提高沥青与集料粘附性的措施
在日本的规范《沥青路面要纲)中关于抗剥落剂一条是这样规定的:“抗剥落剂是以防止 沥青混合料产生剥落破坏为主要目的而添加的外加剂。一般采用消石灰,也可以使用以油脂 为主要成分的胺类、酰胺类、第四铵盐类等阳离子表面活性剂”。同时介绍消石灰粉及水泥的 剂量为沥青混合料总量的1%~3%,抗剥落剂的用量为沥青量的0.3%以上,希望使用针人度 小到40~60的沥青,在配合比设计时尽量采用水密性好的混合料,沥音用量采用上限,水稳定 性的检验采用浸水车辙试验等等。
在美国,作为抗剥离措施,也是以掺加消石灰粉和水泥作为最基本的方法。1992年美国 国家沥青路面协会(NAPA) 出版了一本沥青混合料水稳定性的专著11NAPA在对许多化学的 抗剥落剂进行评价后明确指出许多抗剥落剂在长期性能方面尚有疑问。Scott及From m等人 也明确指出,尽管抗剥落剂对沥青与集料的早期粘附性能得到改善,但当沥青混合料不断地与 水接触时能否长期改善粘附性尚属疑问10] 。NAPA在经过对各种抗剥离措施进行了详细的比 较后仍然认为, 效果最好、最稳定的还是掺加石灰, 消石灰Ca(OH) , 和生石灰CaO都是有效 的, 其用量通常为集料质量的1%~1.5%, 但CaCO, 是无效的。并提出在生产上可以采用以下四种方法:
(1)掺加消石灰粉,添加时间必须确保集料是在裹覆消石灰以后才与沥青拌和,这对间歇 式拌和机比较容易实现。
(2)用石灰浆或石灰水涂覆集料,效果很好,其缺点是要增加成本,降低生产率。
(3)将生石灰粉与潮湿的集料拌和,它同时能降低集料中3%~5%的含水率。
(4)用热的生石灰,即正在消解发热的石灰粉。 有资料介绍,如果采用石灰水,浓度可为20%~30%,可以用石灰水处理粗集料,也可以 掺加到石料中一起进人拌和机。尽管有人认为用石灰水预处理集料比加干的消石灰粉效果 好,但处理的工艺比较复杂,生产单位一般不乐意采用,还是消石灰粉既简单,效果又好。在日 本,消石灰是以干粉形式代替部分矿粉加人拌和机的。在我国,如何加入消石灰还未形成习 惯,总觉得比掺加抗剥落剂麻烦,所以使用甚少,这种情况是不正常的。 对消石灰改善沥青与集料粘附性的机理有6种解释。
(1)消石灰可以提高沥青的粘性,同时可以使集料的表面性质得到改善。一般的石灰岩矿 粉的比表面只有2500~3500cm*/g,而消石灰粉的比表面有7000cm*/g以上,这就使沥青与集 料之间的分子力增大。
(2)消石灰能降低集料表面的负电荷,降低表面能,而表面能小的集料不与氢键结合,水稳 定性好。
(3)消石灰粉能使集料表面活化,提高与沥青的粘结力。Ca(0H)2并不是使沥青的非极性 部分离子化,结合成为极性基才得以稳定的,其理由可以从将消石灰先与沥青混合再与集料 拌和的要比消石灰先与集料混合再与沥青拌和的混合料的剥落率要大这一事实得到证明。
(4)消石灰作为矿粉使用时具有相当的活性,它可以与沥青中的有机酸发生反应,生成能 起到表面活性剂作用的钙盐。
(5)集料表面的氢、钠、钾等阳离子能被消石灰中的钙离子置换,同祥起到表面活性剂的作用。
(6)消石灰在集料矿料间结合成为独立的结晶质的石灰石,与沥青的粘结性起到叠加作用。
因此,在必须采用酸性石料时,首先应该考虑采用掺加消石灰粉或水泥的措施。这是最有效、经济、简便的措施。
随着表面化学的发展,各种表面活性剂的开发,也已经开发了许多抗剥落剂。实践证明, 在沥青中添加少量环烷酸类高分子有机酸,尤其是添加钙、镁、铅、锰等各种类型的金属皂(如 CHEMI CRETE D 6] ) , 能够有效地提高沥青与集料的粘附性。抗剥落剂通过亲油基与沥青结合, 亲水基与集料结合,使沥青与集料的粘附性得以提高。所以对集料表面带有负电荷的应采用 阳离子型,表面带有正电荷的应采用阴离子型的表面活性剂,方能起到好的效果。由于酸性石 料带有负电荷,抗剥落剂一般采用阳离子型的表面活性剂,当然这就使碱性石料采用抗剥落剂 显得无能为力,而且对碱性石料一般也没有这种必要。
为了能使用质地坚硬的酸性石料,各种各样的抗剥落剂应允而生。而现在市场上的抗剥 落剂绝大部分是从高级脂肪酸衍生出来的长链的胺类化合物,有些根本就是粗胺,有些加了一 些溶剂,这可以从许多抗剥落剂的刺鼻的胺味鉴别出来。胺类表面活性剂与乳化剂的功用一 样,一端是亲水性的胺基,另一端是融化在沥青中的亲油性的烷基,从面起到抗剥离效果。所 以选择优质的抗剥落剂对沥青路面工程建设是很重要的。抗剥落剂的用量通常为沥青质量的 0.1%~1.0%,一般常用0.3%~0.4%,但无论如何抗剥落剂的用量必须超过它的临界浓度才 有可能起作用。而且实践证明口,抗剥落剂与沥青、集料也有配伍性.不同的沥青-集料的组 合,应该选用不同的抗剥落剂,或者使用不同的浓度。
现在应该特别注意的是,此类抗剥落剂中有许多产品的受热稳定性较差。据试验,某种掺 加胺类抗剥落剂的沥青与石料的粘附性,用水煮法试验的结果,刚掺加后2h试验的剥落率仅为2%,高温贮存24h后试验的剥落率达20%,贮存48h后试验的剥洛率达30%,贮存72h后试 验的剥落率达34%,这说明如果沥青混合料在贮存仓中贮存较长时间的话,抗剥离效果将大 为减小。
不掺抗剥落剂的沥青在薄膜加热试验后与石料的粘附性将有所提高,而抗剥落剂 A、C实际上是经不起受热考验的,抗剥落剂B、D则对受热与否差别不大,属于不同的类型。
我们曾经对多种掺加抗剥落剂的沥青直接进行与花岗岩的粘附性试验,以及先经过薄膜 加热试验的受热处理,然后再进行与花岗岩的粘附性试验。结果发现直接利用掺加抗剥落剂 的沥青进行水煮法试验,可以将粘附性等级从不掺抗剥落剂的原样沥青的1级,提高到4级甚 至5级;面如果对掺加抗剥落剂的沥青先进行一次薄膜加热试验处理,然后再进行水煮法试验 的,有的仍然能够提高到4级,有的却只能达到3级,达不到高速公路的使用要求。
由此说明,对抗剥落剂进行耐热性检验,确认其长效性能是非常重要的。在美国考察时了 解到,许多到中国来推销的抗剥落剂,实际上在美国使用很少。所以对国内外的种种抗剥落 剂,进行甄别,整顿市场已经到了迫不及待的时候了。据了解,现在确实有一些工程,虽然掺加 了抗剥落剂,可是在通车后的第一个雨季就发生严重的坑槽、松散等水损害破坏。
根据这些情况, 我国在修订《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000) 时, 参 考国内外的一些经验,提出了一个专门适用于检验抗剥落剂使用性能的试验方法(T0663- 2000)。本方法就是为了甄别某些不合要求的抗剥落剂而制订的。美国的水煮法试验是采用 实际级配的热拌沥青混合料进行的,沥青混合料加热拌和的过程相当于洒青在掺加抗剥落剂 之后经过了一次薄膜加热试验。而我国目前在将抗剥落剂掺人沥青中便立即进行水煮法粘附 性试验,不能正确反映抗剥落剂在实际使用过程中的情况。
众所周知,沥青薄膜加热试验的受热过程相当于沥青混合料的拌和过程的老化,由此说 明,对掺加抗剥落剂的沥青立即进行水煮法粘附性试验将有可能使某些不耐热的质量不好的 抗剥落剂蒙混过关,因此必须对掺加抗剥落剂的沥青先进行薄膜加热试验,然后再进行水煮法 或水浸法粘附性试验是合理的。
在该方法中还规定,按本规程进行沥青混合料的水稳定性试验以评定沥青抗剥落剂性能 时,可采用沥青混合料的浸水马歇尔试验,冻融劈裂试验,浸水车辙试验进行,但必须预先对掺加抗剥落剂的沥青混合料进行短期老化及长期老化试验。
我国对沥青混合料的试验历来都采用新拌沥青混合料进行。对这一点一直存在着疑问, 因为沥青材料和其他材料不一样,它在使用过程中,有一个老化的过程。沥青路面的损坏也往 往发生在各个不同时期,例如车辙最容易在混合料劲度小的早期的高温季节产生,而低温开裂 即使是质量很差的沥青也较少在第一年冬天发生,一般是3~5年以后裂缝才多起来,更不用 说疲劳裂缝出现得还要晚。沥青路面的水损害主要是沥青与集料的粘附性逐渐丧失而造成 的,它也是在经过相当时间后才产生。所以国外已经注意到,对不同的性能指标应该采用经过 不同老化履历的沥青及沥青混合料进行。为了模拟沥青混合料的短期老化及长期老化,美国 战略公路研究计划(SHRP) 研究后提出了一个方法。AASHTO 1995年PP 2-94“Practice for Short and LongTerm Aging of Hot Mix Asphalt”对试验方法作了具体规定。
我国在修订<公路工程沥青及沥青混合料试验规程》时,也增补了这一方法。但是按美国 AASHTO的方法, 对沥青混合料经过短期老化后制作的试件, 还要求放人60℃的恒温箱内冷却 至60℃±3℃(通常为2h) 。然后以72±0.05kN/min的速度向试件两端加载压平, 进行端面处 理,当样品两端平整或荷载达到56kN后,以同样的速度卸荷。再将试件置于室温条件下冷却 16±1h。然后在室温条件下脱模,才能将试件放置于试样架上送人85±3℃烘箱中恒温120± 0.5h,进行长期老化。由于我国制作沥青混合料试件的方法与美国不同,美国要求用搓揉成型 机或轮碾法成型,而我国一般采用击实法、轮碾法或静压法,这样成型的试件既没有办法,也没 有必要再按AASHTO的要求进行端面处理, 故我们在制订试验方法时将此加载卸载过程省略, 直接冷却一晚上后脱模,其余方法相同。这样的规定对老化过程并不会有多大影响。
试验规程规定的松散混合料的短期老化采用135℃4h,大体相当于沥青混合料在施工现 场拌和后在铺筑过程中的老化,而压实混合料的长期老化采用85℃5d大体相当于沥青路面使 用5~7年服务年限里的老化过程。很显然,在进行长期老化前必须先经短期老化。
在对两种不同的抗剥落剂进行评价时,按照此方法对薄膜加热试验后的沥青试样进行了 沥青与花岗岩集料的粘附性试验。试验结果表明,不加抗剥落剂的沥青在经过一次薄膜加热 试验后,由于沥青的粘度提高,与石料的粘附性反而有所提高。而掺加胺类抗剥落剂的沥青, 它与石料的粘附性,在经过薄膜加热试验后要比不经薄膜加热试验的沥青有所降低。两种抗 剥落剂,在掺入沥青后立即试验时,两种不相上下,都能达到4级,但经过一次薄膜加热试验 后,其中一种仍然能达到4级,不过比不加热的稍稍有所降低,另一种则只能达到3级,已经不 能满足高速公路的要求,从而被淘汰。
在评价时还应该按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定的方法进行了沥青混合 料的长期老化试验,再进行浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验沥青混合料的试验结果也充分说 明了这一点。浸水马歇尔试验的残留稳定度一般要相差5%~10%。冻融劈裂试验则相差更 多一些。这就达到了试验的目的。
因此各地在选择抗剥落剂时,一定要按照此方法进行甄别,千万不要不加选择的、盲目的 迷信抗剥落剂。 参考文献 1.沈金安.沥青路面的水损害与抗剥落剂性能评价。