抗剥落剂对凝灰岩沥青混合料水稳定性的影响

林智 朱凯建 黄前龙

（1.浙江交投矿业有限公司，浙江 舟山 316000；2.河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056000；3.中路高科（北京）公路技术有限公司，北京 100088）

沥青路面对水分很敏感，水分的存在会降低沥青和集料间的黏附力，进而导致黏结失效[1]。水损害是沥青路面早期损害的主要形式之一[2，3]；造成沥青路面水损害的根本原因是沥青和集料间黏附性不足[4]。为了防止沥青路面损坏，国内外学者研究出抗剥落剂改善集料与沥青之间的黏附性能，进而提高沥青混合料的抗水损害性能[5]。抗剥落剂可增强沥青与集料之间的物理-化学结合作用，并降低沥青的表面张力改善其润湿性[6]。胺类抗剥落剂通过增加沥青的表面张力，减小与集料的接触角，从而改善与集料的黏附性；此外还在集料表面形成碱性电离层，进一步增强与酸性沥青之间的黏结力[7]。

本文基于《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[8]中沥青与集料黏附性试验（改进的水煮法试验），采用马歇尔试验和冻融劈裂试验研究凝灰岩沥青混合料的水稳定性能，探究抗剥落剂改善凝灰岩集料黏附性的效果，为凝灰岩集料在沥青路面的推广提供了一定的参考依据。

一、试验材料和方法

（一）原材料试验

沥青采用韩国双龙牌70＃基质沥青，其技术指标如表1所示；集料选用浙江地区的凝灰岩集料，其技术指标如表2所示。

表1 双龙70＃基质沥青基本性能

表2 凝灰岩集料基本性能

（二）级配设计

本文所采用的设计级配为AC-20C，根据《公路沥青路面施工技术规范》[9]最终级配设计如表3所示，级配设计曲线如图1所示。

试验方案采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中黏附性试验，在水煮法基础上改进，定量分析集料与沥青之间的黏附性；然后根据试验规程，对凝灰岩混合料及玄武岩沥青混合料采用马歇尔试验和冻融劈裂试验。

表3 AC-20C级配设计

图1 AC-20C级配设计曲线

二、沥青抗剥落剂及沥青黏附性试验

（一）抗剥落剂的选择

抗剥落剂的研究历经了4个阶段：第一代为无机类，主要以消石灰为代表，其优点是成本低、性能较好；第二代为金属皂化物，主要以皂角铁为代表，其优点是成本低、使用工艺简便，但是其与沥青易产生离析；第三代为表面活性剂，主要以季铵盐为代表，其优点是使用方便，但是原料成本较高，热稳定性较差；第四代为有机高分子类，主要以聚酰胺类聚合物为主，其优点是性能好、使用方便，但成本较高。当前使用的高分子抗剥落剂以胺类抗剥落剂为主。但是由于胺类物质耐热性差，在高温下极易分解，从而丧失部分或全部作用。与其相比，非胺类抗剥落剂具有化学性质稳定、抗剥落性能优良等特点，因而具有很好的发展空间。

本文研究了第四代高分子抗剥落剂，该抗剥落剂采用传统的非胺类抗剥落剂AMR型（A型），根据推荐比例掺量方案选用0.1%、0.3%、0.5%、0.7%的比例；胺类抗剥落剂PA-Ⅲ型（P型），根据推荐比例掺量方案选用0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的比例。

（二）沥青黏附性试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，首先是水煮法试验，传统的水煮法试验只是定性分析集料与沥青之间的黏附性，因此采用改进的水煮法试验，定量分析不同集料的黏附性能。首先称取集料自重m0、裹覆沥青后质量m1；然后通过标准水煮法评价集料的黏附性；最后增加不同的水煮时间，分别为3min、5min、10min和15min，并且称量水煮每一时刻后剩余集料的质量mi，得出每一时刻的质量损失率（%），计算过程如式（1）所示：

凝灰岩集料在标准试验规程、不同条件下的黏附等级如表4所示；在沥青中加入A型、P型两种抗剥落剂经水煮法试验后的质量损失率如图2、图3所示。

表4 凝灰岩集料在不同条件下的黏附等级

如图2所示，在掺加抗剥落剂后，沥青的质量损失呈明显的下降趋势；当A型抗剥落剂掺量为0.1%和0.3%时沥青质量损失率较高，在15min时分别达到64.40%、44.41%；而在0.5%和0.7%时，沥青质量损失率为27.32%、23.87%，变化幅度较小。因此，A型抗剥落剂掺量为0.5%时，集料与沥青之间的黏附性能改善较为明显。

图2 凝灰岩在A型抗剥落剂使用后的质量损失率

图3 凝灰岩在P型抗剥落剂使用后的质量损失率

如图3所示，未掺加抗剥落剂在15min时的沥青质量损失率高达69.39%；当P型抗剥落剂掺量为0.3%、0.5%时沥青质量损失率较高，在15min时沥青质量损失分别达到了60.70%、50.23%；而在0.7%和0.9%时，沥青质量损失率为38.49%、31.51%，变化幅度较小。因此P型抗剥落剂掺量为0.7%时，集料与沥青之间的黏附性能改善较为明显。

三、水稳定性能

根据表3设计配合比，按照试验规范制作混合料试件；本文通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验的残留稳定度和冻融劈裂强度比（TSR）指标评价其水稳定性能。试验结果如图4、图5所示，随着A型抗剥落剂的掺加，凝灰岩沥青混合料的残留稳定度及TSR明显提高，在掺量为0.5%时，其残留稳定度为95%、TSR值为93%。可以得出，在A型抗剥落剂掺量为0.5%时凝灰岩沥青混合料的水稳定性能较为优异。

图4 A型抗剥落剂凝灰岩沥青混合料浸水马歇尔试验结果

图5 A型抗剥落剂凝灰岩沥青混合料冻融劈裂试验结果

如图6、图7所示，随着P型抗剥落剂的掺加，凝灰岩沥青混合料的残留稳定度及TSR明显提高，在掺量为0.7%时，其残留稳定度为90%、TSR值为89%。可以得出，在P型抗剥落剂掺量为0.7%时凝灰岩沥青混合料的水稳定性能较为优异。

图6 P型抗剥落剂凝灰岩沥青混合料进水马歇尔试验结果

图7 P型抗剥落剂凝灰岩沥青混合料冻融劈裂试验结果

综上所述，当A型抗剥落剂掺量为0.5%时，凝灰岩沥青混合料的性能达到最优；当P型抗剥落剂掺量为0.7%时，凝灰岩沥青混合料的性能达到最优。

四、结语

首先通过水煮法试验得出：未掺加抗剥落剂时凝灰岩集料的黏附等级为3级，黏附性较差；当A型抗剥落剂掺量为0.5%时、P型抗剥落剂掺量为0.7%时凝灰岩集料黏附等级达到5级；然后通过改进的水煮法试验得出：掺加0.5%的A型抗剥落剂在15min时沥青的质量损失降低了42%；掺加0.7%的P型抗剥落剂在15min时沥青的质量损失降低了31%；最后通过马歇尔试验、冻融劈裂试验得出：在掺加抗剥落剂后，凝灰岩沥青混合料的水稳定性能大大提高，A型抗剥落剂的残留稳定度达到95%，冻融劈裂强度值达到93%；P型抗剥落剂的残留稳定度达到90%，冻融劈裂强度值达到91%。