耿九光，陳帥，劉光軍，周恒玉，劉潤(rùn)喜

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.中交二公局第四工程有限公司，陜西 西安 710000)

近些年來(lái)，在交通量不斷增長(zhǎng)的情況下，瀝青路面產(chǎn)生了多種早期損壞現(xiàn)象，水損害是瀝青路面最典型早期損害之一。研究表明，產(chǎn)生路面水損害現(xiàn)象的根本原因是瀝青與集料的粘附性不足，最終使得瀝青從集料表面剝離從而導(dǎo)致路面發(fā)生破壞[1]。針對(duì)瀝青與集料粘附性問(wèn)題，雖然許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從集料的類(lèi)別、棱角性、孔隙率、酸堿值等方面對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究，然而對(duì)集料與瀝青粘附性的改善措施并沒(méi)有詳細(xì)的總結(jié)[2-5]。本文擬通過(guò)綜述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)不同種材料對(duì)瀝青與集料粘附性改善的研究，并且提出不同材料在瀝青與集料粘附性改善措施中存在的問(wèn)題與今后的發(fā)展方向。

1 無(wú)機(jī)材料對(duì)瀝青與集料粘附性的改善

消石灰與水泥作為無(wú)機(jī)材料之一，由于水泥和消石灰自身是種活性較高的堿性材料，且其中的堿性成分可以與瀝青中的羥酸反應(yīng)，形成的產(chǎn)物對(duì)集料表面有更強(qiáng)的吸附能力，從而使得集料與瀝青的粘附性增強(qiáng)。

1.1 消石灰對(duì)瀝青與集料粘附性的改善

消石灰的比表面積能達(dá)7 000 cm2/g以上，遠(yuǎn)高于比表面積為2 500～3 000 cm2/g石灰?guī)r礦粉，這就使得集料與瀝青間分子力增大。消石灰可與瀝青中有機(jī)酸發(fā)生反應(yīng)，生成物使集料表面活化，提高了瀝青與集料粘附性[6]。除此外，將消石灰加入瀝青混合料中，有利于瀝青在集料表面形成微孔吸附，增強(qiáng)瀝青與集料粘附性[7]。

消石灰作為傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)材料之一，特別是在施工技術(shù)方面被廣泛應(yīng)用于瀝青與集料的粘附性改善。Johansson等[8]認(rèn)為消石灰作為填充劑與瀝青反應(yīng)，在強(qiáng)度方面產(chǎn)生了一些有益的效果，進(jìn)而使得瀝青與集料粘附性增強(qiáng)。杜順成等[6]研究表明，摻加1%消石灰的瀝青混合料可以有效地增強(qiáng)瀝青混合料抗剝落性能力，提高抗水損害能力。張勇指出水泥和消石灰對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能均有明顯的提高[9]。美國(guó)聯(lián)邦公路總局通過(guò)對(duì)各種添加劑比較，最終認(rèn)為效果最好最穩(wěn)定的是消石灰[10]。消石灰成本低、效果好，是一種實(shí)用型的抗剝落添加劑，但在實(shí)際應(yīng)用消石灰中不同程度的摻雜有未充分熟化的生石灰，將對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生不良的影響[11]。

1.2 水泥對(duì)瀝青與集料粘附性的改善

水泥作為活性礦粉的替代品之一，當(dāng)水泥與乳化瀝青混合后會(huì)吸收其中的水分發(fā)生一系列水化反應(yīng)。如圖1所示，水泥水化產(chǎn)生的纖維狀水化產(chǎn)物向四周的空間發(fā)展，與瀝青膜相互滲透交織在一起，形成光滑的曲面[12]。部分水泥與瀝青分子發(fā)生化學(xué)吸附，形成一層薄膜，增強(qiáng)了瀝青與骨料間的粘附性，從而提高了混合料的水穩(wěn)定性[13]。

圖1 水泥瀝青膠漿SEM圖[14]Fig.1 SEM image of cement asphalt cement

水泥是一種活性較高的堿性材料，將水泥代替礦粉可以使水泥中的堿性成分和瀝青中的酸性成分反應(yīng)，形成的產(chǎn)物具有更強(qiáng)的吸附能力，增強(qiáng)了瀝青與集料的粘附性。Dong等[15]通過(guò)微觀分析得到瀝青混合料表面由細(xì)小顆粒邊緣有少量皺紋的光滑表面轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心z結(jié)構(gòu)的粗糙表面。當(dāng)瀝青薄膜在凍融循環(huán)中被破壞時(shí)，水泥會(huì)與滲入的水分發(fā)生水化反應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物會(huì)逐漸變強(qiáng)封閉裂縫或空隙，彌補(bǔ)混合料的強(qiáng)度損失。Jie等[16]用水泥代替填料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含水泥填料瀝青混合料抗水損害性顯著。

韋澤鵬等[17]通過(guò)研究認(rèn)為水泥的摻入使得瀝青與集料的粘附性增強(qiáng)，當(dāng)水泥替代20%～40%礦粉時(shí)可以改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。謝海超等[18]研究表明，摻入水泥可以增加對(duì)瀝青的吸附能力，從而使瀝青與集料的粘附性增強(qiáng)。馬本剛等[19]通過(guò)添加液體抗剝落劑與水泥對(duì)比，結(jié)果表明水泥對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性改善效果更加明顯與穩(wěn)定。

綜上所述，雖然水泥對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性有很大的提升，但是針對(duì)不同的級(jí)配，不同的瀝青混合料路用性能，水泥替代礦粉的量都會(huì)不同，而且在實(shí)際應(yīng)用中還要根據(jù)施工條件與區(qū)域氣候而定[20]。

2 高分子材料對(duì)瀝青與集料粘附性的改善

隨著科技發(fā)展，在道路工程領(lǐng)域中，研究人員將高分子材料應(yīng)用于改善瀝青與集料粘附性中，并取得了良好的效果。在瀝青與集料粘附性改善過(guò)程中最具有代表性的高分子材料為高分子抗剝落劑材料。當(dāng)前使用的高分子抗剝落劑以胺類(lèi)抗剝落劑為主[21]。但是由于胺類(lèi)物質(zhì)耐熱性差，在高溫下極易分解，從而喪失部分或全部作用，因此胺類(lèi)抗剝落劑的使用受到質(zhì)疑。與其相比，非胺類(lèi)抗剝落劑具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗剝落性能優(yōu)良等特點(diǎn)，因而具有很好的發(fā)展空間。

2.1 胺類(lèi)抗剝落劑

將抗剝落劑加入瀝青中會(huì)與集料表面及部分碳?xì)渥饔蒙山Y(jié)合物，碳?xì)溟L(zhǎng)烴鏈在親水性集料與憎水性的瀝青的界面之前形成橋接，形成耦連作用，從而增強(qiáng)了瀝青與集料間粘附性[24]。Zhang等[25]研制一種新型胺類(lèi)抗剝落劑，結(jié)果表明，該新型抗剝落劑對(duì)瀝青與集料的粘附性有很好的改善作用。Nazirizad等[26]研究結(jié)果表明，液體抗剝落劑制備的混合料與加入消石灰的混合料相比，前者具有更強(qiáng)的相關(guān)性和更好的抗水損害性。

張晨旭等[27]研發(fā)的一種新型胺類(lèi)抗剝落劑對(duì)瀝青與酸性花崗巖石料粘附性的改善效果明顯，且在溫度為170 ℃下保持良好活性。吳登睿等[7]將水泥與胺類(lèi)抗剝落劑復(fù)合使用，結(jié)果表明瀝青混合料水穩(wěn)定性得到了很大提升。胺類(lèi)抗剝落劑本身為表面活性劑，即只與集料接觸的瀝青膜才能發(fā)揮作用。再者，大部分胺類(lèi)抗剝落劑對(duì)酸性集料的吸附能力有限，且胺類(lèi)抗剝落劑耐熱性差。因此，在使用胺類(lèi)抗剝落劑時(shí)要根據(jù)不同的集料類(lèi)型選擇不同類(lèi)別與摻量的胺類(lèi)抗剝落劑。

2.2 非胺類(lèi)抗剝落劑

非胺類(lèi)抗剝落劑目前在市場(chǎng)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用較少，在此僅以磷羥基非胺類(lèi)抗剝落劑為例。見(jiàn)圖2，酸性集料表面與空氣水蒸氣接觸會(huì)活化產(chǎn)生大量的羥基，當(dāng)將含磷羥基抗剝落劑加入瀝青中，在瀝青與集料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，抗剝落劑的作用是將瀝青與集料緊緊的拉在一起，增強(qiáng)兩者的粘附性[28]。

劉飛等[29]研究表明，堿渣與非胺類(lèi)抗剝落劑混合使用會(huì)使瀝青混合料的水穩(wěn)性能更佳。朱大章等[30]首次制備了含磷羥基的非胺類(lèi)抗剝落劑，摻入瀝青后可以大大地提高瀝青與酸性集料的粘附性。肖富榮等[31]以表面活性劑為原料，研發(fā)了一種污染小，可再生的非胺類(lèi)抗剝落劑。張苛等[32]建議非胺類(lèi)抗剝落劑最佳摻量范圍為瀝青用量的0.5%～0.7%。從上述可知非胺類(lèi)抗剝落劑有效地避免了胺類(lèi)抗剝落劑的缺陷，但是并非所有的非胺類(lèi)抗剝落劑對(duì)瀝青與集料的改善效果都非常好，其長(zhǎng)期性能如何還應(yīng)該根據(jù)具體的實(shí)際情況而定。

圖2 含磷基抗剝落劑化學(xué)吸附Fig.2 Phosphate-based anti-stripping agent chemisorption

3 新型材料對(duì)瀝青與集料粘附性的改善

對(duì)于酸性石料，由于其二氧化硅含量較高，以往研究人員將其應(yīng)用在道路的主要方式是向其中摻入堿性石料。近些年來(lái)，新型硅烷偶聯(lián)劑和新型納米抗剝落劑的研發(fā)解決了這一難題，由于其含有特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)能與石料表面的Si—OH鍵發(fā)生反應(yīng)，從而增強(qiáng)瀝青與酸性集料間的粘附性。

3.1 新型硅烷偶聯(lián)劑

硅烷偶聯(lián)劑是一種具有雙極性基團(tuán)的有機(jī)化合物，通過(guò)形成分子“橋”來(lái)改善基體與硅烷功能化合物之間的相互作用[33]。瀝青混合料中，瀝青與集料的界面是瀝青混合料最薄弱的環(huán)節(jié)。以往的研究人員大部分是通過(guò)改性瀝青以達(dá)到提高集料與瀝青粘附性能的目的，然而改性后的瀝青多次加熱后易被老化，且存在儲(chǔ)存困難等問(wèn)題[34]。李美霞等[35]研發(fā)的新型硅烷界面改性劑對(duì)酸性石料表面進(jìn)行改性，在瀝青與集料相接觸的界面間形成一層致密的過(guò)渡層，使得相鄰兩相發(fā)生物理化學(xué)作用，從而增強(qiáng)了瀝青與集料間的粘附性。

瀝青與集料間的粘附性問(wèn)題除了對(duì)集料改性外，還可以通過(guò)對(duì)填料與纖維等物質(zhì)改性來(lái)提高瀝青與集料的粘附性。Yu等[33]采用硅烷偶聯(lián)劑(KH-550)溶液對(duì)纖維表面進(jìn)行改性，通過(guò)增加纖維表面的粗糙度來(lái)增強(qiáng)瀝青與纖維的化學(xué)結(jié)合，從而提高瀝青與集料的粘附性。由圖3可知，經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理前后對(duì)比，處理后的纖維表面更加粗糙，則瀝青與纖維粘附性更好。Xie等[36]用硅烷偶聯(lián)劑處理粉煤灰(CFAM)填料，處理后的填料與消石灰粉相比，摻加粉煤灰瀝青混合料的水穩(wěn)定性更好。主要原因?yàn)榕悸?lián)劑的“橋聯(lián)作用”使瀝青與填料之間的粘結(jié)性能得到改善，從而使集料與瀝青結(jié)合增強(qiáng)，因此表現(xiàn)為經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理的粉煤灰有更好的抗水損害性。而Ameri[37]和Arabani等[38]通過(guò)研究新納米有機(jī)硅烷抗剝落劑對(duì)瀝青-集料界面影響來(lái)提高瀝青混合料的抗水損害性。

圖3 KH-550處理纖維前后的EDS結(jié)果Fig.3 EDS results before and after KH-550 treatment of fibersa.處理前；b.處理后

3.2 新型納米材料

隨著科技的發(fā)展，特別近些年隨著納米材料的出現(xiàn)，一些研究人員將其應(yīng)用在瀝青與集料粘附性方面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米材料對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性起到很好的改善效果。Sarkar等[39]研制了一種新型的水溶性納米添加劑材料。Arabani和Behbahani等[40-41]實(shí)驗(yàn)表明，水溶性納米添加劑可以增強(qiáng)瀝青與集料的粘附性。Nejad等[42]將納米添加劑加入到熱拌瀝青混合料，結(jié)果表明瀝青混合料的水穩(wěn)定性與其它性能都有很大程度的改善。

季志博等[43]從微觀分析了添加納米材料后集料的總表面自由能減小、堿性增大，使其與瀝青有更強(qiáng)的粘附性。由于硅質(zhì)集料如花崗巖表面的氧化硅與空氣中的水反應(yīng)后生成硅烷醇，從而在集料表面形成極性的親水基團(tuán)，納米材料通過(guò)與集料表面的硅烷醇基反應(yīng)生成結(jié)合物，并在集料表面形成疏水性?xún)?yōu)異的疏水層，從而使瀝青與集料的抗水剝落能力增強(qiáng)。李進(jìn)才等[44]研制的納米瀝青抗剝落劑(NAS)不僅可以提高瀝青與酸性集料表面的粘附性，同時(shí)還使得混合料具有抗老化性。張國(guó)宏等[45]發(fā)現(xiàn)聚酰胺納米復(fù)合材料由于酰胺基團(tuán)的存在可有效提升瀝青與酸性集料粘附性。

上述兩種改善瀝青與集料粘附性的新型材料雖然可以提高二者的粘附性，但其對(duì)酸性集料的改善作用較為明顯，對(duì)其它類(lèi)型的集料改善效果不顯著，需要進(jìn)一步的研究與探討。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無(wú)機(jī)材料、高分子材料及新型改性材料等不同類(lèi)型的材料對(duì)瀝青與集料的粘附性都有顯著的提升。但是，目前也存在著一些待解決的問(wèn)題。針對(duì)不同配合比的瀝青混合料水泥的摻量不確定；消石灰的細(xì)度難以控制，且在使用時(shí)很難避免會(huì)摻加生石灰。高分子聚合物材料胺類(lèi)抗剝落劑耐熱性差，受熱易分解，非胺類(lèi)抗剝落劑種類(lèi)較少且耐久性未知，有待進(jìn)一步的研究。硅烷偶聯(lián)劑與新型納米材料對(duì)改善瀝青混合料粘附性具有一定效果，但其僅對(duì)含Si較多的酸性石料有很大的作用，對(duì)其它類(lèi)型的石料改性并不是都很理想，因此，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或者模擬試驗(yàn)來(lái)確定參數(shù)后使用。