瀝青混合料油蝕評價方法研究

李善強(qiáng),李 浩

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，廣東 廣州 510420；3.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420)

瀝青混合料油蝕評價方法研究

李善強(qiáng)1,2,李 浩2,3

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，廣東 廣州 510420；3.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420)

試驗容器、油品用量、油蝕方式及油蝕時長是影響瀝青混合料油蝕試驗合理性和準(zhǔn)確性的4大因素。通過設(shè)計試驗容器統(tǒng)一試驗容器、油品用量、油蝕方式3大因素，根據(jù)油蝕試驗規(guī)律確定24 h為油蝕時長較為合理，對比分析柴油和機(jī)油于常溫(20 ℃)、高溫(60 ℃)下瀝青混合料的飛散質(zhì)量損失和油蝕飛散損失結(jié)果。結(jié)果表明：油蝕飛散損失能更為準(zhǔn)確的評價油蝕效應(yīng)，改進(jìn)的瀝青混合料油蝕試驗方法能夠更為合理、準(zhǔn)確地評價油蝕現(xiàn)象。

道路工程；油蝕試驗方法；油蝕飛散損失；瀝青混合料

近年來，高等級公路上部分重載貨車車況不佳泄露油品，導(dǎo)致瀝青路面油蝕性坑槽病害大量出現(xiàn)。油蝕性坑槽數(shù)量之多、對路面承載能力、耐久性、舒適性及行車安全的影響之大而亟待解決。

目前，國內(nèi)外對瀝青混合料油蝕的研究較少，至今仍沒有一套指導(dǎo)瀝青混合料油蝕試驗的規(guī)程。針對此問題，眾多學(xué)者做了大量的研究。通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗[1-3]、劈裂試驗[4]、車轍試驗[5-6]及凍融劈裂試驗[7-9]，對比瀝青混合料油蝕前后的指標(biāo)值的變化，評價油蝕對瀝青路面的影響程度；此外，還有通過表面能理論研究改性瀝青與集料之間的接觸角、黏附功[10]。

目前不足之處在于：① 試驗方法并不是圍繞油品影響瀝青混合料黏結(jié)性而造成強(qiáng)度下降這一重點展開的，試驗方法的適應(yīng)性有待于商榷，無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，研究成果之間不具有可比性；② 試驗結(jié)果與實際情況相關(guān)性較差，評價指標(biāo)的合理性有待于進(jìn)一步研究。

因此，筆者對瀝青混合料油蝕試驗方法進(jìn)行了探討，研究了油蝕試驗條件、試驗內(nèi)容、評價指標(biāo)，為油品泄露事故應(yīng)急檢測、快速診斷提供參考和依據(jù)。

1 試驗材料

文中各項試驗的原材料均相同。試驗選用的原材料見表1。以廣東省常用的PG-82改性瀝青為例，最佳瀝青含量為4.8%，設(shè)計空隙率為5.4%。瀝青混合料在160 ℃下拌合，成型時溫度不低于140 ℃，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實法制作試件，雙面擊實各50次，試件尺寸為φ101.6 mm×63.5 mm。

2 試驗條件研究

歸納總結(jié)現(xiàn)有研究中的試驗條件，大致可將其分為試件類型、試驗容器、油品用量、油蝕方式及試驗時長這5方面?，F(xiàn)有研究中所采用的試件類型為車轍板和馬歇爾試件，工具有毛巾、桶及恒溫油槽，處理方式有毛巾平鋪于試件上方、完全浸泡于桶及恒溫油槽及表面涂刷等3種方式，用油量、試驗時長控制上相差很大，無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

可以看出，現(xiàn)有研究對瀝青混合料的試驗條件采取粗放控制，對瀝試驗容器、時間、用油量等關(guān)鍵因素的選取太隨意，無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，造成現(xiàn)有的研究成果之間不具有可比性。因此，筆者將著重研究油蝕試驗的試驗條件，以期建立統(tǒng)一的試驗條件，使試驗結(jié)果之間具有可比性和參考性。

2.1 試驗條件的影響因素

考慮到實際油蝕情況是：① 車輛泄漏的油量一般不會太大，受污染的路面不大可能會在某一時間段內(nèi)多次受污染，車輪和受污染的路面接觸時因泵吸作用會帶走一部分燃料油，且油類自身也存在揮發(fā)效應(yīng)；② 油品對瀝青油蝕能力有一定限度，同路面的整體性相比，油蝕只能是局部小范圍。

針對實際情況，本著盡量還原瀝青路面油蝕環(huán)境和模擬最不利試驗條件的兩大原則，試驗必須充分考慮4個因素：① 試驗容器；② 油品用量；③ 油蝕方式；④ 油蝕時長。

因素①，②，③決定室內(nèi)試驗條件下瀝青混合料油蝕的環(huán)境，它們選取合理與否直接關(guān)系到到室內(nèi)試驗與實際油蝕情況之間相關(guān)性的好壞，對試驗結(jié)果的有效性和離散型至關(guān)重要；因素④直接決定室內(nèi)試驗結(jié)果準(zhǔn)確性，對油蝕破壞的度量很關(guān)鍵。

2.2 試驗條件的確定

考慮因柴油揮發(fā)而表面涂刷、毛巾平鋪兩種油蝕方式影響試驗穩(wěn)定性的問題，采用浸泡方式；試驗容器、柴油用量的確定取決于試驗的最不利條件。根據(jù)廣東省多條高速公路柴油漏油事故情況，筆者將馬歇爾試件外包裹10 mm的油膜定為試驗最不利條件，設(shè)計的試驗容器油蝕桶如圖1。根據(jù)馬歇爾試件的尺寸易確定油品用量，容器內(nèi)徑φ121.6 mm，外徑φ134 mm，高125 mm，馬歇爾試件放在預(yù)設(shè)位置，通過加入定量的柴油，形成10 mm的油膜包裹達(dá)到最不利條件，試件和內(nèi)壁之間放置扇形墊塊，防止試件錯位，瓶身和瓶蓋螺紋配合，密封性好。油蝕時長的確定將根據(jù)試驗得到的規(guī)律來確定。

圖1 試驗容器設(shè)計Fig.1 The design of test container

3 試驗方法設(shè)計

3.1 評價指標(biāo)

瀝青混合料油蝕試驗方法是參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[11]中肯塔堡飛散試驗方法并經(jīng)改進(jìn)而進(jìn)行的，旨在探討常溫(20 ℃)和高溫(60 ℃)下隨油蝕時長油品對瀝青路面的油蝕效應(yīng)。浸油結(jié)束，將試件在空氣中放置24 h后進(jìn)行飛散試驗。此外，設(shè)1組試件進(jìn)行浸水飛散試驗以作空白試驗。

將放置24 h后的試件進(jìn)行飛散試驗，瀝青混合料的飛散損失ΔS按式(1)計算。

ΔS=(m0-m1)/m0×100

(1)

式中：ΔS為瀝青混合料飛散損失，%；m0為試驗前試件質(zhì)量，g；m1為試驗后試件殘余質(zhì)量，g。

在浸水飛散試驗中，試件放置24 h后的質(zhì)量m0與干重相當(dāng)，而對油蝕后試件而言，試件放置24 h后的質(zhì)量m0將小于干重，若仍采用式(1)進(jìn)行計算，則不能準(zhǔn)確地體現(xiàn)出因油蝕而造成的質(zhì)量損失。

為此，定義油蝕飛散損失ΔS′來表征試件油蝕后的飛散損失，ΔS′按式(2)計算。

(2)

與飛散損失ΔS相比，油蝕飛散損失ΔS′考慮因油蝕導(dǎo)致試驗前試件的質(zhì)量m0的變化這一因素，能更準(zhǔn)確地評價油蝕損失。

3.2 試驗結(jié)果分析

表2為瀝青混合料浸水飛散試驗結(jié)果。浸水飛散平均值為3.3%，滿足規(guī)范要求，說明筆者的瀝青混合料原材料及配合比選擇合理。

表2 瀝青混合料浸水飛散試驗結(jié)果

圖2分別為20，60 ℃柴油浸泡條件下瀝青混合料質(zhì)量損失。

圖2 瀝青混合料質(zhì)量損失(柴油)Fig.2 The quality loss of asphalt mixture

由圖2可知，柴油作為溶劑：時橫向來看，20，60 ℃下的飛散質(zhì)量損失和油蝕飛散損失均先增大(前24 h)后停滯再增大后趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，且停滯時間長、停滯階段多。這是因為PG-82改性瀝青中聚合物吸附瀝青中的油分形成了連續(xù)的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，柴油需要一定時間方能溶解空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)這層“保護(hù)膜”，待將其溶解后，通過新的通道浸入瀝青內(nèi)部的柴油又需溶解里面“保護(hù)膜”，反反復(fù)復(fù)，形成了圖2中特有上升-停滯相互交替的現(xiàn)象。縱向來看，油蝕飛散損失大于飛散質(zhì)量損失，20，60 ℃時，兩者相差最大分別達(dá)到11.3%，21.6%，且溫度越高，損失越大，在浸泡96 h，60 ℃較20 ℃油蝕飛散損失大26.6%。

圖3分別為20，60 ℃機(jī)油浸泡條件下瀝青混合料質(zhì)量損失。

圖3 瀝青混合料質(zhì)量損失(機(jī)油)Fig.3 The quality loss of asphalt mixture

可以看出，若選取飛散質(zhì)量損失這一評價指標(biāo)，試驗結(jié)果忽大忽小，穩(wěn)定性不足，不能真實反映出油品對瀝青混合料的油蝕效應(yīng)。因此，選用油蝕飛散損失這一評價指標(biāo)。

相比而言，柴油的油蝕能力大于機(jī)油。20 ℃時，柴油15 d的油蝕飛散損失比機(jī)油大40.2%，60 ℃時，柴油4 d的油蝕飛散損失比機(jī)油大42.6%。

此外，在20，60 ℃兩個溫度條件下，根據(jù)瀝青混合料隨時間的損失速率的規(guī)律可以看出，在前24 h里，速率很大，超過24 h，速率趨于平緩。因此，試驗條件中的油蝕時長這一因素定為24 h將比較有意義。

因此，通過設(shè)計試驗容器統(tǒng)一試驗容器、油品用量、油蝕方式3大因素，根據(jù)油蝕試驗規(guī)律確定24 h是合理的油蝕時長，這樣即確定了統(tǒng)一的試驗條件和評價指標(biāo)。

4 工程應(yīng)用

2014年9月，對汕梅高速公路畬江以南全段路況進(jìn)行實地調(diào)查，該路段19.1 km共出現(xiàn)518個坑槽。對坑槽位置進(jìn)行取樣，所取樣品均完全松散，石料表面光滑，無瀝青裹附，往坑槽灌水可見油斑，坑槽中所取石料柴油味較重，且坑槽附近分布有較多油斑，為典型的油蝕性坑槽。

對未污染的路肩和污染的慢車道分別取8個芯樣，依照文中試驗條件進(jìn)行肯塔堡飛散試驗，并以油蝕飛散損失為評價指標(biāo)，試驗結(jié)果如表3。

表3 瀝青混合料浸水飛散試驗結(jié)果

由表3可知，現(xiàn)場取回的油污芯樣的油蝕飛散損失不僅與室內(nèi)試驗得出的結(jié)果一致，且與現(xiàn)場的油蝕性坑槽病害發(fā)展情況較為相符，說明筆者提出的瀝青混合料油蝕評價方法適用性較好。

5 結(jié) 語

筆者設(shè)計了一種評價瀝青混合料油蝕的試驗方法，該方法可以模擬實際漏油事故對瀝青路面的最不利影響程度。首先，通過分析影響瀝青混合料油蝕試驗的4大因素，根據(jù)最不利試驗原則設(shè)計了試驗工具；其次，設(shè)計了瀝青混合料油蝕試驗方法，并提出油蝕飛散損失這一指標(biāo)；最后，對比分析機(jī)油和柴油于20，60 ℃下飛散質(zhì)量損失和油蝕飛散損失的變化規(guī)律。結(jié)果表明，油蝕飛散損失是表征瀝青混合料油蝕效應(yīng)的合理指標(biāo)且24 h作為油蝕時長是合理和合適的。

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A New Evaluation Method of Oil Corrosion for Asphalt Mixture

LI Shanqiang1,2，LI Hao2,3

(1. School of Road, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi,P.R.China; 2. Research and Development Center on Road Transport Safety and Emergency Support Technology & Equipment, Guangzhou 510420, Guangdong,P.R.China; 3. Guangdong Hualu Communications Technology Co.,Ltd., Guangzhou 510420, Guangdong,P.R.China)

The major factors influencing rationality and accuracy of asphalt mixture oil corrosion test are test container, oil sample amount, oil corrosion mode and oil corroding duration. By designing uniform testing container for test, oil amount and oil corroding way, the three elements, oil corroding duration of 24 hours was the determined to be the reasonable for oil corrosion test according to the laws of the oil corrosion test. The results show that the oil corrosion Cantabro quality loss can evaluate the oil corrosion effect more accurately by comparative analysis of Cantabro quality loss and oil corrosion Cantabro quality loss of asphalt mixture under 20 ℃ and 60 ℃ in the diesel fuel and engine oil. The new asphalt mixture oil corrosion test method can evaluate oil corrosion phenomenon more reasonably and accurately.

road engineering；oil corrosion test method；oil corrosion Cantabro quality loss；asphalt mixture

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.12

2015-06-26；

2015-07-15

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技計劃項目(2014 318 J23 150)；廣東省交通運(yùn)輸廳科技項目(科技-2012-02-009)

李善強(qiáng) (1981—)，男，山東臨沭人，高級工程師，博士，主要從事路面工程方面的研究。E-mail:shanqiang911@163.com。

李 浩(1988—)，男，湖北荊州人，工程師，碩士，主要從事路面工程方面的研究。E-mail:hao_li_20007@163.com。

U416.217

A

1674-0696(2016)05-054-04