附性試驗(yàn)方法

1.1水浸法

水浸法是日本的標(biāo)準(zhǔn)方法，試驗(yàn)時(shí)選用20顆已用瀝青拌和裹覆的石料，浸泡在80℃的恒溫水槽中30min，然后評(píng)價(jià)瀝青膜剝落面積的百分率。與水煮法相比，水浸法的溫度恒定，沒(méi)有人為因素；但水沒(méi)有沸騰，完全處于靜止?fàn)顟B(tài)，更缺乏水力的沖刷作用，所以要延長(zhǎng)時(shí)間到30min來(lái)彌補(bǔ)。與水煮法一樣，水浸法同樣存在主觀因素對(duì)剝落率的評(píng)價(jià)影響大的缺點(diǎn)。

1.2 水煮法

水煮法在我國(guó)應(yīng)用非常廣泛，適用于基質(zhì)瀝青、改性瀝青、經(jīng)過(guò)熱處理的摻加抗剝落劑的瀝青。大致步驟為：將集料至于105±5℃烘箱中1h，將瀝青加熱，將加熱的集料顆粒浸入瀝青45s后取出，掛于試驗(yàn)架上15min。將冷卻的集料顆粒浸入保持微沸狀態(tài)的水中，3min后觀察瀝青膜剝落情況。水煮法因?yàn)槠渑袛嘟Y(jié)果人為肉眼判斷，故主觀因素導(dǎo)致有時(shí)試驗(yàn)結(jié)果區(qū)分度不大，很難判斷兩種外觀接近的試驗(yàn)事件那個(gè)粘附性能更好，并且沒(méi)有建立與現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)關(guān)系。但水煮法亦具有試驗(yàn)時(shí)間短、設(shè)備簡(jiǎn)單、容易操作、瀝青膜剝落情況直觀明顯等優(yōu)點(diǎn)。

1.3光電比色法

光電比色法的基本原理是基于物質(zhì)在光的激發(fā)下，對(duì)光波長(zhǎng)的選擇性吸收，而有各自的吸收，而有各自的吸收光帶，當(dāng)已色散后的光譜通過(guò)某一溶液時(shí)，某些波長(zhǎng)的光線會(huì)被溶液吸收，在通過(guò)溶液的濃度、液層厚度成正比。光電分光光度計(jì)就是將透過(guò)溶液的光線通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器將光能裝轉(zhuǎn)換成電能，從指示器上讀出相應(yīng)的吸光度，通過(guò)吸光度與濃度的關(guān)系曲線，可以得到原集料及裹覆瀝青膜的集料在吸附試驗(yàn)后染料殘留的濃度，并計(jì)算出原集料的吸附量，混合料剝落試驗(yàn)后的吸附量，以及瀝青膜的剝落率。光電比色法測(cè)得的粘附性指標(biāo)完全量化，試驗(yàn)過(guò)程中人為因素影響較小。但是試驗(yàn)操作要求較高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)普遍偏大，因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)果不僅包括了瀝青自礦料表面剝落的百分率，也包括了瀝青自礦料表面剝離但未剝落的百分率率。

三 結(jié)論

1、瀝青與集料粘附性的試驗(yàn)方法有很多，其中水煮法和水浸法屬于半量化的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果受人為因素的影響較大，但操作簡(jiǎn)單；光電比色法和凈吸附法屬于量化的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果受人為影響因素小，但是試驗(yàn)操作復(fù)雜。

2、影響瀝青和集料粘附性的因素有很多，其中瀝青、集料、水及荷載的影響更為顯著。一般認(rèn)為，瀝青的酸性越大，與礦料的粘附性就越好；堿性較強(qiáng)，礦料表面的電荷密度越大的集料與瀝青的粘附性越好；而水及交通荷載的存在是瀝青與集料發(fā)生粘附性破壞而剝離的先決條件。

3、瀝青與集料的粘附是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，目前，有力學(xué)理論、化學(xué)反應(yīng)理論、分子定向理論、靜電理論等四種理論可用來(lái)解釋其粘附機(jī)理。但以上幾種理論均是從瀝青與集料粘附機(jī)理的某一方面進(jìn)行的解釋，任何一種單獨(dú)的理論都無(wú)法全面系統(tǒng)地解釋瀝青與集料的粘附性。