氯鹽浸蝕下瀝青及瀝青混合料性能研究

王維濤

(山西省交通科學(xué)研究院　太原　030006)

氯鹽浸蝕下瀝青及瀝青混合料性能研究

王維濤

(山西省交通科學(xué)研究院太原030006)

摘要為研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)氯鹽浸蝕作用對瀝青及瀝青混合料性能的影響，采用70號瀝青及AC-13型瀝青混合料進(jìn)行氯鹽浸蝕作用的性能試驗。試驗研究表明，氯鹽浸蝕作用會加速基質(zhì)瀝青的硬化、脆化及老化；降低瀝青混合料的高溫、低溫及水穩(wěn)定及整體結(jié)構(gòu)性能；當(dāng)濃度達(dá)到8%時，瀝青延度及混合料彎曲應(yīng)變不能滿足規(guī)范要求；濃度達(dá)到16%時，瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比不能滿足要求。

關(guān)鍵詞瀝青路面混合料氯鹽浸蝕作用

瀝青面層是我國最為常用的城市與高速公路路面結(jié)構(gòu)形式，保證瀝青路面冬季雪天暢通、安全運營具有重要的社會及經(jīng)濟(jì)意義[1]。而氯鹽類融雪劑是目前最為常用的融雪劑之一，它雖能有效解決雪天的交通安全問題；但由于氯鹽具有極強(qiáng)的腐蝕性，會對瀝青路面造成浸蝕破壞，從而縮短瀝青路面使用壽命[2]。因此，對氯鹽浸蝕作用下瀝青及瀝青混合料性能的研究具有重要的工程實踐意義。

本文通過室內(nèi)試驗，研究不同濃度氯鹽浸蝕作用對瀝青及瀝青混合料性能的影響，為新型耐腐蝕路面材料的開發(fā)及后期的工程實踐提供參考依據(jù)。

1原材料

1.1　瀝青

選用中海70號基質(zhì)瀝青進(jìn)行氯鹽浸蝕下瀝青及瀝青混合料低溫性能研究。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[3]中的要求檢測瀝青各項技術(shù)招標(biāo)，具體試驗方法按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[4]進(jìn)行。中海70號基質(zhì)瀝青各項技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1　70號基質(zhì)瀝青主要技術(shù)性質(zhì)

由表1可見，中海70號基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

1.2　集料

粗、細(xì)集料均選用石灰?guī)r，根據(jù)《公路工程集料實驗規(guī)程》(JTG E42-2005)[5]中的試驗方法檢測集料的主要技術(shù)性質(zhì)，檢測結(jié)果見表2。

表2　集料試驗檢測結(jié)果

本次選用的礦粉由石灰?guī)r磨制而成，檢測結(jié)果見表3。

表3　礦粉試驗結(jié)果匯總表

由表2和表3可見，粗、細(xì)集料及礦粉的主要技術(shù)性質(zhì)都能夠滿足規(guī)范要求。

1.3　瀝青混合料

由于AC-13是目前瀝青路面最為常用的混合料類型，因此本文選用AC-13型混合料進(jìn)行氯鹽浸蝕下瀝青混合料的低溫性能研究，采用馬歇爾試驗方法確定混合料的油石比為4.2%，混合料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表4。

表4　馬歇爾試件檢測結(jié)果

2氯鹽浸蝕下瀝青性能研究

2.1　試驗方案

采用25 ℃針入度、軟化點、延度評價氯鹽浸蝕下瀝青的低溫性能。其中氯鹽采用NaCl溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為8%，16%，24%。試驗步驟如下。

(1) 將基質(zhì)瀝青加熱至150～160 ℃，成流淌狀態(tài)后澆筑針入度和延度試驗試件。

(2) 常溫下，將試件分別放入不同濃度的氯鹽溶液中浸泡96 h。

(3) 取出進(jìn)行瀝青3大指標(biāo)試驗。

2.2　試驗結(jié)果及分析

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[4]中的試驗方法檢測瀝青的3大指標(biāo)，檢測結(jié)果見表5。

表5　氯鹽浸泡后瀝青3大指標(biāo)

圖1所示為25 ℃針入度與軟化點隨NaCl溶液濃度的關(guān)系曲線。

圖1　針入度、軟化點隨NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

由表5和圖1可見，基質(zhì)瀝青的針入度和軟化點指標(biāo)符合規(guī)范要求，當(dāng)經(jīng)過氯鹽溶液浸泡96 h后，25 ℃針入度都低于60(0.1 mm)，且針入度隨著氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，但當(dāng)氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過16%時，針入度降低變化較?。唤?jīng)過氯鹽溶液浸泡后，瀝青的軟化點指標(biāo)顯著升高，尤其是當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于24%時，軟化點的指標(biāo)迅速升高。這說明，經(jīng)過氯鹽腐蝕使得瀝青變硬、變脆，加速其老化。

圖2所示為瀝青延度隨NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律曲線。

圖2　延度隨NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

從圖2可以看出，隨著NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，15 ℃和10 ℃延度的不斷減小。尤其是當(dāng)從0%增大至8%時，瀝青的延度迅速降低；當(dāng)超過8%時，2個延度指標(biāo)都不能夠滿足規(guī)范要求。這說明氯鹽浸蝕作用會降低瀝青的延展性、延度，加速瀝青老化。

綜上所述氯鹽溶液浸蝕作用會加速基質(zhì)瀝青的硬化、脆化及老化，主要原因是氯鹽離子分布與瀝青分子中，增大瀝青分子量，增強(qiáng)瀝青分子間的相互作用，需要較大的能量才能使得分子分開，因此需要吸收更多熱量，針入度和軟化點升高；此外，鈉鹽使瀝青乳化，降低了瀝青粘度及低溫性能，部分氯鹽以晶體塊狀結(jié)構(gòu)存在瀝青中，因此瀝青延度降低。

3氯鹽浸蝕下瀝青混合料性能研究

將成型后的試件放入不同濃度的氯鹽溶液中浸蝕96 h后，測試瀝青混合料的高溫、低溫及水穩(wěn)性能。

3.1　高溫性能

采用輪碾法成型30 cm×30 cm×5 cm的車轍板，養(yǎng)生24 h后脫模，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%，8%，16%和24%的NaCl溶液浸泡96 h后，取出常溫下風(fēng)干，然后按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[4]中常規(guī)車轍試驗方法，在60 ℃溫度和0.7 MPa胎壓下測試其動穩(wěn)定度和車轍深度，評價其高溫性能，檢測結(jié)果見表6。

表6　車轍試驗結(jié)果

圖3所示為瀝青混合料動穩(wěn)定度與車轍深度隨NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律曲線。

圖3　動穩(wěn)定度、車轍深度隨NaCl

由表6和圖3可見，隨著NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，瀝青混合料的動穩(wěn)定度不斷減小，車轍深度不斷增大。當(dāng)NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%時，經(jīng)過96 h的浸蝕作用，動穩(wěn)定度減小了731次/mm，降低28.1%；車轍深度加深了0.83 mm，增大近40%。當(dāng)超過16%時，NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對瀝青混合料高溫性能的影響較低，這與氯鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對瀝青性能的影響規(guī)律相似。這主要是因為水在瀝青混合料中起潤滑作用，水分進(jìn)入瀝青與集料之間會降低瀝青與集料表面的接觸角，粘結(jié)力降低，嚴(yán)重時會導(dǎo)致瀝青剝落；鈉鹽與瀝青作用，使瀝青乳化，粘結(jié)能力降低，導(dǎo)致車轍板整體結(jié)構(gòu)性能降低。

3.2　低溫性能

采用輪碾法成型30 cm×30 cm×5 cm的車轍板，養(yǎng)生24 h后脫模，切割成長(250±2) mm，寬(30±2) mm，高(35±2) mm的長方體小梁試件，跨徑L為200 mm。將小梁試件放入常溫下0%，8%，16%和24%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液浸泡96 h后，取出常溫下自然風(fēng)干。利用MTS試驗機(jī)在-10 ℃恒溫箱中保溫4 h后，進(jìn)行3點彎曲試驗，其中加載速率為50 mm/min。利用小梁的抗彎拉強(qiáng)度RB、梁底最大破壞應(yīng)變εB、彎曲勁度模量SB來評價瀝青混合料的低溫性能，詳細(xì)計算見式(1)～式(3)[4]。

(1)

(2)

(3)

式中:b為小梁試件跨中截面寬度，mm；H為小梁試件跨中截面高度，mm；PB為小梁試件破壞時的最大荷載，N；D為小梁試件破壞時的跨中撓度，mm。

低溫試驗結(jié)果見表7。

表7　小梁低溫3點彎曲試驗結(jié)果

圖4所示為破壞應(yīng)變與勁度模量隨NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律曲線。

圖4　破壞應(yīng)變與勁度模量隨NaCl

由表7可見，隨著氯鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，小梁試件的低溫彎曲破壞強(qiáng)度不斷減小，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%時，彎拉破壞強(qiáng)度降低了2.7 MPa。圖4和表7都表明隨著NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，試件的破壞應(yīng)變不斷減小、勁度模量不斷增大；當(dāng)超過8%時，小梁試件的彎曲破壞應(yīng)變已經(jīng)不能夠滿足2 000×10-6的規(guī)范要求。而且從小梁的破壞形態(tài)上看，小梁發(fā)生明顯的脆性破壞，這說明氯鹽浸蝕作用下，瀝青混合料變硬、變脆，變形能力降低，這與鹽溶液浸蝕作用下瀝青的延度降低、針入度變大相符。

3.3　水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗研究鹽溶液浸蝕作用下瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

(1) 浸水馬歇爾試驗。成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，養(yǎng)生24 h脫模后，將試件放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%，8%，16%和24%的NaCl溶液浸泡96 h后，取出常溫下自然風(fēng)干。然后按照標(biāo)準(zhǔn)浸水馬歇爾試驗方法測試馬歇爾試件的穩(wěn)定度MS、浸水馬歇爾穩(wěn)定度MS1及浸水殘留穩(wěn)定度MS0，試驗結(jié)果見表8。

表8　浸水馬歇爾試驗結(jié)果

由表8可見，隨著鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，馬歇爾試件的穩(wěn)定度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度及浸水殘留穩(wěn)定度都不斷減小，但仍能夠滿足規(guī)范要求。

(2) 凍融劈裂試驗。按照浸水馬歇爾試驗中的方法處理試件，然后按照標(biāo)準(zhǔn)凍融劈裂試驗方法進(jìn)行試驗，測試試件的未凍融循環(huán)的劈裂強(qiáng)度RT1、凍融循環(huán)后的劈裂強(qiáng)度RT2、凍融劈裂強(qiáng)度比TSR。試驗結(jié)果見表9。

表9　凍融劈裂試驗結(jié)果

由表9可見，隨著鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，馬歇爾試件的RT1，RT2及TSR都不斷減小，當(dāng)達(dá)到16%時，馬歇爾試件的凍融劈裂強(qiáng)度比低于75%的規(guī)范要求，這主要是因為鹽分殘留在混合料空隙內(nèi)部，在凍融循環(huán)作用下膨脹，破壞瀝青與集料的粘附作用，導(dǎo)致混合料的整體強(qiáng)度降低。因此，在鹽溶液的浸蝕作用下，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能降低。

綜上所述，氯鹽溶液的浸蝕作用降低了瀝青粘度，減小了瀝青與集料表面的接觸角，同時鹽分導(dǎo)致瀝青乳化，粘結(jié)力降低，因此降低了瀝青混合料的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4結(jié)語

采用70號基質(zhì)瀝青及AC-13型混合料進(jìn)行試驗的結(jié)果表明，氯鹽溶液浸蝕作用會加速基質(zhì)瀝青的硬化、脆化及老化，當(dāng)濃度超過8%時10 ℃和15 ℃延度、混合料的彎曲應(yīng)變指標(biāo)均不能夠滿足規(guī)范要求；鹽溶液的浸蝕作用降低了瀝青粘度，減小了瀝青與集料表面的接觸角，同時鹽分導(dǎo)致瀝青乳化，粘結(jié)力降低，從而降低了瀝青混合料的高溫、低溫及水穩(wěn)定及整體結(jié)構(gòu)性能。

參考文獻(xiàn)

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[3]JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2004.

[4]JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社,2011.

[5]JTG E42-2005公路工程集料實驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社,2005.

The Research on the Performance of Asphalt and Asphalt

Mixture Under the Effect of Chloride Etching

WangWeitao

(Shanxi Provincial Research Institute of Communications, Taiyuan 030006, China)

Abstract：For the study of different concentrations of chlorine salt erosion effects on the properties of asphalt and asphalt mixture, the paper adopted 70# asphalt and AC-13 the asphalt mixture to conduct indoor tests, the results showed that the chlorine salt erosion effect will accelerate the hardening, embrittlement and aging of matrix asphalt, and reduce the high temperature performance, low temperature performance and water stability and overall structural performance of asphalt mixture. When the chlorine salt concentration is up to 8%, the asphalt ductility and the mixture bending strain can not meet the requirement of the specifications, while the concentration comes to 16%, the freeze-thaw splitting strength ratio of the asphalt mixture can not meet the requirements.

Key words:asphalt pavement; mixture; effect of chloride etching

收稿日期：2015-08-17

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.035