除冰鹽對SMA與AC瀝青混合料性能的影響

李明婷，張曉可

(1.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020)

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除冰鹽對SMA與AC瀝青混合料性能的影響

李明婷1，張曉可2

(1.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020)

隨著除冰鹽在我國北方路面除冰養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用，瀝青路面出現(xiàn)了開裂、瀝青膜剝落、混合料松散等病害，導(dǎo)致其耐久性降低。針對除冰鹽侵蝕破壞瀝青路面問題，采用鹽凍循環(huán)后的間接拉伸疲勞試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)研究除冰鹽種類、凍融循環(huán)次數(shù)對SMA-13、AC-13瀝青混合料性能的影響。結(jié)果表明：在除冰鹽的侵蝕下，抗疲勞性能下降，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比降低，飛散損失率明顯增大，其中氯化鈉除冰鹽對混合料的低溫抗裂性、水穩(wěn)定性影響更大。另外，SMA-13瀝青混合料性能受除冰鹽的影響較小。

瀝青混合料；除冰鹽；飛散損失率；凍融劈裂強(qiáng)度

0　引　言

瀝青路面具有路面平整、無接縫、震動(dòng)小、噪聲低、行車舒適性好、施工工期短、養(yǎng)護(hù)維修簡便等優(yōu)點(diǎn)，被城市道路和高等級路面廣泛采用[1]。在我國北方地區(qū)，冬季較長，雨雪天氣較多，冬季通常在0℃以下，大量積雪堆積在路面上，隨著早晚溫度的波動(dòng)以及車輛的碾壓，路面積雪融化后又凍結(jié)，凍結(jié)后融化，形成多次凍融循環(huán)[2]。積雪路段易交通堵塞，路面結(jié)冰容易導(dǎo)致車輛打滑。為減少由此帶來的交通事故，常在積雪路段路面撒除冰鹽，通過降低冰點(diǎn)，融化冰雪。通過水分的遷移作用，除冰鹽浸入路面結(jié)構(gòu)，在除冰鹽溶液的侵蝕和凍融循環(huán)作用下，瀝青路面出現(xiàn)不同形式的破壞，如路面開裂、瀝青膜剝落、集料松散、路面坑槽等病害，使其耐久性下降[3]。

叢培良、陳拴法等人[4]研究了除冰鹽種類、浸泡時(shí)間等因素對瀝青混合料性能的影響，研究結(jié)果表明，除冰鹽使混合料的常規(guī)劈裂強(qiáng)度增加，斷裂能降低，醋酸鉀除冰鹽對瀝青混合料的水穩(wěn)定性能影響最大。肖慶一、胡海學(xué)等人[5]依據(jù)分子官能團(tuán)和表面能理論，從瀝青軟化及除冰鹽溶液—瀝青界面特性兩個(gè)方面探討了醋酸類除冰鹽侵蝕瀝青混合料的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)醋酸類除冰鹽對瀝青路面造成侵蝕破壞的原因主要是：醋酸類除冰鹽含有親水基團(tuán)和親油基團(tuán)，對瀝青—礦料界面缺陷造成侵蝕乳化作用。馮蕾、王樂等[6]研究除冰鹽濃度、凍融次數(shù)對膠粉改性瀝青混合料性能的影響，結(jié)果表明，隨著濃度和凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融后瀝青膜剝落率越大，混合料的孔隙率也逐漸增大。本文模擬瀝青路面受除冰鹽溶液侵蝕的環(huán)境中，在凍融循環(huán)條件下，通過測定瀝青混合料的飛散損失率、凍融劈裂強(qiáng)度比、疲勞壽命等指標(biāo)，研究除冰鹽種類、凍融次數(shù)對瀝青混合料低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗疲勞性能的影響。

1　原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1原材料

除冰鹽采用濰坊晶鑫化工有限公司提供的復(fù)合型除冰鹽和純度為99.7%的氯化鈉除冰鹽，除冰鹽溶液濃度均為0.8%。瀝青采用70號基質(zhì)瀝青，按JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中試驗(yàn)方法對其測試，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。粗集料與細(xì)集料都采用玄武巖，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。而礦粉采用石灰石粉，其表觀密度為2.73g/cm3。

表1　瀝青性能指標(biāo)

表2　集料技術(shù)指標(biāo)

1.2配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)給定的級配范圍，分別取SMA-13、AC-13級配的中值作為礦料配合比，通過馬歇爾試驗(yàn)確定AC-13、SMA-13瀝青混合料的最佳油石比分別為4.8%、5.8%。

1.3試驗(yàn)方案

根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用擊實(shí)法成型馬歇爾試件。假設(shè)每次都采用除冰鹽除雪，除冰鹽殘留在瀝青路面上的量是遞增的，要求浸泡馬歇爾試件的除冰鹽溶液濃度不斷遞增，這與普通的凍融循環(huán)試驗(yàn)不同。為此，針對本試驗(yàn)的要求考慮，采用直徑為150mm、高度為80mm的保鮮盒來存放馬歇爾試件。除冰鹽溶液在保鮮盒中的深度為75mm，并按照瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)(T 0729-2000)要求在除冰鹽溶液中進(jìn)行凍融循環(huán)，達(dá)到設(shè)計(jì)次數(shù)后進(jìn)行飛散試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、間接拉伸疲勞試驗(yàn)。

做飛散試驗(yàn)前，用干凈的毛巾擦拭掉試件外表殘留水，稱量每個(gè)試件質(zhì)量m0后，將試件輕輕放入洛杉磯試驗(yàn)機(jī)中，一次試驗(yàn)只能放一個(gè)試件，不放鋼球。洛杉磯試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速為30～33r/min，300轉(zhuǎn)后停止，取出試驗(yàn)機(jī)內(nèi)損壞的試件，選擇最大的一塊，稱量其質(zhì)量m1。每種試驗(yàn)的平行試件為5個(gè)。試件飛散損失率按公式(1)計(jì)算。

(1)

式中：ΔS為瀝青混合料的飛散損失率(%)； m0為試驗(yàn)前試件的質(zhì)量(g)；m1為試驗(yàn)后試件的殘留質(zhì)量(g)。

間接拉伸試驗(yàn)是對試件進(jìn)行重復(fù)壓縮荷載，其荷載平行于試件的垂直徑向面，試驗(yàn)易于操作，并且可以預(yù)測開裂。因此本文采用間接拉伸試驗(yàn)研究在除冰鹽侵蝕下，瀝青混合料的疲勞性能，試驗(yàn)儀器選用英國CooperResearchTechnologyLimited公司生產(chǎn)的氣動(dòng)伺服瀝青材料試驗(yàn)儀。試驗(yàn)的基本參數(shù)有：

試驗(yàn)溫度：15℃；試件厚度：40mm；試件直徑：100mm；荷載頻率：2.5Hz；荷載波形：正弦波；控制模式：應(yīng)力控制。選擇應(yīng)力比為：0.3、0.4、0.5；試驗(yàn)結(jié)束條件：試件徑向變形7mm。

表3　瀝青混合料集料級配組成

2　結(jié)果與討論

2.1低溫抗裂性

選擇肯塔堡飛散試驗(yàn)分析在凍融循環(huán)條件下，除冰鹽種類、凍融循環(huán)次數(shù)對SMA-13、AC-13型瀝青混合料低溫抗裂性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。在除冰鹽的侵蝕下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩種瀝青混合料的飛散損失率都逐漸增大，表明除冰鹽的侵蝕會(huì)降低混合料的低溫抗裂性，且鹽凍環(huán)次數(shù)越多，混合料的低溫抗裂性能越差，這與實(shí)際的瀝青路面也是相符合的。出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的原因可能是：在凍融循環(huán)時(shí)，溫差大、溫度降低時(shí)，混合料的應(yīng)力松弛模量逐漸增大，應(yīng)力松弛性能下降，當(dāng)溫度下降產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件就會(huì)產(chǎn)生裂縫。從瀝青混合料的級配類型看，無論是在水、氯化鈉除冰鹽溶液還是復(fù)合型除冰鹽溶液的侵蝕下，SMA-13 的飛散損失率都比AC-13 的小，如在Nacl溶液的侵蝕下，凍融循環(huán)15次，AC-13的凍融循環(huán)損失達(dá)到最大26.3%，而SMA-13的凍融循環(huán)損失只有24.3%，這可能是因?yàn)镾MA-13 是骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，其粗集料形成骨架，而骨架孔隙又填有足夠的瀝青瑪蹄脂，瑪蹄脂由少量細(xì)集料、纖維、瀝青組成，具有較高的粘結(jié)力，改善了瀝青混合料的低溫抗裂性。

表4　飛散試驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，相對于復(fù)合型除冰鹽，在氯化鈉除冰鹽的侵蝕下，混合料的飛散損失更大，其原因主要是：氯化鈉除冰鹽溶于水后電離出極性很強(qiáng)的Na+和Cl-，與集料的吸附能力比瀝青強(qiáng)，因此能更好地與集料結(jié)合；同時(shí)凍融循環(huán)使得瀝青與集料的界面出現(xiàn)缺陷，除冰鹽溶液能更容易浸入試件中，剝離包裹集料的瀝青，導(dǎo)致了瀝青混合料破壞。

2.2水穩(wěn)定性

采用凍融劈裂試驗(yàn)研究在鹽凍循環(huán)條件下，除冰鹽種類與作用時(shí)間對瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響。如圖1、圖2所示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，SMA-13、AC-13型瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比都急劇下降，說明除冰鹽的侵蝕使得瀝青混合料的水穩(wěn)定性能下降，并且侵蝕時(shí)間越長，凍融次數(shù)越多，下降幅度越大。SMA-13型瀝青混合料在氯化鈉溶液中凍融15次后，其凍融劈裂強(qiáng)度下降到48%，而在復(fù)合型除冰鹽中凍融相同的次數(shù)后，其劈裂強(qiáng)度比為61%；相對于復(fù)合型除冰鹽，氯化鈉除冰鹽對瀝青混合料的水穩(wěn)定性能影響更大。

圖1　劈裂強(qiáng)度比與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

圖2　劈裂強(qiáng)度比與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

如圖1、圖2所示，在除冰鹽溶液侵蝕作用下，SMA-13、AC-13型瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比與凍融次數(shù)都成直線關(guān)系，但SMA-13瀝青混合料的斜率更大，即在同種除冰鹽溶液中凍融相同的次數(shù)，其凍融劈裂強(qiáng)度比下降得更快。瀝青混合料的抗拉能力主要取決于瀝青自身黏結(jié)力及瀝青與集料的黏結(jié)力，在凍融循環(huán)作用下除冰鹽溶液造成了瀝青與集料的剝離以及瀝青內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的破壞，使得瀝青混合料的水穩(wěn)定性大幅下降，SMA-13具有高粘度的瀝青瑪蹄脂，使得其凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比下降幅度比AC-13小。

2.3疲勞性能

在鹽凍循環(huán)條件下，選用間接拉伸疲勞試驗(yàn)研究氯化鈉除冰鹽對SMA-13和AC-13瀝青混合料疲勞性能的影響。應(yīng)力疲勞公式為：

Nf=kσ-n

(2)

式中：Nf為疲勞壽命；σ為試驗(yàn)施加應(yīng)力值，kPa；k，n為疲勞特征參數(shù)。

方程(2)兩邊取對數(shù)后，有：

lgNf=k-nlgσ

(3)

將方程(3)中的兩個(gè)對數(shù)看成兩個(gè)變量，則該方程為直線型，那么參數(shù)k為方程截距，表示直線的高低，線位越高，材料抗疲勞性能越好；參數(shù)n為直線斜率的相反數(shù)，n值越大，直線越陡，疲勞壽命對應(yīng)力水平變化越敏感。SMA-13、AC-13瀝青混合料受氯化鈉除冰鹽溶液侵蝕的疲勞壽命回歸方程如表5所示。

表5　瀝青混合料受氯化鈉除冰鹽影響的疲勞方程

圖3　SMA-13受氯化鈉除冰鹽影響的雙對數(shù)坐標(biāo)曲線

圖4　AC-13受氯化鈉除冰鹽影響的雙對數(shù)坐標(biāo)曲線

如圖3、圖4所示，在氯化鈉除冰鹽的侵蝕下，隨著凍融次數(shù)的增加，應(yīng)力—疲勞壽命回歸方程直線線位越低，k值越來越小，這表明：隨著凍融次數(shù)的增加，AC-13和SMA-13瀝青混合料的抗疲勞性能越差。鹽溶液通過瀝青混凝土孔隙進(jìn)入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，當(dāng)溫度低于凝固點(diǎn)時(shí)，鹽溶液結(jié)冰膨脹，對瀝青混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；降溫時(shí)，飽和鹽溶液會(huì)析出晶體，晶體慢慢成長，當(dāng)混合料的孔隙空間不能滿足晶體的膨脹時(shí)，對混合料的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生結(jié)晶壓力。結(jié)冰壓力和結(jié)晶壓力的共同作用，使混合料的結(jié)構(gòu)遭到破壞，降低其抗疲勞性能。

如圖3所示，在氯化鈉除冰鹽溶液的作用下，SMA-13混合料不同凍融次數(shù)所對應(yīng)的應(yīng)力—疲勞壽命回歸方程直線基本平行，結(jié)合表5也可以看到，隨著凍融次數(shù)的增加，n值有增大的趨勢，但并不明顯，說明SMA-13瀝青混合料的抗疲勞性能對氯化鈉除冰鹽并不敏感。但在圖4中可以看到，隨著凍融次數(shù)的增加，直線越來越陡，n值越來越大，說明在氯化鈉除冰鹽的侵蝕下，隨著凍融次數(shù)的增加，AC-13型瀝青混合料的疲勞壽命對氯化鈉除冰鹽溶液越來越敏感。

3　結(jié)　語

本文采用鹽凍循環(huán)后的肯塔堡飛散試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、間接拉伸疲勞試驗(yàn)，研究除冰鹽種類、凍融循環(huán)次數(shù)對SMA-13、AC-13瀝青混合料低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗疲勞性能的影響，得出以下主要結(jié)論：

(1)SMA-13、AC-13瀝青混合料在除冰鹽侵蝕作用下，其飛散損失率變大，低溫抗裂性能下降，其中AC-13瀝青混合料下降幅度更大。

(2)在氯化鈉、復(fù)合型除冰鹽的侵蝕下，SMA-13、AC-13瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比都降低，凍融次數(shù)越多，下降幅度越大；其中氯化鈉除冰鹽對混合料的水穩(wěn)定性影響更大。

(3)瀝青混合料在除冰鹽中凍融后，應(yīng)力疲勞方程的特征參數(shù)k值、n值減小，混合料的疲勞性能降低。

(4)相對于SMA-13瀝青混合料，AC-13瀝青混合料受除冰鹽的影響更大，這表明AC-13型級配對除冰鹽更為敏感。

[1]張曉可．除冰鹽對瀝青路面路用性能長期影響研究[D]．重慶：重慶交通大學(xué)，2014．

[2]曹瑞實(shí)，田金亮．不同除冰鹽凍融環(huán)境下對混凝土耐久性的影響[J]．硅酸鹽通報(bào)，2013，32(12)：2632-2636．

[3]肖慶一，王玉寶，胡海學(xué)，等．醋酸類除冰鹽侵蝕瀝青混合料機(jī)理研究[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2015，48(2)：187-190．

[4]叢培良，陳拴發(fā)，陳華鑫．除冰鹽對瀝青混凝土性能的影響[J]．公路，2011，(6)：180-184．

[5]肖慶一，胡海學(xué)，王麗娟，等．基于表面能理論的除冰鹽侵蝕瀝青—礦料界面機(jī)理研究[J]．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41(4)：64-68．

[6]馮蕾，王樂，崔亞楠，等．鹽凍循環(huán)對膠粉改性瀝青混合料性能的影響[J]．公路工程，2014，39(4)：117-123．

Effects of Deicers on Properties of SMA and AC Asphalt Mixture

LI Ming-ting1, ZHANG Xiao-ke2

(1.School of Materials Science and Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China；2.Chongqing Municipal Design and Research Institute,Chongqing 400020, China)

With the application of deicing salt in the asphalt pavement in northern China, there are different forms of damage in asphalt pavement.The durability of asphalt pavement is reduced. In order to study the effects of the types of ice salt and the freeze-thaw cycles on the properties of SMA-13 and AC-13 asphalt mixture, three tests are taken: indirect tensile fatigue test, freeze-thaw split test and Kentucky flying test . The results indicate that: the scattering loss of the asphalt mixture, strength ratio of freeze thaw split and fatigue life will be significantly reduced with deicing salt’s erosion, which sodium chloride deicing salt has greater impact on the low temperature cracking resistance of mixture and stability of water ；The effect of the addition of deicing salt on the performance of asphalt mixture can be reduced by using SMA-13 asphalt mixture.

asphalt mixture; deicing salt；scattering loss; freeze-thaw splitting strength

2016-04-04

李明婷(1991-)，女，四川宜賓人，碩士，E-mail：limitting905@163.com。

U 414.1

A doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2016.02.005

1671-234X(2016)02-0019-05