鉴于花岗岩等酸性石料与沥青黏附性不好，其组成的沥青混合料水稳定性较差，易出现水损害等早期病害，因此，花岗岩在沥青面层中的应用受到较大限制。本文选用国内常用的三种抗剥落剂，分别制备不同掺量的沥青胶结料，对其技术指标和抗剥落性能进行研究分析，并确定了抗剥落剂最佳掺量。同时设计了花岗岩沥青混合料，进行沥青混合料的路用性能评价分析。 In view of the poor adhesion between granite and asphalt, and the poor water stability of the as-phalt mixture composed of granite, it is prone to water damage and other early diseases. Therefore, the application of granite in asphalt surface is greatly limited. In this paper, three kinds of anti-peeling agents which are commonly used in China are selected to prepare asphalt binder with different dosage, and their technical indexes and anti-peeling performance are studied and ana-lyzed, and the optimal dosage of anti-peeling agent is determined. At the same time, the granite asphalt mixture is designed and the road performance of the asphalt mixture is evaluated and an-alyzed.
鉴于花岗岩等酸性石料与沥青黏附性不好，其组成的沥青混合料水稳定性较差，易出现水损害等早期病害，因此，花岗岩在沥青面层中的应用受到较大限制。本文选用国内常用的三种抗剥落剂，分别制备不同掺量的沥青胶结料，对其技术指标和抗剥落性能进行研究分析，并确定了抗剥落剂最佳掺量。同时设计了花岗岩沥青混合料，进行沥青混合料的路用性能评价分析。
抗剥落剂，黏附性，10℃延度，软化点，水稳定性
Ping An1, Binghui Sun1, Zhengjun Ji2, Lei Zhao1
1Rizhao Highway Construction Co., Ltd., Rizhao Shandong
2Shandong Transportation Institute, Jinan Shandong
Received: Apr. 19th, 2021; accepted: May 19th, 2021; published: May 26th, 2021
In view of the poor adhesion between granite and asphalt, and the poor water stability of the asphalt mixture composed of granite, it is prone to water damage and other early diseases. Therefore, the application of granite in asphalt surface is greatly limited. In this paper, three kinds of anti-peeling agents which are commonly used in China are selected to prepare asphalt binder with different dosage, and their technical indexes and anti-peeling performance are studied and analyzed, and the optimal dosage of anti-peeling agent is determined. At the same time, the granite asphalt mixture is designed and the road performance of the asphalt mixture is evaluated and analyzed.
Keywords:Anti-Stripping Agent, Adhesiveness, 10℃ Ductility, Softening Point, Water Stability
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水损害已经成为我国高等级公路早期破坏的最重要原因之一。其中，产生水损害的一个主要原因是集料与沥青的黏附性差，尤其出现在花岗岩等酸性集料组成的沥青路面中 [
我国正处于公路建设的高峰期，基于环保等压力，石料开采资源匮乏，可用于公路施工的原材料供应极度紧张，花岗岩集料在路面的应用显得尤为重要 [
(1) 沥青
选择常用的70#-A级道路石油沥青，对其各项技术指标进行检测，结果见表1。
| 检测项目(单位) | 技术指标 | 检测结果 | |
|---|---|---|---|
| 针入度25℃，5 s，100 g (0.1 mm) | 60~80 | 69 | |
| 软化点(℃) | ≮46 | 47.5 | |
| 60℃动力黏度(Pa∙s) | ≮180 | 254 | |
| 10℃延度(cm) | ≮20 | 35 | |
| 15℃延度(cm) | ≮100 | >100 | |
| 薄膜加热试验 | 质量变化(%) | ≯±0.8 | -0.092 |
| 残留针入度比(%) | ≮61 | 75 | |
| 残留延度(10℃) (cm) | ≮6 | 7 | |
表1. 70#-A级道路石油沥青技术指标
(2) 集料
选定分布较广、产量较大的花岗岩来进行试验，作为一种典型的酸性集料，花岗岩一直在沥青路面中的使用受限，检测结果见表2。
| 检测项目 | 技术指标 | 检测结果 |
|---|---|---|
| 压碎值(%) | ≤26 | 23.2 |
| 表观相对密度 | ≥2.50 | 2.702 |
| 吸水率(%) | ≤3.0 | 0.73 |
| 粘附性(级) | — | 4 |
| 针片状颗粒含量(%) | ≤15 | 10.8 |
表2. 花岗岩技术指标
(3) 抗剥落剂
目前，市场上应用较为成熟的抗剥落剂主要分为胺类与非胺类两大类，其中，非胺类抗剥落剂的使用性能要优于胺类 [
| 检测项目 | A | B | C |
|---|---|---|---|
| 密度(g/cm3) | 1.01 | 0.99 | 0.96 |
| 推荐掺量 | 0.3%~0.6% | 0.4%~0.7% | 0.4%~0.6% |
| 类型 | 非胺类 | 胺类 | 非胺类 |
表3. 抗剥落剂技术参数
原则上参考厂家推荐的抗剥落剂掺量进行掺配，为了研究不同掺量下沥青胶结料的性能变化，选用了0%、0.3%、0.5%、0.7%四个掺量进行掺配试验。将掺配后的沥青试样进行高、低温性能、感温性、老化性等性能试验，具体包括针入度、延度、软化点及老化试验等。
(1) 抗剥落剂对针入度的性能影响
随着三种抗剥落剂掺量的增加，沥青针入度均呈现出递增趋势，结果见表4、图1。主要取决于抗剥落剂的加入增加了沥青的轻质组分 [
| 类型 掺量% | 针入度(0.1 mm) | ||
|---|---|---|---|
| A | B | C | |
| 0.0 | 69.0 | 69.0 | 69.0 |
| 0.3 | 70.1 | 70.5 | 69.5 |
| 0.5 | 70.8 | 72.0 | 72.9 |
| 0.7 | 72.5 | 72.6 | 74.2 |
表4. 针入度指标变化
图1. 不同掺量下沥青针入度指标的变化
另外，随着抗剥落剂的掺量增加，针入度增幅并不大，且无规律，表明抗剥落剂对沥青针入度指标影响不大。
(2) 抗剥落剂对延度的性能影响
沥青15℃延度指标已经没有太大的参考意义，本文采用10℃延度对沥青胶结料的低温性能进行评价，结果见表5、图2。
| 类型 掺量% | 10℃延度(cm) | ||
|---|---|---|---|
| A | B | C | |
| 0 | 35.0 | 35.0 | 35.0 |
| 0.3 | 38.4 | 38.9 | 38.8 |
| 0.5 | 39.2 | 40.1 | 40.7 |
| 0.7 | 38.1 | 39.2 | 40.5 |
表5. 延度指标变化
图2. 不同掺量下沥青延度指标的变化
随着抗剥落剂掺量的增加，沥青10℃延度均呈现先增长后衰减的趋势 [
可见，低掺量抗剥落剂对沥青低温性能有一定的改善作用，随着掺量的进一步增加，沥青10℃延度增长趋于平缓且出现拐点，表明抗剥落剂对沥青低温性能的改善存在一个最佳掺量，且最佳掺量在0.3%~0.5%。
(3) 抗剥落剂对软化点的性能影响
随着三种抗剥落剂掺量的增加，沥青软化点呈现出递减的趋势，但下降的幅度不大 [
| 类型 掺量% | 软化点(℃) | ||
|---|---|---|---|
| A | B | C | |
| 0 | 47.5 | 47.5 | 47.5 |
| 0.3 | 47.1 | 46.5 | 46.8 |
| 0.5 | 46.3 | 45.8 | 46.2 |
| 0.7 | 45.6 | 45.1 | 45.5 |
表6. 软化点指标变化
图3. 不同掺量下沥青软化点指标的变化
(4) 对集料黏附性的影响
根据三种抗剥落剂对沥青三大指标的影响，将三种抗剥落剂按照0.4%的比例掺加到熔融的沥青中并搅拌均匀，然后使用花岗岩骨料与掺加抗剥落剂后的沥青进行水煮法黏附性试验 [
| 集料 | 抗剥落剂类型 | 抗剥落剂掺量 | 黏附性等级 | 开始剥落时间(min) |
|---|---|---|---|---|
| 花岗岩 | 无 | 0 | 4 | 3 |
| A | 0.4% | 5 | 8 | |
| B | 5 | 4 | ||
| C | 5 | 6 |
表7. 花岗岩与不同抗剥落剂的黏附性试验结果
从黏附性试验结果可以看出，掺加抗剥落剂后，花岗岩的黏附性等级均从4级提升至5级。随着浸煮时间的增加，掺加B类抗剥落剂的沥青在4 min时首先出现剥落现象，而掺加A、C类抗剥落剂的沥青开始剥落时间分别达到了8 min和6 min。结果表明，非胺类抗剥落剂的抗剥落效果最好，同时考虑到经济性，决定将0.4%掺量作为三种抗剥落剂的最佳用量。
(1) 混合料配合比
采用花岗岩、70#A级道路石油沥青进行AC-25沥青混合料配合比设计，设计结果及参数见表8、图4。
| 通过率% | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 筛孔mm | 31.5 | 26.5 | 19 | 16 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.15 | 0.075 |
| 级配上限 | 100 | 90 | 76 | 68 | 47 | 28 | 18 | 11 | 4 | 3 |
| 级配下限 | 100 | 100 | 89 | 82 | 62 | 41 | 28 | 20 | 7 | 5 |
| 选定级配 | 100.0 | 97.1 | 84.0 | 76.7 | 55.3 | 34.8 | 23.5 | 16.9 | 6.9 | 4.8 |
表8. AC-25选定级配
图4. 级配曲线图
设计级配最佳沥青用量4.1%，沥青混合料马歇尔击实体积指标如下：
空隙率：4.4% 矿料间隙率：13.0% 饱和度：66.6%
稳定度：9.1 KN 流值：2.7 mm
(2) 汉堡轮辙试验
依据选定的级配和最佳沥青用量，配制沥青混合料并采用旋转压实仪成型直径150 mm试件，采用汉堡轮辙试验对设计混合料的高温稳定性及抗水损害能力进行检验。其中，抗剥落剂均按照最佳掺量0.4%来控制。汉堡轮辙试验结果见表9、图5。
| 变形量mm 类型 | 碾压次数(次) | ||
|---|---|---|---|
| 2500 | 5000 | 10,000 | |
| 无 | 8.5 | 9.7 | 11.6 |
| A | 4.5 | 5.0 | 6.1 |
| B | 6.8 | 7.6 | 8.9 |
| C | 3.9 | 5.1 | 7.0 |
表9. 汉堡轮辙试验结果
图5. 轮辙变形量柱状图
随着碾压次数的增加，沥青混合料汉堡轮辙变形量逐渐增大，其中，碾压次数在2500次之前，变形量增幅较大，随着后期碾压次数的继续累加，变形量增幅逐渐放缓。未掺加抗剥落剂的对比组最大变形量达到11.6 mm，掺加抗剥落剂的A组、C组最大变形量处于同一水平，但均小于B组。结果表明，掺加A类、C类抗剥落剂沥青混合料的高温稳定性和抗水损害能力要优于B类，该试验结果与抗剥落剂对沥青胶结料的软化点、对集料黏附性等性能指标影响相符。
(3) 冻融劈裂
采用冻融劈裂试验对设计的沥青混合料进行水稳定性检验 [
未掺加抗剥落剂的沥青混合料，其残留强度比TSR仅为68.5%，不能满足技术指标要求。掺加抗剥落剂后，残留强度比TSR有较大幅度的提高，能够满足技术指标要求，从试验数据可以看出，三种抗剥落剂对沥青混合料的水稳定性提升效果比较均衡。表明三种抗剥落剂对改善花岗岩等酸性集料的黏附性效果显著，提高了沥青混合料的水稳定性。
| 抗剥落剂类型 | 无 | A | B | C |
|---|---|---|---|---|
| 残留强度比TSR (%) | 68.5 | 82.4 | 80.6 | 85.1 |
表10. 冻融劈裂试验结果
(1) 随着抗剥落剂的加入，沥青25℃针入度呈现出增大趋势，但随着掺量增加针入度增幅并不大，且无规律，表明抗剥落剂对沥青针入度指标影响不大。
(2) 低掺量抗剥落剂对沥青低温性能有一定的改善作用，随着掺量的进一步增加，沥青10℃延度出现拐点，呈现先增长后衰减的趋势，表明抗剥落剂对沥青低温性能的改善存在一个最佳掺量。
(3) 沥青软化点随着抗剥落剂掺量的增加呈现出递减的趋势，下降的幅度不大，但极易突破技术指标要求。试验结果表明，抗剥落剂的加入使得沥青中轻质组分比例增大，降低了沥青粘度，高温性能随之衰减，且胺类抗剥落剂对沥青高温性能的衰减速率要大于非胺类。
(4) 掺加三种抗剥落剂后，花岗岩的黏附性等级均从4级提升至5级，非胺类抗剥落剂的抗剥落效果较好。基于软化点技术指标，同时考虑到经济性，建议将0.4%掺量作为三种抗剥落剂的最佳用量。
(5) 进行了花岗岩沥青混合料的性能验证，表明三种抗剥落剂对提高沥青混合料的水稳定性效果显著且比较均衡，同时0.4%掺量能够满足高温性能的技术要求。
安 平,孙丙辉,季正军,赵 磊. 抗剥落剂对沥青胶结料及沥青混合料路用性能影响分析Analysis of the Influence of Anti-Stripping Agent on Asphalt Cement and Asphalt Mixture Road Performance[J]. 材料科学, 2021, 11(05): 635-642. https://doi.org/10.12677/MS.2021.115074