濃硫酸對瀝青路面使用性能的影響研究*

陳志毅 魏顯權 嚴 超

(公路交通安全與應急保障技術及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心1) 廣州 510420)(廣東華路交通科技有限公司2) 廣州 510420)

0 引 言

危險化學品多為易燃易爆或強腐蝕性物品，其運輸車輛一旦發(fā)生交通事故或者物品泄漏，極易產生更大的交通安全質量事故[1-2].

濃硫酸是一種具有強腐蝕性、脫水性及強酸性等特征的危險化學品，目前國內外對于濃硫酸腐蝕瀝青路面材料的研究較少，并未見到相關報道.本文依托廣東省茂湛高速公路濃硫酸泄漏污染實際工程案例，結合現(xiàn)場檢測與室內研究，全面評價濃硫酸泄漏對瀝青混凝土路面使用性能的影響程度，為今后濃硫酸泄漏事故的應急檢測及處治提供參考.

1 現(xiàn)場檢測研究

1.1 濃硫酸污染案例概況

2016年4月30日，一輛裝滿濃硫酸的罐車在行至茂湛高速廣州方向與一輛運載菠蘿貨車相撞，后撞擊防護欄停止，據(jù)現(xiàn)場目測，事故現(xiàn)場泄漏濃硫酸約3 t，還有少量柴油等油品泄漏污染路面.濃硫酸泄漏事故發(fā)生后，有關部門立即展開處治工作，現(xiàn)場采用大量沙土及熟石灰進行覆蓋處理，并對污染區(qū)域進行清掃處理.處理完畢以后，受濃硫酸污染路段表面出現(xiàn)不同程度的剝落.

該高速公路原路面結構為舊水泥路面罩面加鋪6 cm GAC-16，瀝青采用PG82改性瀝青.

1.2 濃硫酸污染情況分析

根據(jù)現(xiàn)場事故車輛行駛軌跡、處置方案調查發(fā)現(xiàn)，路面污染區(qū)域由污染程度的不同可分為三個區(qū)域，具體情況如下.

第一區(qū)域(滑行泄漏段)：長約50 m.該段由于事故貨車邊泄露邊滑行，濃硫酸泄露量較大，摻雜部分油品，污染區(qū)域基本覆蓋整個慢車道和路肩，寬度為6.65 m.

第二區(qū)域(停車泄漏段)：長約30 m.事故貨車撞擊護欄停止，濃硫酸泄露量最大，污染區(qū)域基本覆蓋整個慢車道和路肩，寬度為6.65 m.

第三區(qū)域(縱坡流淌段)：長約130 m.由于道路坡度等因素影響，濃硫酸順延流淌，主要污染區(qū)域為半幅路肩，寬度為1.5 m，由于處置車輛車輪粘附，慢車道及路肩存在二次污染現(xiàn)象.

1.3 現(xiàn)場檢測方案

現(xiàn)場檢測人員通過人工觀測、鉆芯取樣、滲水及構造深度檢測等方法對污染區(qū)域進行檢測.現(xiàn)場取芯平面示意圖見圖1.

圖1 現(xiàn)場鉆芯位置及編號

1.4 構造深度

采用鋪砂儀測定各個污染路段的構造深度以評價濃硫酸及少量油污對瀝青路面表面構造深度的影響.檢測結果見表1.

表1 構造深度檢測結果

由現(xiàn)場構造深度可以看出，濃硫酸及少量油污暫時未對瀝青路面的抗滑性能造成明顯的影響，各斷面構造深度均滿足規(guī)范要求[3].

1.5 滲水狀況

采用滲水儀測定各個路段的滲水系數(shù)以評價濃硫酸及少量油污對瀝青路面滲水狀況的影響.檢測結果見表2.

表2 滲水系數(shù)檢測結果

由表2可知，濃硫酸及少量油污暫未對瀝青路面滲水狀況造成顯著影響.

2 室內試驗研究

針對濃硫酸污染對瀝青混凝土路面的影響，對芯樣的空隙率進行檢測，并對芯樣進行抽提回收，檢驗路面芯樣瀝青含量.由于廣東地處濕熱多雨，對鉆取的瀝青面層芯樣進行路用性能研究，采用馬歇爾穩(wěn)定度、浸水殘留穩(wěn)定度及標準浸水飛散損失等試驗評價濃硫酸對瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性能的影響.

2.1 芯樣外觀

從芯樣完整性來看，鉆取的芯樣均基本完整，在無外力作用下，芯樣無剝落情況.具體外觀描述圖2～4.

圖2 滑行泄漏段芯樣

圖3 停車泄漏段芯樣

圖4 縱坡流淌段芯樣

根據(jù)芯樣表面及內部腐蝕的情況初步判斷，停車泄漏段路肩區(qū)域處于濃硫酸集中泄漏區(qū)域，大量濃硫酸滲入芯樣內部，導致芯樣內部部分集料發(fā)黃；其他區(qū)域均腐蝕于表面.

2.2 芯樣空隙率

將鉆取芯樣進行清洗晾干，進行空隙率試驗，結果見表4.

由表4可知，空隙率大部分集中在3.0～6.0%之間.從路肩芯樣空隙率的均值可以看出，污染路段的空隙率大于未污染路段，這說明經過濃硫酸侵蝕后，混合料部分質量的缺失導致路面空隙率呈現(xiàn)增大的趨勢；慢車道整體污染程度低于路肩，從慢車道空隙率分布狀態(tài)暫看不出變化規(guī)律.

表4 瀝青路面芯樣空隙率

注：空隙率計算所用最大理論密度采用施工當天最大理論密度數(shù)據(jù).

2.3 瀝青含量檢測

對污染各個斷面芯樣進行瀝青含量檢測，研究濃硫酸對瀝青含量的影響規(guī)律，檢測結果見表5.

表5 瀝青含量檢測結果 %

由表5可知，各斷面芯樣瀝青含量與設計值差別不大，濃硫酸在短時間內對瀝青的溶蝕溶解作用不大.

2.4 路用性能試驗研究

對瀝青混凝土芯樣進行馬歇爾穩(wěn)定度、浸水48 h穩(wěn)定度和浸水飛散等試驗.其中浸水飛散試驗，先在(60±0.5)℃恒溫水槽中養(yǎng)生48 h，然后取出后在室溫中放置24 h[4].試驗結果見表6～7.

表6 芯樣馬歇爾穩(wěn)定度及殘留穩(wěn)定度試驗結果

表7 芯樣浸水飛散試驗結果

由表6～7可知，可初步判斷各路段濃硫酸污染的影響程度如下.

1) 與未污染段相比，滑行泄漏段芯樣的馬歇爾穩(wěn)定度下降了9.4%、5.6%，浸水48 h穩(wěn)定度下降了13.5%和12.7%，殘留穩(wěn)定度下降了4.6%和7.5%；浸水飛散損失增加31.6%和12.7%.說明在滑行泄漏段，濃硫酸已經對路面產生了影響，降低了路面的高溫性能和水穩(wěn)性能；

2) 與未污染段相比，停車泄漏段芯樣的馬歇爾穩(wěn)定度下降了23.8%，浸水48 h穩(wěn)定度下降了29.4%，殘留穩(wěn)定度下降了7.3%；浸水飛散質量損失增加169.6%，說明停車泄漏段，濃硫酸對瀝青混合料的強度和水穩(wěn)性能有較大的影響，并且濃硫酸已滲入瀝青面層內部，造成石料與瀝青粘結力下降，這也與芯樣啃邊現(xiàn)象嚴重相一致；

3) 與未污染段相比，縱坡流淌段芯樣的馬歇爾穩(wěn)定度下降了15.6%,10.0%，浸水48 h穩(wěn)定度下降了21.1%和46.9%，殘留穩(wěn)定度下降了6.5%和45.5%；浸水飛散質量損失增加98.7%.且部分芯樣在60 ℃浸水48 h后，粘結力下降明顯，用手輕掰芯樣即可斷裂，內部觀測集料與瀝青處于分離狀態(tài)，見圖5.說明縱坡流淌段，濃硫酸對瀝青混合料水穩(wěn)定性能影響較明顯.

圖5 浸水48 h后芯樣內部

綜上所述，濃硫酸對瀝青路面的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性均有一定的影響，泄漏量越多，路面表面腐蝕及下滲腐蝕越嚴重，對瀝青路面的路用性能影響越大.

3 機理分析

濃硫酸是一種具有高腐蝕性的強礦物酸，具有脫水性，強氧化性，強腐蝕性，難揮發(fā)性，酸性，吸水性等特征[5-6].濃硫酸對瀝青混凝土路面的侵蝕機理可從以下幾個方面解釋：

1) 濃硫酸具有較強的脫水性.濃硫酸接觸瀝青混凝土表面時，迅速將瀝青中的氫和氧按2:1的比例，以水的形式脫出，導致瀝青成分發(fā)生變化；

2) 濃硫酸作為一種強酸性物質，極易溶于水，而且在溶于水的同時會放出大量的熱量.瀝青混合料多采用堿性礦料，在遇水侵入混合料內部后，礦料中的化學成分與酸性物質反應[7-8]，促使礦料質地軟化，使其棱角消失，加速其在車輪反復滾動摩擦作用下的磨光作用，在礦料磨光的同時，路面抗滑摩擦系數(shù)、噪音、水霧、濺水、眩光等一系列表面功能也隨之下降，同時堿性石料在濃硫酸的作用下會逐漸分解，喪失強度，降低路面結構的承載能力[9-10]；

3) 堿性石料受濃硫酸強腐蝕后，部分礦物質流失導致集料表面及內部會產生不均勻小孔，瀝青的輕質組分會在毛細作用下滲流入集料表面的毛細孔中.由于輕質組分減少，瀝青質和膠質濃度相對升高，瀝青體系分子量分布和極性不平衡，殘留在集料表面的瀝青膜發(fā)生硬化，粘聚力下降，造成混合料變硬發(fā)脆，在車輛荷載和降水的共同作用下，容易出現(xiàn)開裂、松散、剝落等病害[7].

4 結 論

1) 濃硫酸對瀝青路面的影響機理主要為：瀝青碳化嚴重，且礦料中堿性成分的流失，瀝青組分由于滲流導致成分發(fā)生變化，瀝青硬化，導致瀝青與石料之間的粘結力下降，在車輛荷載和降水的共同作用下，容易出現(xiàn)開裂、松散、剝落等病害.

2) 從路面芯樣特征及試驗結果可得：濃硫酸對瀝青混凝土路面產生了不同程度的侵蝕作用，瀝青混凝土路面空隙率呈增大趨勢，高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性均有一定程度的下降，尤其是水穩(wěn)定性下降明顯.