提升瀝青路面抗水損害能力措施綜述

王玉林， 徐寧， 盧東

( 1.甘肅恒和交通設(shè)施安裝有限公司， 甘肅 蘭州 730030； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064；3.長安大學(xué) 材料學(xué)院， 陜西 西安 710064)

水損害是指水分侵入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，導(dǎo)致混合料強度降低，在車輛荷載等作用下使路面逐漸出現(xiàn)掉粒、松散及結(jié)構(gòu)性破壞等問題[1]。水損害是中國高速公路瀝青路面早期損壞的主要表現(xiàn)形式，嚴(yán)重降低了瀝青路面的路用性能，縮短道路使用壽命。因此，采用綜合措施提升瀝青路面抗水損害能力尤為重要。

1 瀝青路面水損害機理

水損害常以兩種內(nèi)在形式出現(xiàn)，即黏聚破壞和黏附破壞，如圖1所示。黏聚破壞是指在水的作用下瀝青變軟，致使集料間的瀝青開裂；黏附破壞是指水分進入瀝青和集料界面，發(fā)生置換、乳化等作用，導(dǎo)致瀝青與集料黏結(jié)力喪失，瀝青從集料表面剝離。

圖1 瀝青混合料內(nèi)的水損害特征

目前的研究更多偏向于瀝青和集料間的黏附破壞[2]。研究人員提出了機械黏附理論、化學(xué)反應(yīng)理論、表面能理論、極性理論等一系列理論定性描述瀝青與集料的黏附機理，并基于上述黏附理論揭示水損害機理[3]。然而瀝青路面水損害機理尚未統(tǒng)一，目前主要有以下幾種破壞機理[4-8]：

(1) 置換：水對于集料的潤濕作用強于瀝青，其滲透進入集料與瀝青界面后，減小了瀝青與集料的黏結(jié)面積，最終使瀝青膜沿集料表面完整脫離，但瀝青膜并沒有嚴(yán)重破損。當(dāng)水分消散，瀝青和集料重新受熱后，兩者又能形成較好的黏結(jié)力。道路實際環(huán)境并不能提供這樣的條件，因此在車輛荷載作用下，瀝青混合料逐漸松散。

(2) 撕裂：當(dāng)瀝青膜有破損時，水沿破損處進入集料表面并向四周擴散而使瀝青膜剝落。集料表面黏附不完整，集料銳利的邊角處瀝青膜破裂，集料表面瀝青膜上的小孔等都會導(dǎo)致瀝青膜被剝落，致使瀝青從集料表面分離。

(3) 乳化：瀝青與水接觸的瞬間會發(fā)生乳化現(xiàn)象。當(dāng)乳化進行到一定程度時，瀝青和集料便失去了黏結(jié)性，進而出現(xiàn)剝離、剝落等問題。

(4) 凍脹：溫度較低時，進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水結(jié)成冰體積會增大，強大的膨脹力破壞了瀝青混合料的黏結(jié)性。

(5) 空隙水壓：瀝青混合料中空隙不能相互接觸，置于空隙中的水在車輛荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生的應(yīng)力梯度，促使水流動產(chǎn)生水壓?？障端畨菏鼓z漿產(chǎn)生微裂縫，并逐漸使瀝青膜破裂脫落。

(6) 水力沖刷：飽水面層在車輛荷載作用下的結(jié)果。滲透和回抽是水力沖刷的機理。此外，當(dāng)集料孔隙有鹽，或者鹽溶液，產(chǎn)生了滲透梯度，驅(qū)動水分穿透瀝青膜，從而加速瀝青膜破壞。

(7) pH失衡：瀝青與集料的黏附性受侵入水pH值影響很大。瀝青和集料界面pH值穩(wěn)定，可以最大程度降低黏附失效的可能，形成強力持久的黏附能力。水的pH值影響瀝青和集料的接觸角。當(dāng)進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水受到鹽溶液的影響而pH值發(fā)生變化時會增大瀝青膜剝落的可能性。

2 提升瀝青混合料抗水損害能力措施

從水損害機理可以看出：水進入瀝青-集料界面導(dǎo)致瀝青從集料表面剝離是水損害的根本來源。因此，可從以下兩個方面提升瀝青混合料抗水損害能力：① 改善瀝青與集料的黏附性；② 減少水分進入瀝青路面。通常情況下，合理選擇原材料、添加抗剝落劑等可以改善瀝青與集料的黏附性，在路面結(jié)構(gòu)、施工等方面采取合適措施可減少水分進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，有效提升瀝青路面水穩(wěn)定性。因此，該文從原材料、抗剝落劑、路面結(jié)構(gòu)、施工控制措施4個方面對改善瀝青路面抗水損害能力的措施進行總結(jié)，以期采用科學(xué)的方法緩解瀝青路面的水損害問題。

2.1 采用良好的路面材料

2.1.1 基質(zhì)瀝青

瀝青中瀝青質(zhì)、芳香分、飽和分、膠質(zhì)等組分比例對黏附性有一定的影響。膠質(zhì)在瀝青中起稠化劑作用，其黏度遠(yuǎn)大于飽和分和芳香分，因此，膠質(zhì)含量對瀝青和集料黏附性的影響程度較高[9]。蔡婷[10]研究表明:瀝青黏度與膠質(zhì)含量有較好的相關(guān)性，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)與各種礦料的黏附性最好，而飽和分與礦料的黏附性最差；Zhao，PH等[11]研究指出芳香環(huán)的縮合指數(shù)越大，烷基碳含量越低，越有助于提高瀝青的界面活性；周衛(wèi)峰等[12]對瀝青酸值、接觸角、含蠟量及黏度與黏附性關(guān)系進行了探索，研究指出從瀝青角度來講,使用酸值大、黏度大、含蠟量小、擊穿電壓小的瀝青可以提高黏附性，改善瀝青混合料抗水損害能力。

總體來說，工程應(yīng)用時，應(yīng)選擇黏性較大，不含或少含對水敏感組分的瀝青。此外，對瀝青改性也可以相應(yīng)提高瀝青混合料抗水損害能力。

2.1.2 改性瀝青

改性瀝青作為一種有效提升瀝青品質(zhì)的途徑，在工程實踐中取得了較好的使用效果，其不僅具有較好的耐久性，還具有出色的水穩(wěn)定性[13]。常用的瀝青改性劑有以下幾類：聚合物改性劑(熱塑性橡膠類、橡膠類、樹脂類)、填充類改性劑(天然瀝青、硫磺等)、纖維類改性劑(聚合物纖維、礦物纖維等)、納米粒子類改性劑(納米氧化鋅、納米二氧化硅、納米蒙脫土等)。

(1) 聚合物改性劑

聚合物改性劑中常用的是SBS、SBR、PE、EVA 4種改性劑。其中SBS改性劑因其全面的改性效果而被廣泛應(yīng)用。SBS改性劑是一種丁二烯和1,3-苯乙烯為單體的熱塑性彈性體，其苯乙烯段(S)和丁二烯鏈段(B)具有兩個不同的玻璃化溫度，使得SBS高溫下具有塑性，低溫下具有橡膠特性。此外，SBS在瀝青中能形成一種獨立的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并且改善瀝青的黏度[14]。經(jīng)SBS改性后，瀝青發(fā)生上述一系列變化，高低溫性能得到改善，且抗水損害能力也得到大幅提高。

(2) 填充類改性劑

天然瀝青改性瀝青因其良好的路用性能而被廣泛應(yīng)用于機場跑道、橋面鋪裝、高速公路等。Li，L等[15]研究指出，用巖瀝青改性基質(zhì)瀝青后，瀝青微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，同時瀝青的溫度敏感性降低，水穩(wěn)定性增強；張恒龍[16]研究表明，特立尼達湖瀝青(TLA)加入瀝青中改變了基質(zhì)瀝青中各組分的相互作用，增大瀝青黏度，從而對提高瀝青混合料水穩(wěn)定性有積極作用。此外，硫磺對瀝青混合料的水穩(wěn)定性也有相應(yīng)的改善作用。硫磺奪取瀝青中的氫生成硫化氫，同時和瀝青分子發(fā)生交換作用生成含硫基團，改變了瀝青組成和性質(zhì)，增強瀝青混合料內(nèi)部的黏聚力，從而提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性；于海臣、孫立軍等[17]研究表明，硫磺可以改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但摻量應(yīng)控制為20%～25%，當(dāng)硫磺摻量較高時，單質(zhì)形態(tài)存在的硫磺提高了混合料的粉膠比，一定程度上會降低瀝青與集料的黏附性。

(3) 纖維類改性劑

纖維類改性劑可以縱橫交錯分布在瀝青混合料中，并發(fā)揮加筋作用、穩(wěn)定作用、增黏作用，增強瀝青與集料間的黏附性，因此可以提高瀝青混合料水穩(wěn)定性。常用的纖維類改性劑包括聚酯纖維、玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維等。Yin,CL等[18]研究指出，玄武巖纖維改善了瀝青-礦料間的界面結(jié)合強度，并提升了瀝青黏性，與不添加玄武巖纖維的瀝青混凝土相比，其具有更好的耐久性和水穩(wěn)定性；趙穎華等[19]研究表明，聚酯纖維在瀝青中呈立體分布，在“加筋”和“橋接”作用下將瀝青和集料有機結(jié)合，提高了水穩(wěn)定性。但聚酯纖維摻量較大時出現(xiàn)凝聚和結(jié)團現(xiàn)象，因此其摻量應(yīng)控制為0.2%～0.25%[20]；包塔納[21]研究表明：由木質(zhì)素纖維、聚酯纖維組成的復(fù)合纖維可以大幅提高瀝青混合料的抗水損害能力，復(fù)合改性后的瀝青混合料水穩(wěn)定性優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

(4) 納米粒子類改性劑

王萌等[22]探究了碳納米管改性瀝青的黏附性，陳涵召等[23]對納米ZnO改性瀝青混合料進行了研究，孫璐[24]探究了納米SiO2對瀝青的改性效果，結(jié)果表明，這些納米粒子改性劑在一定程度上均可以提高瀝青混合料的抗水損壞能力。但目前這些納米粒子改性劑成本昂貴，且在瀝青中容易出現(xiàn)團聚，不能充分發(fā)揮納米粒子的改性效果[25]?？傮w來說，目前納米材料改性劑技術(shù)還有待進一步深入研究。

2.1.3 集料

瀝青只是影響?zhàn)じ叫缘囊粋€方面，除此之外，集料的酸堿性、表面電荷性質(zhì)、表面特征等方面對黏附性也有較大的影響。合理選擇集料，在一定程度上也可以提高瀝青混合料抗水損害能力。

(1) 集料的酸堿性

通常情況下，按SiO2含量大于65%、65%～52%及小于52%，依次將集料分為酸性、中性和堿性。瀝青與集料界面存在物理作用和化學(xué)作用，但化學(xué)作用分子鍵力遠(yuǎn)強于物理作用。研究表明：堿性集料易于與瀝青表面瀝青酸等活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而改善瀝青-礦料間界面結(jié)合強度[26]。因此，工程應(yīng)用時應(yīng)首選堿性集料。然而，優(yōu)質(zhì)的堿性石料并非用之不竭，同時，酸性集料耐磨性好，硬度大，一定程度上也是良好的路面材料，可見，如何提高酸性集料與瀝青黏附性也是當(dāng)前需要解決的問題。

(2) 集料表面改性

浙江省大中型水庫工程負(fù)債平均3 953.33萬元，全省每個水庫平均年收入1 367.67萬元，負(fù)債是年收入的2.89倍。從地區(qū)來看，溫州市大中型水庫平均負(fù)債最高，平均每個水庫負(fù)債為63 994.67萬元，其中珊溪水利樞紐累計負(fù)債170 000萬元；金華最低，平均負(fù)債為2 603萬元。

酸性集料具有優(yōu)良力學(xué)性能，工程建設(shè)中也會大量使用酸性集料。為了克服酸性集料與瀝青黏附性不佳的問題，可對集料進行表面改性[27]。集料表面改性主要依靠改性劑在集料顆粒表面的吸附、反應(yīng)、包覆等，實現(xiàn)集料親油疏水的目的，同時使集料與瀝青間產(chǎn)生鍵橋連接[28]。楊平等[29]研究了油溶性和水溶性兩種不同體系的界面改性劑對集料-瀝青黏附性的影響，兩種改性劑組成如表1、2所示，其研究指出：0.6%水溶性改性劑和0.6%油溶性改性劑對瀝青混合料的抗水損害能力提高程度最明顯。此外，硅烷偶聯(lián)劑，聚乙烯(高密度、低密度)等也被用作集料界面改性劑，可以明顯提高酸性集料與瀝青的黏附性[30-31]。

表1 油溶性界面改性劑組成成分

表2 水溶性界面改性劑組成成分

(3) 集料表面電荷

集料表面往往分布著不同電位和性質(zhì)的電荷。周衛(wèi)峰等[32]研究表明，集料的Y電位大小可以反映集料與瀝青黏附性大小關(guān)系，Y電位越大,集料與同種瀝青的黏附性越好；陳實等[33]研究表明,集料的ζ電位為正值時,其值越大,與瀝青的黏附性也越大;ζ電位為負(fù)值時,其絕對值越大,與瀝青的黏附性越差；陳燕娟[34]研究表明：集料的Zeta電位越大，瀝青的黏附等級就越高。通過上述研究可以看出，一定程度上可通過電位法為集料選擇提供幫助。

(4) 集料表面特征

集料表面特征是指集料在加工過程中因諸多因素綜合作用而殘留在集料表面的各種不同形貌和表面特征，包括表面粗糙度、表面空隙率、表面粉末等。集料表面紋理豐富，可增大瀝青與集料表面的接觸面積及兩者之間的機械黏附力。集料表面具有一定的孔隙，瀝青可浸入集料孔隙之中，形成微孔吸附[35]。此時孔隙及孔隙周圍的瀝青膜能更牢固吸附于集料表面，改善了瀝青與集料的黏附行為，增強了瀝青與集料的機械黏附力，如圖2所示。此外，楊文峰[36]研究表明，集料表面的粉塵對瀝青混合料水穩(wěn)定性有害，應(yīng)盡量保持集料潔凈干燥。為了降低粉塵對瀝青和集料黏附性的影響，可采用消石灰處理表面有黏土、粉塵的集料?？偟膩碚f，在工程應(yīng)用時，應(yīng)優(yōu)先選擇潔凈干燥、表面粗糙度大、具有一定空隙率的集料。

圖2 瀝青的孔隙吸附

2.2 添加抗剝落劑

抗剝落劑是提升瀝青路面水穩(wěn)定性的重要措施，在工程中也得到廣泛應(yīng)用?？箘兟鋭┰诓煌瑫r期具有不同代表性的產(chǎn)品類型[37]，其發(fā)展歷程如表3所示。水泥、消石灰等是較早使用的無機抗剝落劑，對改善瀝青與集料的黏附性具有良好的效果，但工藝復(fù)雜。隨著抗剝落劑產(chǎn)品的發(fā)展，高分子聚合物類抗剝落劑開始被大量使用。

表3 抗剝落劑的發(fā)展歷程

(1) 水泥、消石灰

水泥和消石灰等無機抗剝落劑可以改善瀝青與集料的界面黏附行為。裹附在集料表面的抗剝落劑富含堿性物質(zhì)(CaO等)，可與界面瀝青中的酸性物質(zhì)反應(yīng)，形成強有力的化學(xué)黏結(jié)，其也可以置換集料表面的K+、N+、H+等，起到表面活化劑作用[38]。此外，消石灰可改善集料表面孔隙結(jié)構(gòu)，其裹附在集料表面形成的多孔粗糙覆蓋層可促進瀝青發(fā)生微孔吸附，增強瀝青與集料的機械黏附力[38]。然而，水泥、消石灰等無機抗剝落劑摻量對混合料油石比、壓實度等影響較大[39]。日本《瀝青路面綱要》提出水泥和消石灰摻量為1%～3%時對黏附性的提升最大；劉濤[40]研究指出，對于消石灰復(fù)配水泥型抗剝落劑，消石灰復(fù)配水泥(質(zhì)量比1∶2)劑量為1.5%時對瀝青混合料水穩(wěn)定性改善效果最佳。

胺類抗剝落劑多以脂肪族胺為基礎(chǔ)，是一種表面活性化合物，目前應(yīng)用較多。這類抗剝落劑帶有大量正電荷的極性基團，與酸性集料表面所帶的負(fù)電荷二者相吸，產(chǎn)生較強的吸附作用。因此，其可增強瀝青與集料的黏附性，圖3為胺類抗剝落劑的作用機理示意圖。相關(guān)研究表明，胺類抗剝落劑在160 ℃左右會產(chǎn)生分解、蒸發(fā)，穩(wěn)定性及耐久性相對較差[41]。因此，工程采用胺類抗剝落劑時應(yīng)控制拌和溫度。

圖3 胺類抗剝落劑增強黏附性機理

(3) 非胺類抗剝落劑

非胺類抗剝落劑多以有磷羥基類為基礎(chǔ)。研究表明[42]，在瀝青中添加0.4%的非胺類抗剝落劑，不但可以改善瀝青與石料的黏附性，尤其是酸性石料(花崗巖)，且在薄膜烘箱老化后，其黏附性也不會降低；而胺類抗剝落劑，雖然在老化前可以提高瀝青與各種石料的黏附性，但在熱老化后效果大大降低，所以非胺類抗剝落劑比胺類抗剝落劑的耐熱性要好。但并不是所有非胺類的抗剝落劑效果都要比胺類抗剝落劑好，抗剝落劑在某種程度上與集料的種類有一定的配伍性。因此，抗剝落劑的選擇宜通過試驗確定。

(4) 新型抗剝落劑

Zycosoil納米抗剝落劑是目前研究最多的新型抗剝落劑，其熱穩(wěn)定性及性能優(yōu)良。Behbahani H[43]研究表明：Zycosoil作為抗剝落劑可以改善瀝青混合料的力學(xué)性能和水穩(wěn)定性；鐘志峰[44]研究指出，Zycosoil納米抗剝落劑可促使花崗巖集料表面硅醇(Si-OH)親水基團轉(zhuǎn)變?yōu)楣柩?Si-O)疏水基團，從而改善酸性集料與瀝青的黏附性。不同巖性的集料表面均具有硅醇(Si-OH)親水性基團。Zycosoil納米材料加入混合料中，其使親水的硅醇(Si-OH)基團轉(zhuǎn)為疏水的硅氧(Si-O)基團，從而在集料表面形成疏水分子層，并形成分子級的化學(xué)膠結(jié)，提高瀝青和集料的黏附性，其反應(yīng)機理如圖4所示。

圖4 Zycosoil納米抗剝落劑作用機理

此外，瀝青與集料相互作用過程中，Zycosoil納米抗剝落劑可大幅提高瀝青中參與膠結(jié)的組分比例，使瀝青中參與膠結(jié)的極性基團膠結(jié)組分由5%～10%提升至90%～95%，從而提高瀝青與集料間的黏附性[44]。但Zycosoil納米抗剝落劑價格昂貴，還未在中國普及。

2.3 優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)

(1) 設(shè)置防水層

為了防止雨水等滲透進入瀝青內(nèi)部產(chǎn)生沖刷、唧漿等破壞，需設(shè)置瀝青路面防水層。中國高速公路較常見的防水層種類有單層或雙層表面處治、細(xì)粒式或砂粒式瀝青混合料、乳化瀝青或改性乳化瀝青稀漿封層以及SBS改性瀝青防水層[45]，其特點如表4所示。

表4 防水層種類及特點

從表4可以看出：與其他幾種防水層材料不同，聚合物SBS改性瀝青防水層高溫抗剪性能好、抗裂性好、施工速度快。此外，聚合物SBS改性瀝青防水層曾在京石高速、京滬高速、商開高速、廣深高速等罩面工程中應(yīng)用，效果良好[46]。建議采用聚合物SBS改性瀝青作為瀝青路面的防水層材料。

(2) 完善路面排水設(shè)計

水分長期滯留在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)整體強度降低。為了防止水分對路面結(jié)構(gòu)的影響，提高瀝青路面抗水損害能力，僅阻止水分進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部是不夠的，還需及時排出已進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分，目前主要的排水設(shè)計如表5所示[47]。對排水基層而言，應(yīng)具有較好的密水性和較大的孔隙以便排水，從而間接提升路面抗水損害能力[48]。

表5 排水設(shè)計

2.4 施工控制措施

(1) 提高壓實度標(biāo)準(zhǔn)，減小現(xiàn)場空隙率

路面空隙率小于8%，水分不易進入瀝青混合料內(nèi)部。當(dāng)路面實際空隙率大于15%時，水可以從路面孔隙中排除，不會存留在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。上述情況均不易造成路面結(jié)構(gòu)水損害問題。然而，當(dāng)空隙率介于兩者之間時，水分會滯留在瀝青混合料內(nèi)部，在車輛荷載作用下極易產(chǎn)生動水，從而破壞路面結(jié)構(gòu)的整體性。當(dāng)空隙率為8%～10%時，瀝青路面水損害最為嚴(yán)重。沙慶林[49]總結(jié)了瀝青路面水損害的原因，指出應(yīng)提高瀝青混合料壓實度要求，表面層壓實度不小于98%，中、底面層不小于97%，并建議表面層空隙率不大于6%，中底面層不大于7%。

(2) 減少離析和壓實不均勻的影響

瀝青路面離析可分為級配離析、溫度離析和壓實離析，這也是路面局部水損害的重要原因[50]。為了提升瀝青路面抗水損壞能力，應(yīng)盡量減小路面離析和壓實不均勻。總結(jié)相關(guān)文獻[51-52]，可從以下方面減小瀝青路面離析問題：選擇合理的集料粒徑，盡量使用變異性小的均勻潔凈集料；控制拌和、運輸、攤鋪過程中瀝青混合料溫度；嚴(yán)格控制施工工藝，避免雨季、寒冷潮濕條件下施工；確定合適的攤鋪厚度、碾壓工藝等，并及時對路面進行檢測。

3 結(jié)語

瀝青路面水損害機理復(fù)雜，不同的理論從不同角度揭示了瀝青-集料的黏附-剝落機理。提高瀝青-集料黏附性，并防止水分進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部是提升瀝青路面抗水損害能力的兩個主要方向，這一點已達成共識。合理選擇原材料、添加抗剝落劑、優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)、控制施工質(zhì)量等措施均可以提高瀝青路面抗水損害能力，但應(yīng)根據(jù)具體的情況綜合考慮加以選擇。