不同材料对改善沥青与集料粘附性研究进展

耿九光，陈帅，刘光军，周恒玉，刘润喜

(1.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064；2.中交二公局第四工程有限公司，陕西 西安 710000)

近些年来，在交通量不断增长的情况下，沥青路面产生了多种早期损坏现象，水损害是沥青路面最典型早期损害之一。研究表明，产生路面水损害现象的根本原因是沥青与集料的粘附性不足，最终使得沥青从集料表面剥离从而导致路面发生破坏[1]。针对沥青与集料粘附性问题，虽然许多国内外学者分别从集料的类别、棱角性、孔隙率、酸碱值等方面对其进行了广泛的研究，然而对集料与沥青粘附性的改善措施并没有详细的总结[2-5]。本文拟通过综述国内外研究现状，总结不同种材料对沥青与集料粘附性改善的研究，并且提出不同材料在沥青与集料粘附性改善措施中存在的问题与今后的发展方向。

1 无机材料对沥青与集料粘附性的改善

消石灰与水泥作为无机材料之一，由于水泥和消石灰自身是种活性较高的碱性材料，且其中的碱性成分可以与沥青中的羟酸反应，形成的产物对集料表面有更强的吸附能力，从而使得集料与沥青的粘附性增强。

1.1 消石灰对沥青与集料粘附性的改善

消石灰的比表面积能达7 000 cm2/g以上，远高于比表面积为2 500～3 000 cm2/g石灰岩矿粉，这就使得集料与沥青间分子力增大。消石灰可与沥青中有机酸发生反应，生成物使集料表面活化，提高了沥青与集料粘附性[6]。除此外，将消石灰加入沥青混合料中，有利于沥青在集料表面形成微孔吸附，增强沥青与集料粘附性[7]。

消石灰作为传统的无机材料之一，特别是在施工技术方面被广泛应用于沥青与集料的粘附性改善。Johansson等[8]认为消石灰作为填充剂与沥青反应，在强度方面产生了一些有益的效果，进而使得沥青与集料粘附性增强。杜顺成等[6]研究表明，掺加1%消石灰的沥青混合料可以有效地增强沥青混合料抗剥落性能力，提高抗水损害能力。张勇指出水泥和消石灰对沥青混合料的水稳定性能均有明显的提高[9]。美国联邦公路总局通过对各种添加剂比较，最终认为效果最好最稳定的是消石灰[10]。消石灰成本低、效果好，是一种实用型的抗剥落添加剂，但在实际应用消石灰中不同程度的掺杂有未充分熟化的生石灰，将对沥青混合料产生不良的影响[11]。

1.2 水泥对沥青与集料粘附性的改善

水泥作为活性矿粉的替代品之一，当水泥与乳化沥青混合后会吸收其中的水分发生一系列水化反应。如图1所示，水泥水化产生的纤维状水化产物向四周的空间发展，与沥青膜相互渗透交织在一起，形成光滑的曲面[12]。部分水泥与沥青分子发生化学吸附，形成一层薄膜，增强了沥青与骨料间的粘附性，从而提高了混合料的水稳定性[13]。

图1 水泥沥青胶浆SEM图[14]Fig.1 SEM image of cement asphalt cement

水泥是一种活性较高的碱性材料，将水泥代替矿粉可以使水泥中的碱性成分和沥青中的酸性成分反应，形成的产物具有更强的吸附能力，增强了沥青与集料的粘附性。Dong等[15]通过微观分析得到沥青混合料表面由细小颗粒边缘有少量皱纹的光滑表面转变为具有凝胶结构的粗糙表面。当沥青薄膜在冻融循环中被破坏时，水泥会与渗入的水分发生水化反应，生成的水化产物会逐渐变强封闭裂缝或空隙，弥补混合料的强度损失。Jie等[16]用水泥代替填料，实验结果表明，含水泥填料沥青混合料抗水损害性显著。

韦泽鹏等[17]通过研究认为水泥的掺入使得沥青与集料的粘附性增强，当水泥替代20%～40%矿粉时可以改善沥青混合料的水稳定性。谢海超等[18]研究表明，掺入水泥可以增加对沥青的吸附能力，从而使沥青与集料的粘附性增强。马本刚等[19]通过添加液体抗剥落剂与水泥对比，结果表明水泥对沥青混合料的水稳定性改善效果更加明显与稳定。

综上所述，虽然水泥对沥青混合料的水稳定性有很大的提升，但是针对不同的级配，不同的沥青混合料路用性能，水泥替代矿粉的量都会不同，而且在实际应用中还要根据施工条件与区域气候而定[20]。

2 高分子材料对沥青与集料粘附性的改善

随着科技发展，在道路工程领域中，研究人员将高分子材料应用于改善沥青与集料粘附性中，并取得了良好的效果。在沥青与集料粘附性改善过程中最具有代表性的高分子材料为高分子抗剥落剂材料。当前使用的高分子抗剥落剂以胺类抗剥落剂为主[21]。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，因此胺类抗剥落剂的使用受到质疑。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。

2.1 胺类抗剥落剂

将抗剥落剂加入沥青中会与集料表面及部分碳氢作用生成结合物，碳氢长烃链在亲水性集料与憎水性的沥青的界面之前形成桥接，形成耦连作用，从而增强了沥青与集料间粘附性[24]。Zhang等[25]研制一种新型胺类抗剥落剂，结果表明，该新型抗剥落剂对沥青与集料的粘附性有很好的改善作用。Nazirizad等[26]研究结果表明，液体抗剥落剂制备的混合料与加入消石灰的混合料相比，前者具有更强的相关性和更好的抗水损害性。

张晨旭等[27]研发的一种新型胺类抗剥落剂对沥青与酸性花岗岩石料粘附性的改善效果明显，且在温度为170 ℃下保持良好活性。吴登睿等[7]将水泥与胺类抗剥落剂复合使用，结果表明沥青混合料水稳定性得到了很大提升。胺类抗剥落剂本身为表面活性剂，即只与集料接触的沥青膜才能发挥作用。再者，大部分胺类抗剥落剂对酸性集料的吸附能力有限，且胺类抗剥落剂耐热性差。因此，在使用胺类抗剥落剂时要根据不同的集料类型选择不同类别与掺量的胺类抗剥落剂。

2.2 非胺类抗剥落剂

非胺类抗剥落剂目前在市场上开发应用较少，在此仅以磷羟基非胺类抗剥落剂为例。见图2，酸性集料表面与空气水蒸气接触会活化产生大量的羟基，当将含磷羟基抗剥落剂加入沥青中，在沥青与集料间发生化学反应，抗剥落剂的作用是将沥青与集料紧紧的拉在一起，增强两者的粘附性[28]。

刘飞等[29]研究表明，碱渣与非胺类抗剥落剂混合使用会使沥青混合料的水稳性能更佳。朱大章等[30]首次制备了含磷羟基的非胺类抗剥落剂，掺入沥青后可以大大地提高沥青与酸性集料的粘附性。肖富荣等[31]以表面活性剂为原料，研发了一种污染小，可再生的非胺类抗剥落剂。张苛等[32]建议非胺类抗剥落剂最佳掺量范围为沥青用量的0.5%～0.7%。从上述可知非胺类抗剥落剂有效地避免了胺类抗剥落剂的缺陷，但是并非所有的非胺类抗剥落剂对沥青与集料的改善效果都非常好，其长期性能如何还应该根据具体的实际情况而定。

图2 含磷基抗剥落剂化学吸附Fig.2 Phosphate-based anti-stripping agent chemisorption

3 新型材料对沥青与集料粘附性的改善

对于酸性石料，由于其二氧化硅含量较高，以往研究人员将其应用在道路的主要方式是向其中掺入碱性石料。近些年来，新型硅烷偶联剂和新型纳米抗剥落剂的研发解决了这一难题，由于其含有特殊的化学结构能与石料表面的Si—OH键发生反应，从而增强沥青与酸性集料间的粘附性。

3.1 新型硅烷偶联剂

硅烷偶联剂是一种具有双极性基团的有机化合物，通过形成分子“桥”来改善基体与硅烷功能化合物之间的相互作用[33]。沥青混合料中，沥青与集料的界面是沥青混合料最薄弱的环节。以往的研究人员大部分是通过改性沥青以达到提高集料与沥青粘附性能的目的，然而改性后的沥青多次加热后易被老化，且存在储存困难等问题[34]。李美霞等[35]研发的新型硅烷界面改性剂对酸性石料表面进行改性，在沥青与集料相接触的界面间形成一层致密的过渡层，使得相邻两相发生物理化学作用，从而增强了沥青与集料间的粘附性。

沥青与集料间的粘附性问题除了对集料改性外，还可以通过对填料与纤维等物质改性来提高沥青与集料的粘附性。Yu等[33]采用硅烷偶联剂(KH-550)溶液对纤维表面进行改性，通过增加纤维表面的粗糙度来增强沥青与纤维的化学结合，从而提高沥青与集料的粘附性。由图3可知，经过硅烷偶联剂处理前后对比，处理后的纤维表面更加粗糙，则沥青与纤维粘附性更好。Xie等[36]用硅烷偶联剂处理粉煤灰(CFAM)填料，处理后的填料与消石灰粉相比，掺加粉煤灰沥青混合料的水稳定性更好。主要原因为偶联剂的“桥联作用”使沥青与填料之间的粘结性能得到改善，从而使集料与沥青结合增强，因此表现为经过硅烷偶联剂处理的粉煤灰有更好的抗水损害性。而Ameri[37]和Arabani等[38]通过研究新纳米有机硅烷抗剥落剂对沥青-集料界面影响来提高沥青混合料的抗水损害性。

图3 KH-550处理纤维前后的EDS结果Fig.3 EDS results before and after KH-550 treatment of fibersa.处理前；b.处理后

3.2 新型纳米材料

随着科技的发展，特别近些年随着纳米材料的出现，一些研究人员将其应用在沥青与集料粘附性方面，结果发现纳米材料对沥青混合料水稳定性起到很好的改善效果。Sarkar等[39]研制了一种新型的水溶性纳米添加剂材料。Arabani和Behbahani等[40-41]实验表明，水溶性纳米添加剂可以增强沥青与集料的粘附性。Nejad等[42]将纳米添加剂加入到热拌沥青混合料，结果表明沥青混合料的水稳定性与其它性能都有很大程度的改善。

季志博等[43]从微观分析了添加纳米材料后集料的总表面自由能减小、碱性增大，使其与沥青有更强的粘附性。由于硅质集料如花岗岩表面的氧化硅与空气中的水反应后生成硅烷醇，从而在集料表面形成极性的亲水基团，纳米材料通过与集料表面的硅烷醇基反应生成结合物，并在集料表面形成疏水性优异的疏水层，从而使沥青与集料的抗水剥落能力增强。李进才等[44]研制的纳米沥青抗剥落剂(NAS)不仅可以提高沥青与酸性集料表面的粘附性，同时还使得混合料具有抗老化性。张国宏等[45]发现聚酰胺纳米复合材料由于酰胺基团的存在可有效提升沥青与酸性集料粘附性。

上述两种改善沥青与集料粘附性的新型材料虽然可以提高二者的粘附性，但其对酸性集料的改善作用较为明显，对其它类型的集料改善效果不显著，需要进一步的研究与探讨。

4 结束语

综上所述，无机材料、高分子材料及新型改性材料等不同类型的材料对沥青与集料的粘附性都有显著的提升。但是，目前也存在着一些待解决的问题。针对不同配合比的沥青混合料水泥的掺量不确定；消石灰的细度难以控制，且在使用时很难避免会掺加生石灰。高分子聚合物材料胺类抗剥落剂耐热性差，受热易分解，非胺类抗剥落剂种类较少且耐久性未知，有待进一步的研究。硅烷偶联剂与新型纳米材料对改善沥青混合料粘附性具有一定效果，但其仅对含Si较多的酸性石料有很大的作用，对其它类型的石料改性并不是都很理想，因此，在现场使用时应根据现场试验或者模拟试验来确定参数后使用。