瀝青與集料粘附性的機(jī)理
瀝青混合料的剝離(S tipping, 也稱剝落) 是瀝青路面的幾種常見的破壞現(xiàn)象之一。剝離是指瀝青從粘附的集料表面離開,剝落則進(jìn)而從集料表面脫落,剝離的結(jié)果往往是剝落,都是瀝 青失去對集料的粘附性的破壞過程,所以這兩個詞經(jīng)?;煊?。造成剝離的最基本的條件是水 和交通的存在,所以稱剝離及由此造成的破壞叫水損害破壞。瀝青路面的水穩(wěn)定性與抗車轍 性能、抗裂性能、耐老化性能、抗疲勞性能、抗滑性能等一樣的重要。
瀝青在瀝青混合料中的功用,首先是將各種粗細(xì)集料粘結(jié)在一起,咸為一個整體,正因為 如此,瀝青被稱為結(jié)合料或膠粘劑。在沒有水的情況下,瀝青與集料的粘結(jié)一般不會有任何問 題,但水的存在將使瀝青與集料的粘附性成為問題,由于水比瀝青更容易浸潤集料的表面,降 低瀝青與集料之間的粘附性,甚至喪失粘結(jié)力,并有可能導(dǎo)致瀝青混合料的水損害破壞。
瀝青與集料在拌和過程中,集料處于干燥條件下,只要集料表面是潔凈的,沒有塵土,瀝青 就能裹覆在集料表面,并逐漸“浸潤”集料,浸潤的程度與瀝青的粘度及集料表面的粗糙程度有 關(guān),粘度大的瀝青需要較長的浸潤時間,如果溫度太低,將使瀝青得不到足夠的浸潤時問,而裹 覆不好。一旦裹覆良好,除非有水的侵蝕,瀝青與集料抵抗粘結(jié)不可能破壞。
瀝青與集料的粘附性產(chǎn)生問題的根源是水分,這是第一個先決條件。水分可能在拌和過 程中沒有充分的干燥,也可能來自于雨水。當(dāng)集料的吸水率大,尤其是在雨天施工,常規(guī)的烘 千過程不能將集料內(nèi)部的水分全部干燥,殘余的水分將成為影響粘附性的禍害,所以對吸水率 大的多孔性石料(大部分是玄武巖、安山巖等火成巖),規(guī)范對其有所限制,石料的吸水率不得 大于2%。當(dāng)然更多的水分來自于降雨,尤其是梅雨季節(jié),盡管雨量不大,但持續(xù)時間很長,可 能達(dá)數(shù)月之久。瀝青混合料長時間處于水的包圍之中,水分就很容易浸潤到瀝青和集料的界 面上,置換瀝青與集料的粘結(jié)導(dǎo)致水損害。第二個先決條件是外力的存在,交通荷載的反復(fù)作 用,使集料松散、掉粒、繼而成為坑槽而造成路面破壞。破壞的進(jìn)程與荷載的大小、頻率有關(guān)。 在開始階段,瀝青膜與集料之間的界面上造成剪切破壞,集料與集料之間也造成剪切破壞,剪 切力的起因往往是由于超載的輪壓,一旦造成剪切破壞,水分很快浸入,使粘結(jié)力喪失,產(chǎn)生水 損害破壞。美國瀝青路面協(xié)會(NAPA) 【] 在1988年指出, 近年來水損害問題日趨嚴(yán)重, 瀝青膜 剝離是由于集料與集料之間界面上發(fā)生剪切破壞,同時水分使瀝青膜脫落的過程,與近年來汽 車荷載的增大,輪胎氣壓的增大有密切關(guān)系。相對于普通荷載下的水損害一般在開放交通后 不久即可能發(fā)生來說,由于重交通的發(fā)生可能是使用多年以后突然發(fā)生的。
集料的化學(xué)成分直接決定集料的表面電荷,表面電荷的不平衡形成表面能,以便與具有相 反電荷的表面能互相吸引,達(dá)到平衡。由于水的極性能更好地平衡集料的表面電荷,所以它比 瀝青更能吸附在集料上,使瀝青膜剝落、松散。在有水的情況下,石灰?guī)r帶正電荷,而片麻巖、 花崗巖是帶負(fù)電荷的。
除了化學(xué)成分和電荷外,集料表面的粗糙程度對瀝青與集料的粘附性的大小有重要影響。 集料表面粗糙是瀝青吸附良好的一個重要條件,集料表面的微空隙的數(shù)量和孔徑的大小,細(xì)的 裂隙影響吸附瀝青的表面積,表面積越大,吸附能力越強(qiáng),并使瀝青吸入集料內(nèi)部。有資料顯 示,微量瀝青吸入集料表面的厚度約為180埃[2l。對表面光滑的集料,瀝青不能牢牢地吸附在 集料的表面上。不僅吸附在集料表面的瀝青膜很薄,而且很容易為水破壞。在交通荷載的作 用下,瀝青膜與集料的剝離是一種剪切破壞,光滑的表面比起粗糙表面來說,剪切阻力要小得 多,一旦有所損壞,便立即擴(kuò)展到全面。在遼寧省曾經(jīng)利用一種玄武巖作路面粗集料,此石料 非常堅硬,規(guī)范規(guī)定的各項質(zhì)量指標(biāo)都滿足要求,石質(zhì)致密,相對密度接近3,但破裂面較光 滑,用水煮法試驗瀝青與石料的粘附性時很少剝落,但瀝青膜很薄,致使瀝青混合料的許多指 標(biāo)都不能達(dá)到要求。有的學(xué)者指出,集料表面的粗糙度對于粘附的牢固程度來說甚至比集料 的礦物成分更重要。
不僅集料表面帶有電荷,瀝青本身也有表面電荷。由于煉制瀝青的原油品種及煉油工藝 的不同,瀝青中所含的酸性及堿性化合物也不一樣,如果瀝青中含有多量的地瀝青酸或地瀝青 酸酐等極性大的組分,則瀝青就具有較強(qiáng)的表面活性,且呈現(xiàn)酸性,與集料中的堿性礦物形成 很強(qiáng)的粘結(jié)力。為了描述瀝青的表面電荷的性質(zhì)和程度,“八五”國家科技攻關(guān)提出用酸值作 為指標(biāo)來表征,并提出了酸值的測定方法。