沥青与集料粘附性的机理
沥青混合料的剥离(S tipping, 也称剥落) 是沥青路面的几种常见的破坏现象之一。剥离是指沥青从粘附的集料表面离开,剥落则进而从集料表面脱落,剥离的结果往往是剥落,都是沥 青失去对集料的粘附性的破坏过程,所以这两个词经常混用。造成剥离的最基本的条件是水 和交通的存在,所以称剥离及由此造成的破坏叫水损害破坏。沥青路面的水稳定性与抗车辙 性能、抗裂性能、耐老化性能、抗疲劳性能、抗滑性能等一样的重要。
沥青在沥青混合料中的功用,首先是将各种粗细集料粘结在一起,咸为一个整体,正因为 如此,沥青被称为结合料或胶粘剂。在没有水的情况下,沥青与集料的粘结一般不会有任何问 题,但水的存在将使沥青与集料的粘附性成为问题,由于水比沥青更容易浸润集料的表面,降 低沥青与集料之间的粘附性,甚至丧失粘结力,并有可能导致沥青混合料的水损害破坏。
沥青与集料在拌和过程中,集料处于干燥条件下,只要集料表面是洁净的,没有尘土,沥青 就能裹覆在集料表面,并逐渐“浸润”集料,浸润的程度与沥青的粘度及集料表面的粗糙程度有 关,粘度大的沥青需要较长的浸润时间,如果温度太低,将使沥青得不到足够的浸润时问,而裹 覆不好。一旦裹覆良好,除非有水的侵蚀,沥青与集料抵抗粘结不可能破坏。
沥青与集料的粘附性产生问题的根源是水分,这是第一个先决条件。水分可能在拌和过 程中没有充分的干燥,也可能来自于雨水。当集料的吸水率大,尤其是在雨天施工,常规的烘 千过程不能将集料内部的水分全部干燥,残余的水分将成为影响粘附性的祸害,所以对吸水率 大的多孔性石料(大部分是玄武岩、安山岩等火成岩),规范对其有所限制,石料的吸水率不得 大于2%。当然更多的水分来自于降雨,尤其是梅雨季节,尽管雨量不大,但持续时间很长,可 能达数月之久。沥青混合料长时间处于水的包围之中,水分就很容易浸润到沥青和集料的界 面上,置换沥青与集料的粘结导致水损害。第二个先决条件是外力的存在,交通荷载的反复作 用,使集料松散、掉粒、继而成为坑槽而造成路面破坏。破坏的进程与荷载的大小、频率有关。 在开始阶段,沥青膜与集料之间的界面上造成剪切破坏,集料与集料之间也造成剪切破坏,剪 切力的起因往往是由于超载的轮压,一旦造成剪切破坏,水分很快浸入,使粘结力丧失,产生水 损害破坏。美国沥青路面协会(NAPA) 【] 在1988年指出, 近年来水损害问题日趋严重, 沥青膜 剥离是由于集料与集料之间界面上发生剪切破坏,同时水分使沥青膜脱落的过程,与近年来汽 车荷载的增大,轮胎气压的增大有密切关系。相对于普通荷载下的水损害一般在开放交通后 不久即可能发生来说,由于重交通的发生可能是使用多年以后突然发生的。
集料的化学成分直接决定集料的表面电荷,表面电荷的不平衡形成表面能,以便与具有相 反电荷的表面能互相吸引,达到平衡。由于水的极性能更好地平衡集料的表面电荷,所以它比 沥青更能吸附在集料上,使沥青膜剥落、松散。在有水的情况下,石灰岩带正电荷,而片麻岩、 花岗岩是带负电荷的。
除了化学成分和电荷外,集料表面的粗糙程度对沥青与集料的粘附性的大小有重要影响。 集料表面粗糙是沥青吸附良好的一个重要条件,集料表面的微空隙的数量和孔径的大小,细的 裂隙影响吸附沥青的表面积,表面积越大,吸附能力越强,并使沥青吸入集料内部。有资料显 示,微量沥青吸入集料表面的厚度约为180埃[2l。对表面光滑的集料,沥青不能牢牢地吸附在 集料的表面上。不仅吸附在集料表面的沥青膜很薄,而且很容易为水破坏。在交通荷载的作 用下,沥青膜与集料的剥离是一种剪切破坏,光滑的表面比起粗糙表面来说,剪切阻力要小得 多,一旦有所损坏,便立即扩展到全面。在辽宁省曾经利用一种玄武岩作路面粗集料,此石料 非常坚硬,规范规定的各项质量指标都满足要求,石质致密,相对密度接近3,但破裂面较光 滑,用水煮法试验沥青与石料的粘附性时很少剥落,但沥青膜很薄,致使沥青混合料的许多指 标都不能达到要求。有的学者指出,集料表面的粗糙度对于粘附的牢固程度来说甚至比集料 的矿物成分更重要。
不仅集料表面带有电荷,沥青本身也有表面电荷。由于炼制沥青的原油品种及炼油工艺 的不同,沥青中所含的酸性及碱性化合物也不一样,如果沥青中含有多量的地沥青酸或地沥青 酸酐等极性大的组分,则沥青就具有较强的表面活性,且呈现酸性,与集料中的碱性矿物形成 很强的粘结力。为了描述沥青的表面电荷的性质和程度,“八五”国家科技攻关提出用酸值作 为指标来表征,并提出了酸值的测定方法。