道路酸性石料表面活化与粘附性研究

张 天 （江苏沿江高速公路有限公司，江苏 常熟 215500）

0 前言

我国高速公路的发展从80年代末开始起步，经历了80年代末至1997年的起步建设阶段和1998年至今的快速发展阶段。截止2018年底，我国公路网总里程达到了485.6万km，其中高速公路里程达到了14.25万km，居世界第一位。

由于沥青路面具有建设速度快、力学性能好、施工周期短、平整度好、行车舒适性好以及养护维修简单等优点，我国90%以上的高速公路均采用的是沥青路面。由于沥青呈酸性，与碱性或中性石料的粘附性较好，混合料的水稳定性高，有效减少了沥青路面的水损病害，沥青混合料所用石料多为石灰岩、玄武岩等碱性或中性石料。酸性石料具有良好的耐磨性、抗磨耗、强度高等性能，但其SiO2含量过高并且易与沥青发生化学反应的Ca2+、Mg2+离子较少，导致酸性石料与沥青的粘附性较差，这使得在道路建设中难以广泛应用。

随着近几年我国高速公路的发展，石灰岩等碱性石料大量开采和使用，用于沥青路面铺筑的优质石料越来越少。此外，碱性石料在我国分布地域差异大，部分碱性石料匮乏地区高速公路沥青路面施工时，不得不从外地调运合格的碱性石料，而当地丰富的酸性石料却因与沥青粘附性差而无法使用，不仅增加了工程运输成本，也造成了极大的资源浪费。

本文针对上述问题，提出了采用表面处理剂处理酸性石料表面，使酸性石料表面活化以提高其与沥青的粘附性，改善酸性石料沥青混合料的水稳定性。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

选用产自海南的花岗岩为主要研究的酸性石料，选用产自浙江湖州的石灰岩和玄武岩作为花岗岩的对比石料，试验石料化学成分见表1；选用南通通沙沥青科技有限公司所生产的SBS改性沥青和70#道路石油沥青作为试验沥青；选用高分子、无机材料作为酸性石料的表面处理剂，具体成分见表2。

1.2 粘附性试验试验方案设计

采用5组表面经过处理的花岗岩石料、1组表面未经处理的花岗岩石料、1组石灰岩石料、1组玄武岩石料，进行表面处理剂与石料、沥青与石料的粘附性对比试验。每组试验石料的用量均为1kg（石料粒径均大于等于13.2mm），再从1kg的试验石料中选出30～50个形状接近立方体的单个规则石料，进行单个石料的粘附性试验研究。

2 实验结果与讨论

2.1 表面处理剂与石料的粘附性

图1 表面处理剂与石料的粘附性

分析图1可知，AS-2、AS-3这两种处理材料在试验石料表面粘附性能非常好，没有任何脱落情况，AS-5由于裹附固结后表面存在水泥灰，水煮时存在一定的质量损失，而AS-1因为固化时间较短所以与试验石料的粘附性并不理想；4种表面处理剂在热老化条件下，与试验石料的热老化性能均较好基本不受热老化的影响，尤其是AS-3这种处理材料热老化性能非常好。热老化性能的良好可保证当表面处理剂运用到实际道路中时，表面处理剂与花岗岩的粘附界面不受高温的破坏；AS-2、AS-3，2种表面处理剂不受紫外老化的影响，与试验石料粘附时紫外老化性能较好。由于AS-5为无机材料的原因，所以在紫外老化的影响下，表面处理剂与试验石料的粘附界面遭到一定破坏，有轻微的脱落情况；通过耐磨试验4种表面处理剂与试验石料的耐磨性能均较好基本没有什么差异，所以基本可以排除摩擦而导致表面处理剂从花岗岩表面脱落。

试验石料的化学成分 表1

酸性集料表面处理剂 表2

综上所述，根据4种性能的综合分析在表面处理剂与酸性花岗岩石料的粘附性研究阶段本文所优选出的表面处理剂为AS-2和AS-3。

2.2 沥青与石料的粘附性

图2 沥青与原样石料的粘附性

分析图2可得出以下2个结论。

①沥青性能角度：70#道路石油沥青裹附下的3种试验石料，在直接水煮过后试验石料表面的沥青有明显的大面积脱落情况，质量损失都比较大，粘附性能均较差，尤其是花岗岩表面的沥青几乎全部脱落，与SBS改性沥青裹附试验石料的质量损失比形成了鲜明的对比，验证了沥青的性能尤其是沥青的粘度性能对沥青与石料的粘附性是一个很大的影响因素。

②石料成分角度：花岗岩石料因为SiO2含量高而易与沥青发生化学反应的Ca2+、Mg2+含量又少的原因，不管是与SBS改性沥青还是70#道路石油沥青裹附，粘附性能、热老化性能、紫外老化性能均较差，而石灰岩和玄武岩经SBS改性沥青裹附后，在这4种不同条件下石料表面的沥青几乎没有大面积脱落的情况，验证了沥青与酸性石料粘附性差的事实。

图3 SBS改性沥青与花岗岩石料的粘附性

分析图3可得出以下3个结论。

①经第一阶段优选出的表面处理剂AS-3裹附的试验石料，在热老化的条件下石料表面沥青有明显脱落，热老化性能较差；经AS-1与AS-5处理过后的试验石料裹附SBS改性沥青的4种性能均不占优，4种条件下石料表面沥青都有明显脱落的痕迹。

②经AS-2处理过后的石料裹附SBS改性沥青的粘附性能、热老化性能、紫外老化性能、耐磨性能在优于其它4种处理材料的同时，也都优于表1、图3中的石灰岩和玄武岩与SBS改性沥青裹附的4种性能。这说明经AS-2处理的酸性石料表面已经完全被活化，其表面碱性已经大于优质碱性石料的碱性，使得其与SBS改性沥青的粘附性有了很大的提升。

③AS-4表面处理剂由于浓度较大的原因本文通过热喷和冷浸两种处理方式使其裹附至石料表面，从图3中可以清晰的看出采用热喷处理方式的石料裹附SBS改性沥青的4种性能都远优于冷浸的处理方式，可以得出石料进行表面处理时的温度对沥青与石料的粘附性也是一个重要的影响因素。与此同时，AS-4（热喷）在与除AS-2处理材料以外其它处理材料的对比下，各方面的性能均占优。

综上所述，本文在SBS改性沥青与酸性花岗岩石料粘附性研究阶段，所优选出的表面处理剂是AS-2和AS-4（热喷）。

图4 70#道路石油沥青与花岗岩石料的粘附性

分析图4可得出以下3个结论。

①单一从耐磨试验来看，70#道路石油沥青与5种表面经处理石料的耐磨性能均较好，同SBS改性沥青与试验石料的耐磨性能一样，不会受到摩擦因素的影响。

②经AS-4热喷处理过后的石料裹附70#道路石油沥青，在直接水煮下试验石料表面的70#道路石油沥青脱落不明显，粘附性能较好，且对比图2中的石灰岩、玄武岩碱性、中性试验石料也很占优，而通过冷浸处理后的粘附性能比并不是很理想，石料表面沥青有大片脱落痕迹，同样也证明了处理温度对粘附性的影响。

③由于AS-3处理材料的碱性偏弱，所以经AS-3处理过后的石料裹附70#道路石油沥青在直接水煮下，沥青从石料表面大面积脱落，粘附性能较差。

综上所述，本文在70#道路石油沥青与酸性花岗岩石料粘附性研究阶段，所优选出的表面处理剂是AS-4（热喷）。

根据四个阶段的对比研究，本文选定AS-2、AS-4（热喷）为优质表面处理剂。

3 结论

①表面处理剂采用热喷的方式裹附至石料表面的粘附效果优于冷浸的效果，验证了处理温度对粘附性的影响。

②花岗岩的SiO2含量高而Ca2+、Mg2+含量又低，导致沥青与花岗岩的粘附性较差。

③SBS改性沥青粘度高的特点使得其与石料的粘附性优于70#道路石油沥青与石料的粘附性，验证了沥青的性能对粘附性也是一个重要的影响因素。

④通过表面处理剂裹附方式效果的对比、与石灰岩和玄武岩的对比研究以及不同性能的试验验证，优选出AS-2和AS-4两种表面处理剂。