沥青与集料的粘附性分析
时间：2020-12-13 08:04:27 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
(赤峰市公路管理处，内蒙古 赤峰 024000)
摘 要：文章结合力学理论、化学反应理论、分子定向理 论、 静电理论，分析了沥青与集料的粘附机理，探讨了沥青、集料、水及荷载等因素对沥青与集 料之间粘附性的影响，比较了水煮法、水浸法、光电比色法、净吸附法等粘附性试验方法的 优劣，并指出就我国目前状况，仍推荐使用水煮法或水浸法。
关键词：道路工程；
沥青混合料；
水稳定性；
粘附性；
沥青；
集料
中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2009)13—0053—02
沥青混合料的抗水损坏能力是决定路面水稳定性的根本性因素，它主要取决于矿料的性质、 沥青与矿料之间相互作用的性质，以及沥青混合料的空隙率、沥青膜的厚度等。沥青混合料 水稳定性的评价方法，通常分两个阶段进行：①第一阶段是评价沥青与矿料的粘附性。②第 二阶段是评价沥青混合料的水稳定性。文章主要就沥青与矿料的粘附性进行了研究，论述了 沥青与集料的几种粘附性理论，分析了粘附性的影响因素，并比较了目前常用的几种粘附性 试验方法的优劣。
1 沥青与集料粘附性基本理论
1.1 力学理论
沥青与集料之间的粘附性主要是由于其间分子力的作用［1］。从微观角度看，集料 的表面是 粗糙和高低不平的，这种粗糙增加了集料的表面积，使沥青和集料的粘合(界)面积增大，提 高了两者之间总的粘结力。此外，集料的表面存在着各种形状、各种取向、各种大小的孔隙 和微裂缝，由于吸附与毛细作用，沥青渗入上述孔隙与裂缝，增加了两者结合的总内表面积 ，从而提高了总的粘结力。再者，沥青在高温时以液相渗入骨料孔隙与微裂隙中，当温度降 低后，沥青则在孔隙中发生胶凝硬化，这种锲入与锚固作用，增强了沥青与集料之间的机械 结合力［2］。
1.2 化学反应理论
沥青与集料之间的粘附性主要来源于沥青与集料表面发生化学反应。石油沥青中含有大量的 酸性及碱性化合物，且酸性组分高于碱性组分。碱性集料如石灰岩表面存在碱性活性中心， 容易与沥青中的酸性成分发生化学反应，生成不溶于水的化合物，故粘附性好。而酸性集料 如花岗岩表面缺乏这种碱性活性中心，故较少发生化学反应，所以粘附性差。
1.3 分子定向理论
沥青与集料之间的粘附性是由于沥青中的表面活性物质对集料表面的定向吸附而形成的。如 果一个分子中的正电荷与负电荷排列不对称，就会引起电性不对称，因而分子的一部分有较 显著的阳性，另一部分有较显著的阴性，这些分子能互相吸引而成较大的分子。表面活性物 质的分子是由极性基和非极性基组成的不对称结构，偶极矩较大，故能表现出力场。沥青可 视为表面活性物质在非极性化合物中的溶液，根据所含表面活性物质数量的不同而具有不同 活性。沥青粘附在集料表面后，沥青在石料表面首先发生极性分子定向排列而形成吸附层， 与此同时，在极性力场中的非极性分子，由于得到极性的感应而获得额外的定向能力，从而 构成致密的表面吸附层。因此认为，沥青的极性是黏附的本质，是导致集料吸附沥青的根本 原因。
1.4 静电理论
静电理论认为当沥青与集料接触时，沥青一集料体系形成双电层而产生静电引力。它可以看 作一个电容器由于两种不同的物质接触而充电，界面的作用力就是双电层之间的作用力。
2 粘附性的影响因素
2.1 沥青性质对粘附性的影响
沥青是一种成分极为复杂的化合物，按照色谱分析法可将其分解成沥青质、饱和分、芳香分 酚和胶质四种组分。研究表明：饱和酚和芳香酚都作为油分，在沥青中起着润滑和柔软作用 ，且均属于低分子化合物，是非极性物质，主要以范德华力与矿料表面发生吸附［3］ ，故与集 料的粘附力较弱，很容易脱附。而胶质与沥青质均为带有极性或是表面活性的物质，沥青中 具有化学活性组分的沥青酸、沥青酸酐等极性组分基本都集中在胶质和沥青质中，这些成分 与集料表面发生化学吸附，故吸附力较强。此外，沥青组分中属于酸性的物质有环烷酸、地 沥青酸。沥青酸和沥青酸酐是沥青中活性最大的组分，它改善了沥青对矿物质的浸润性，特 别是提高了沥青与集料的粘附强度。沥青的酸性越大，与矿料的粘附性就越好，在沥青混合 料中沥青从矿料表面的剥落度就越小。
2.2 集料性质对沥青与集料粘附性的影响
集料在沥青混合料中与沥青发生复杂的物理化学作用，集料的化学性质在很大程度上影响着混合料的物理力学性质。集料的酸碱性也会影 响到沥青与集料的粘附性。一般认为碱性较强 的集料与沥青的粘附性好，酸性集料与沥青的粘附性差［4］。
此外，集料表面电荷及比表面等性质可以在很大程度上反映集料与沥青的粘附性。当集料被 粉碎成细颗粒作为分散相分散于介质水中，在每个颗粒周围会形成双电层。由于在组成双电 层之一的扩散层内，存在着过剩反离子的净电荷，这些离子在电场的作用下发生移动。由于 这些离子是水合离子，故在其本身运动的同时，将带动水的运动，运动方向取决于矿料表面 普遍带有电荷的性质。矿料表面普遍带有电荷的性质不同，其方向也异，故可根据液体运动 的方向判定矿料表面所带电荷的性质。而所测试的电势，就是矿料与水两相发生相对运动的 边界处与液体内部的电位差。这个电位的大小，在双电层厚度一定的情况下，取决于矿料表 面占主导地位的电荷密度，即电荷密度越大， 电位越大。研究表明：
电位越大，即矿料表 面的电荷密度越大，集料与沥青的粘附性越好［5］。
2.3 水及荷载对集料和沥青粘附性的影响
影响沥青与集料粘附性的因素除了沥青、集料本身的性质等内因外，还包括水和荷载等外因 。水及交通荷载的存在是沥青与集料发生粘附性破坏而剥离的先决条件。洁净的集料在干燥 条件下与沥青粘附良好，然而水在沥青路面施工过程中，以及在以后的服务期内都是不可避 免的。①集料在与沥青拌和前可能未被充分干燥，尤其是多孔性石料，水分容易渗透到 骨料内部的毛细管中，并在以后会慢慢渗出进入沥青与集料的界面之间，使其相互分离。② 在雨季，尤其是在梅雨季节，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集料与沥青的界面上，导致沥青膜被 水置换，发生剥离。交通荷载的反复作用是加速水损坏进程的重要因素。当路面上有水时， 汽车的通过会形成一种水力冲刷现象，在轮胎前面的水受轮胎挤压挤入路表面的空隙中，造 成水压力，轮胎通过后在轮胎的后方又形成负压，将空隙中的水吸出，这种挤入和吸出的反 复循环，便形成了水力冲刷，使集料松散、掉粒、继而成为坑槽而造成路面破坏。
3 粘附性试验方法
3.1 水煮法
水煮法在我国应用非常广泛，适用于基质沥青、改性沥青、经过热处理的掺加抗剥落剂的沥 青。大致步骤为：将集料置于105±5℃烘箱中lh，将沥青加热，将加热的集料颗粒浸入沥青 45s后取出，挂于试验架上15min。将冷却的集料颗粒浸入保持微沸状态的水中，3min后观察 沥青膜剥落情况。水煮法因为其判断结果是人为肉眼判断，故主观因素导致有时试验结果区 分度不够大，很难判断两种外观接近的试验试件哪个粘附性能更好，并且没有建立与现场的 相关关系。但水煮法亦具有试验时间短、设备简单、容易操作、沥青膜剥落情况直观明显等 优点。
3.2 水浸法
水浸法是日本的标准方法，试验时选用20颗已用沥青拌和裹覆的石料，浸泡在80℃ 的恒温 水槽中30min，然后评价沥青膜剥离面积的百分率。与水煮法相比，水浸法的温度恒定，没 有人为因素；
但水没有沸腾，完全处于静止状态，更缺乏水力的冲刷作用，所以要延长时间 到30 min来弥补。与水煮法一样，水浸法同样存在主观因素对剥落率的评价影响大的缺点。
3.3 光电比色法
光电比色法的基本原理是基于物质在光的激发下，对光波长的选择性吸收，而有各自的吸收 光带，当已色散后的光谱通过某一溶液时，某些波长的光线会被溶液吸收，在通过溶液的光 谱中出现相应的黑暗谱带。根据波尔定律，在一定的波长下，溶液中某一种物质的浓度与光 的吸收效应存在一定关系，即有色溶液的吸光度与溶液的浓度、液层厚度成正比。光电分光 光度计就是将透过溶液的光线通过光电转换器将光能装换成电能，从指示器上读出相应的吸 光度，通过吸光度与浓度的关系曲线，可以得到原集料及裹覆沥青膜的集料在吸附试验后染 料残留的浓度，并计算出原集料的吸附量，混合料剥落试验后的吸附量，以及沥青膜的剥落 率。光电比色法测得的粘附性指标完全量化，试验过程中人为因素影响较小。但是试验操作 要求较高，试验数据普遍偏大，因为试验结果不仅包括了沥青自矿料表面剥落的百分率，也 包括了沥青自矿料表面剥离但未剥落的百分率。
3.4 SHRP净吸附法
美国SHRP研究内容中，曾经报道过采用一种搅动水净吸附法测定沥青与集料的粘附性的方法 。它是基于矿料表面对沥青有吸附作用，以及遇水后水对沥青膜的置换作用，即水使沥青膜 剥落的特性，将一定粒级的集料放在沥青一甲苯溶液中一段时间进行循环回流，则会有一部 分沥青吸附到集料表面，之后，向沥青一甲苯溶液中加入一定量的水，让水对吸附在集料表 面的沥青进行置换。这一系列的过程便会使沥青一甲苯溶液中沥青的浓度发生变化，利用光 电分光光度计测定溶液的吸光度，即可计算出矿料对沥青的吸附量及加水后沥青的剥落量， 以及计算出自矿料表面剥落的沥青剥落率或吸附率［6］。
这种方法不再使用染料示踪，直接用沥青——甲苯溶液中沥青浓度的改变来计算剥落率，误 差 小，外界干扰因素小，数据客观、重现性好。但是试验操作复杂，要求高，时间长，并且与 现行规范没有联系。由此可见，每种试验方法都存在自己的优点以及无法避免的缺点，相较 而言，水煮法和水浸法属于半量化的试验方法，试验结果受人为因素的影响较大，但是试验 操作简单，容易掌握；
光电比色法和净吸附 属于量化的试验方法，试验结果受人为影响因 素小，但是试验操作复杂。就我国目前的状况，水煮法和水浸法显得更易于接受及普及，将 在很长一段时期内仍作为我国评价沥青与集料的粘附性的主要试验方法。
4 结论
①沥青与集料的粘附是一个复杂的物理化学过程，目前，有力学理论、化学反应理论、分子 定向理论、静电理论等四种理论可用来解释其粘附机理。但以上几种理论均是从沥青与集料 粘附机理的某一个方面进行的解释，任何一种单独的理论都无法全面系统地解释沥青与集料 的粘附性。②影响沥青和集料粘附性的因素有很多，其中沥青、集料、水及荷载的影响更为显著。一 般认为，沥青的酸性越大，与矿料的粘附性就越好；
碱性较强，矿料表面的电荷密度越大的 集料与沥青的粘附性越好；
而水及交通荷载的存在是沥青与集料发生粘附性破坏而剥离的先 决条件。③沥青与集料粘附性的试验方法有很多，其中水煮法和水浸法属于半量化的试验 方法，试验结果受人为因素的影响较大，但操作简单；
光电比色法和净吸附法属于量化的试 验方法，试验结果受人为影响因素小，但是试验操作复杂。
［参考文献］
［1］ 王抒音，周纯秀.提高沥青一酸性集料抗水损害的试验研究［J］.中国公路学 报，2003，16(1)：6~9.
［2］ 周卫峰.沥青与集料粘附性研究［D］.长安大学硕士论文，2002.
［3］ 延西利，梁春雨.沥青与石料间的剪切粘附性研究［J］.中国公路学报，2001 ，14(4)：25~27.
［4］ 王华.沥青混合料的水稳性研究［D］.长安大学硕士学位论文，2004.
［5］ 周卫锋，张秀丽，原健安等.影响粘附性的集料性质分析［J］.石油沥青，200 3，17(4)：19~24.
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