抗剥落剂对花岗岩改性沥青混合料水稳定性的影响

黄丽卿，赖晓龙，孙华

福建林业职业技术学院 交通工程系，福建 南平 353000

0 引言

沥青混凝土面层承受气候环境和交通荷载等因素的综合作用，道路表面需要满足平整、密实、粗糙、耐磨的要求[1]。福建省地处我国沥青路面气候分区的夏炎热冬温潮湿(1-4-1)区，沥青路面应具有良好的水稳定性和足够的抗滑能力[2]。按酸碱性质，沥青面层粗集料一般分为碱性、中性和酸性，其中碱性集料与沥青的黏附性能较好，中性次之，酸性最差，因此石灰岩等碱性集料常作为沥青混合料的最佳选择[3-5]，而花岗岩等酸性集料常作为备选[6-8]。石料是一种不可再生资源，大规模的土木工程建设导致碱性和中性等优质集料储量减少。以花岗岩为典型代表的酸性集料质地坚硬、耐磨，存储量较大，若能将其合理运用，可有效缓解碱性和中性集料匮乏地区的道路建设压力[9-11]。

采用抗剥落剂可改善沥青与酸性集料的黏附性，早期采用水泥、石灰等无机类材料作为抗剥落剂[12-13]，相关研究表明，无机类抗剥落剂取代部分矿粉能明显改善沥青混合料的水稳定性和高温稳定性，但因其分散性不佳，易结团，在沥青混合料中分布不均匀，在实际工程中应用效果不佳。在工程项目中，以纳米型材料、硅烷偶联剂等为代表的新型抗剥落剂处于试验研究阶段[14]，胺类与非胺类等聚合物抗剥落剂应用较广泛，其中非胺类抗剥落剂在改善酸性石料与沥青的黏附性能方面比消石灰和胺类抗剥落剂更具有优势[15-21]。

本文分析3种非胺类抗剥落剂对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene，SBS)改性沥青的针入度、软化点和延度等性能的影响，研究抗剥落剂对花岗岩集料与SBS沥青黏附性能的影响，对掺加抗剥落剂的花岗岩沥青玛蹄脂碎石(stone matrix asphalt，SMA)改性混合料进行马歇尔试验、浸水肯塔堡飞散试验等，测试掺加抗剥落剂的花岗岩SMA-13改性沥青混合料的水稳定性和浸水飞散损失比等性能，以期在道路建设中可广泛采用花岗岩作为粗集料。

1 原材料

1.1 沥青

试验采用SBS改性沥青(I-D类)，其技术指标符合文献[22]的要求，性能测试结果如表1所示。

表1 SBS改性沥青性能测试结果

1.2 粗集料

采用粒径为9.5～13.2 mm的花岗岩和石灰岩粗集料，按文献[23]测定其物理、力学指标，结果如表2所示。

表2 粗集料的物理、力学指标测试结果

由表2可知：花岗岩集料和石灰岩集料的各项指标均满足文献[23]要求，且花岗岩集料总体性能优于石灰岩；花岗岩集料的压碎值和洛杉矶磨耗损失比石灰岩集料分别小24.39%、26.80%，磨光值比石灰岩集料高22.92%，说明花岗岩集料的抗压碎性能、耐磨性能和抗滑性能均优于石灰岩集料。

1.3 抗剥落剂

选取3种非胺类抗剥落剂进行优选试验。Ⅰ号抗剥落剂是非离子有机胺的表面活性剂，能提高沥青混合料的抗低温冻裂、抗车辙、抗疲劳等性能；Ⅱ号和Ⅲ号抗剥落剂是有机高分子活性化合物，水稳定性、热稳定性较好，与各类沥青相容性较好；Ⅲ号抗剥落剂高温长效性(163 ℃持续高温48 h)较好，耐老化性优于Ⅱ号抗剥落剂。3种非胺类抗剥落剂的技术指标如表3所示。

表3 3种非胺类抗剥落剂的技术指标

1.4 其他材料

采用石灰岩石屑为细集料，磨细的石灰岩石粉为矿粉。细集料干燥、洁净、无风化、无杂质；矿粉干燥、洁净，无团粒结块。细集料和矿粉的试验结果满足规范[23]的技术指标。采用木质纤维素为稳定剂，木质纤维素与SBS改性沥青的质量比为0.4%。

2 SBS改性沥青混合料的性能试验

2.1 抗剥落剂

以SBS改性沥青为基质，抗剥落剂与SBS改性沥青的质量比为0.3%，按文献[24]分别测定针入度、软化点和延度3个性能指标，结果如表4所示。

表4 不同抗剥落剂对SBS改性沥青性能的影响

由表4可知，抗剥落剂对SBS改性沥青的3个性能指标起到一定的改善作用。掺入不同抗剥落剂后，SBS改性沥青的针入度有所降低，软化点有所升高但变化不大，延度有所增大。加入Ⅲ号抗剥落剂后，SBS改性沥青的针入度比不加抗剥落剂的SBS改性沥青减少12.24%，延度比不加抗剥落剂的SBS改性沥青增大9.19%，表明Ⅲ号抗剥落剂可增大SBS改性沥青的黏度，SBS改性沥青的高温稳定性变好，塑性和低温抗裂性变好。

因此，Ⅲ号抗剥落剂对SBS改性沥青性能的影响优于Ⅰ号和Ⅱ号抗剥落剂。

2.2 SBS改性沥青与集料的黏附性

文献[24]规定，采用水煮法检验沥青与粗集料表面的黏附性时应选择最大粒径大于13.2 mm的集料，水浸法则选择最大粒径不大于13.2 mm的集料。

本试验采用水浸法检验SBS改性沥青与花岗岩集料表面的黏附性。为了模拟SBS改性沥青和抗剥落剂共同老化后与花岗岩的黏附性能，SBS改性沥青与抗剥落剂经旋转薄膜烘箱加热试验(rotating thin film oven test ，RTFOT)老化后，与花岗岩集料进行水浸法试验，结果如表5所示。

表5 SBS改性沥青与花岗岩集料黏附性的水浸法试验结果

由表5可知，加入3种抗剥落剂在一定程度上能提高SBS改性沥青与花岗岩的黏附性。对于未进行RTFOT老化的SBS改性沥青，加入3种抗剥落剂后的效果相同，黏附等级由原来的3级均提高到5级，满足夏炎热冬温潮湿区对沥青黏附性的要求。经RTFOT老化后，掺加Ⅰ号、Ⅱ号抗剥落剂的SBS改性沥青与花岗岩的黏附等级为4级，而掺加Ⅲ号抗剥落剂的SBS改性沥青的黏附等级为5级，说明掺加Ⅲ号抗剥落剂后SBS改性沥青的耐热性和长期稳定性优于掺加Ⅰ号、Ⅱ号抗剥落剂的SBS改性沥青。

2.3 花岗岩沥青混合料的性能

2.3.1 马歇尔试验

按照文献[22]中SMA沥青混合料的标准级配建议，对SMA-13-石灰岩、SMA-13-Ⅲ号抗剥落剂-花岗岩进行目标配合比设计，通过马歇尔试验确定花岗岩SMA-13和石灰岩SMA-13的矿料级配，如表6所示，其最佳油石比和马歇尔试验结果如表7所示。

表6 2种SMA-13混合料通过筛孔的质量分数 %

表7 2种SMA-13混合料的马歇尔试验结果

由表6可知：2种SM-13混合料的矿料级配均满足文献[22]要求。

由表7可知：3种SMA-13混合料的各项指标均满足文献[16]的要求，空隙率较小，有利于防止改性沥青混合料水损害的发生。掺加Ⅲ号抗剥落剂的花岗岩SMA-13改性沥青混合料的马歇尔稳定度比未掺加Ⅲ号抗剥落剂的花岗岩SMA-13改性沥青混合料提高了13.45%，说明加入抗剥落剂能提高花岗岩集料和SMA-13改性沥青的黏结力，有利于提高改性沥青混合料的抗变形能力。

2.3.2 水稳定性

根据文献[24]要求，采用浸水法马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性，试验结果如表8所示。

表8 各沥青混合料的水稳性试验结果

由表8可知：未掺加抗剥落剂的花岗岩SMA-13改性沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比不能满足夏炎热冬温潮湿区对沥青混合料水稳定性能的要求，而掺加Ⅲ号抗剥落剂后，花岗岩SMA-13改性沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比未掺加Ⅲ号抗剥落剂的花岗岩SMA-13改性沥青混合料分别提高17.21%、15.86%，比未掺加抗剥落剂的石灰岩SMA-13沥青混合料提高1.67%、0.93%，说明在改性沥青中掺加抗剥落剂可以明显改善花岗岩SMA-13改性沥青混合料的抗水损坏能力，花岗岩SMA-13改性沥青混合料的水稳定性能优于石灰岩SMA-13改性沥青混合料。

2.3.3 浸水肯塔堡飞散试验

如果沥青路面上面层的集料与沥青间的黏附性较差，容易造成沥青薄膜在动水压力的反复作用下剥落，造成严重的水损害破坏。

为评价花岗岩集料与SMA-13改性沥青的黏结性，在室内对SMA-13-石灰岩、SMA-13-花岗岩、SMA-13 -Ⅲ号抗剥落剂-花岗岩进行浸水肯塔堡飞散试验，3种混合料的浸水飞散损失比分别为8.7%、9.2%、5.5%，试验结果均满足规范[16]要求。掺加Ⅲ号抗剥落剂的花岗岩SMA-13改性沥青混合料浸水飞散损失比比不掺加Ⅲ号抗剥落剂的花岗岩SMA-13改性沥青混合料降低40.22%，且比石灰岩SMA-13改性沥青混合料降低36.78%，说明抗剥落剂有效增强了花岗岩集料与改性沥青间的黏结力，花岗岩SMA-13改性沥青混合料的黏结效果优于石灰岩SMA-13改性沥青混合料。

3 结论

1)非胺类抗剥落剂均能改善花岗岩与SBS改性沥青的黏附性能。掺加抗剥落剂将SBS改性沥青与花岗岩集料的黏附性由原来的2～3级提高到5级。

2)掺加Ⅲ号抗剥落剂的花岗岩SMA-13改性沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比比未掺加Ⅲ号抗剥落剂的石灰岩SMA-13沥青混合料分别提高1.67%、0.93%，浸水飞散损失比降低36.78%，说明选择优质的花岗岩集料和抗剥落剂能有效提高花岗岩SMA-13改性沥青混合料的水稳定性，可满足夏炎热冬温潮湿区对沥青材料的性能要求，花岗岩SMA-13改性沥青混合料的水稳定性优于同级配的石灰岩SMA-13改性沥青混合料。