TLA改性瀝青及其混合料氯鹽侵蝕作用下的性能

孟勇軍*1,2，韋耿平1，李正華1，覃悅1，段躍華3，鄒海軍，江微

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004;2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室， 廣西南寧530004;3.廣西高速公路投資有限公司， 廣西南寧530022; 4.中交路橋華南工程有限公司， 廣東中山528403)

0 引言

北部灣沿海地區(qū)處于大陸與海洋過渡地帶，具有海洋性和大陸性雙重氣候特點[1]，由于常年受到海霧天氣影響，空氣中鹽度很大，易溶于水的氯鹽離子隨著水蒸氣易滲透到瀝青材料中去，瀝青路面受到鹽分的影響就變得非常顯著[2]。近年來沿海地區(qū)的TLA改性瀝青路面越來越多，但關(guān)于鹽霧環(huán)境下TLA改性瀝青路面抗鹽霧侵蝕性能的研究卻非常少[3]，本文研究老化后的TLA改性瀝青及其混合料抵抗鹽霧侵蝕性能的影響，為北部灣地區(qū)瀝青路面養(yǎng)護提供一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

考慮材料的普遍性和對照試驗，本次試驗所用的瀝青為70#基質(zhì)瀝青、特立尼達湖瀝青(trinidad lake asphalt,簡稱TLA)，外摻量25 %TLA改性瀝青，海水中鹽分主要是氯離子，因而采用NaCl鹽霧作為研究對象。

1.2 試驗方法

海水中的NaCl濃度在3.5 %左右，鹽霧試驗箱能夠更好地模擬沿海地區(qū)的鹽霧環(huán)境，試驗箱溫度控制在35 ℃，與北部灣地區(qū)溫度接近，用NaCl作溶質(zhì)配置鹽溶液，設(shè)置不同鹽濃度和不同鹽蝕時間，其中3 %接近海水的鹽濃度3.5 %[4-6]。

① 不同氯鹽濃度鹽霧試驗。

配制濃度分別為3 %、5 %、10 %、15 %的NaCl溶液，每種濃度作為一次獨立試驗，每次獨立試驗制作三個平行試件，將配制好的NaCl溶液倒入鹽霧試驗箱，再調(diào)節(jié)鹽霧箱室內(nèi)溫度至35 ℃，設(shè)置試驗天數(shù)6 d，最后將試件放入鹽霧箱蓋上蓋子后打開噴霧開關(guān)即可。

圖1 鹽霧試驗箱Fig.1 Salt spray test chamber

② 不同氯鹽侵蝕時間鹽霧試驗。

配制濃度為3 %的NaCl溶液，將NaCl溶液倒入鹽霧試驗箱。鹽霧時間分別設(shè)置為2、4、6、8 d,每個試驗時間作為一次獨立試驗，每次獨立試驗制作三個平行試件，將試件放入鹽霧箱蓋上蓋子后打開噴霧開關(guān)即可。

本實驗所用鹽霧試驗箱為正航儀器(香港)有限公司生產(chǎn)的ZH-QSH-120型鹽霧箱，試驗室及鹽水桶溫度調(diào)整至35 ℃，壓力桶溫度為47 ℃，儀器如圖1所示。

③ 短期老化試驗。

瀝青的短期老化試驗采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱進行模擬，主要標(biāo)的瀝青在拌和、運輸、貯存及攤鋪過程中的短時間老化性能。烘箱在(163±0.5)℃下預(yù)熱不少于16 h，箱內(nèi)空氣加熱均勻后將盛樣瓶放入環(huán)形金屬架，并調(diào)節(jié)流量計使空氣流量(4 000±200)mL/min，總持續(xù)時間為85 min。

④ 長期老化試驗。

瀝青的長期老化試驗采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化加上壓力老化進行模擬，主要標(biāo)的瀝青在攤鋪使用后很長一段時間內(nèi)發(fā)生的老化性能。將經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化后的瀝青試樣取出50±5 g，倒入標(biāo)準(zhǔn)薄膜烘箱盛樣皿中，形成厚約3.2 mm的瀝青薄膜，然后放入溫度設(shè)置為100 ℃的壓力老化儀中持續(xù)老化20 h。

2 瀝青試驗結(jié)果

2.1 瀝青老化后試驗結(jié)果

老化后的TLA改性瀝青的試驗結(jié)果見表1。

表1 瀝青老化試驗結(jié)果Tab.1 Results of asphalt aging test

2.2 瀝青老化后鹽霧試驗結(jié)果

老化后的TLA改性瀝青經(jīng)過兩種鹽霧條件侵蝕后的試驗結(jié)果見圖2～圖7。

圖2 針入度與NaCl溶液濃度
Fig.2 Penetration and salt concentration

圖3 軟化點與NaCl溶液濃度
Fig.3 Softening point and salt concentration

圖4 延度與NaCl溶液濃度
Fig.4 Ductility and salt concentration

圖5 針入度與鹽蝕時間
Fig.5 Penetration and corrosion time

圖6 軟化點與鹽蝕時間
Fig.6 Softening point and corrosion time

圖7 延度與鹽蝕時間
Fig.7 Ductility and corrosion time

由圖2～圖4可知，隨著NaCl溶液濃度的增加，老化后的瀝青三大指標(biāo)均發(fā)生了規(guī)律性的變化：①老化后的瀝青針入度均呈現(xiàn)出下降的趨勢，相鄰NaCl溶液濃度瀝青針入度變化，短期老化大于10 %，而長期老化小于10 %；②瀝青軟化點均呈現(xiàn)出上升的趨勢，而鹽霧作用后和鹽霧作用前相比，長期老化的瀝青軟化點增量比短期老化瀝青增量大；③老化后的TLA改性瀝青延度呈現(xiàn)出下降的趨勢，相鄰濃度的短期老化延度變化范圍在4 %～5 %，長期老化延度變化范圍在7 %～8 %。

由圖5～圖7可知，隨著鹽蝕時間的增加：①老化后的TLA改性瀝青針入度呈現(xiàn)出下降的趨勢，相鄰鹽蝕時間瀝青針入度變化，短期老化和長期老化比較接近，且均小于8 %；②瀝青軟化點均呈現(xiàn)出上升的趨勢，而鹽霧作用后和鹽霧作用前相比，長期老化的瀝青軟化點增量比短期老化瀝青增量大；③老化后的TLA改性瀝青的延度呈現(xiàn)出下降的趨勢，相鄰濃度的短期老化延度變化范圍在3 %～5 %，長期老化延度變化范圍在6 %～8 %。

3 瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

根據(jù)瀝青混合料在不同氯鹽鹽霧侵蝕后車轍試驗[7-8]的數(shù)據(jù)結(jié)果繪制瀝青混合料的動穩(wěn)定度、變形量與NaCl溶液濃度的擬合關(guān)系曲線，見圖8、圖9。

圖8 動穩(wěn)定度與NaCl溶液濃度擬合關(guān)系
Fig.8 Fitting relationship between
dynamic stability and chloride concentration

圖9 變形量與NaCl溶液濃度擬合關(guān)系
Fig.9 Fitting relationship betweendeformation and chloride concentration

由圖8至圖9的信息可以看出，在鹽霧作用時間相同的情況下，隨著NaCl溶液濃度的增加，基質(zhì)瀝青混合料和TLA改性瀝青混合料車轍板的動穩(wěn)定度和變形量均發(fā)生了規(guī)律性的變化：

① 基質(zhì)瀝青和TLA改性瀝青混合料車轍板的動穩(wěn)定度均呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢，TLA改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度始終比基質(zhì)瀝青混合料的動穩(wěn)定度高；

② 由擬合關(guān)系可知，兩種瀝青混合料的動穩(wěn)定度與NaCl溶液濃度變化關(guān)系有著非常好的線性關(guān)系，并且相較基質(zhì)瀝青混合料，TLA改性瀝青混合料動穩(wěn)定度與NaCl溶液濃度的相關(guān)性更好，動穩(wěn)定度隨著NaCl溶液濃度變化更顯著；

③ 基質(zhì)瀝青和TLA改性瀝青混合料的車轍板變形量整體呈現(xiàn)出上升趨勢，TLA改性瀝青混合料變形量始終比基質(zhì)瀝青混合料的變形量要小，TLA改性瀝青混合料比基質(zhì)瀝青混合料抗變形能力比基質(zhì)瀝青混合料強。在鹽霧侵蝕條件下，TLA改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性比基質(zhì)瀝青混合料好；

④ 由擬合關(guān)系可知，兩種瀝青混合料變形量與NaCl溶液濃度的相關(guān)性系數(shù)均大于0.9，相關(guān)性極佳，變形量隨著NaCl溶液濃度變化呈現(xiàn)線性變化的關(guān)系。

根據(jù)瀝青混合料在不同鹽霧侵蝕時間后車轍試驗[9-12]的數(shù)據(jù)結(jié)果繪制瀝青混合料的動穩(wěn)定度、變形量與鹽霧侵蝕時間的擬合關(guān)系曲線，見圖10、圖11。

圖10 動穩(wěn)定度與鹽蝕時間擬合關(guān)系
Fig.10 Fitting relationship betweendynamic stability and salt erosion time

圖11 變形量與鹽蝕時間擬合關(guān)系
Fig.11 Fitting relationship betweendeformation and salt erosion time

由圖10、圖11可以看出，在相同NaCl鹽霧濃度作用的情況下，隨著鹽蝕時間的增加，基質(zhì)瀝青混合料和TLA改性瀝青混合料車轍板的動穩(wěn)定度和變形量均發(fā)生了規(guī)律性的變化：

① 基質(zhì)瀝青和TLA改性瀝青混合料車轍板的動穩(wěn)定度均呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢，TLA改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度始終比基質(zhì)瀝青混合料的動穩(wěn)定度要高；

② 由擬合關(guān)系可知，兩種瀝青混合料的動穩(wěn)定度與鹽蝕天數(shù)有著非常好的線性關(guān)系，并且相較基質(zhì)瀝青混合料，TLA改性瀝青混合料動穩(wěn)定度與鹽蝕作用天數(shù)的相關(guān)性更好，動穩(wěn)定度隨著鹽蝕作用天數(shù)變化也更為顯著；

③ 基質(zhì)瀝青和TLA改性瀝青混合料的車轍板變形量整體呈現(xiàn)出上升的趨勢，TLA改性瀝青混合料的變形量始終比基質(zhì)瀝青混合料的變形量要小，TLA改性瀝青混合料比基質(zhì)瀝青混合料的抗變形能力要強；

④ 由擬合關(guān)系可知，兩種瀝青混合料變形量與鹽蝕作用天數(shù)的相關(guān)性系數(shù)均大于0.8，相關(guān)性較好，變形量隨著鹽蝕作用天數(shù)變化呈現(xiàn)線性變化的關(guān)系。

4 結(jié)論

本文通過鹽霧試驗箱模擬北部灣地區(qū)的鹽霧作用，研究了不同NaCl鹽霧濃度和不同鹽霧作用時間對TLA改性瀝青老化性能和混合料的高溫穩(wěn)定性的影響。經(jīng)鹽分侵蝕后瀝青組分中芳香分和飽和分的含量減小，瀝青質(zhì)含量相對增大，導(dǎo)致瀝青軟化點增大，針入度減小，滲入瀝青內(nèi)部的可溶性鹽會降低瀝青分子間的粘結(jié)力，使瀝青延度降低[13-15]。通過數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論：

① 與鹽蝕時間相比，NaCl鹽霧濃度對老化瀝青針入度影響更為顯著，其中對短期老化的影響比較大；兩種鹽霧作用均促使老化瀝青的軟化點上升，且鹽霧作用前后長期老化瀝青的軟化點增量明顯比短期老化瀝青的增量大；兩種鹽霧作用促使老化瀝青的延度下降，但兩種鹽霧作用對瀝青延度的破壞沒有明顯的差別；

② NaCl鹽霧作用下兩種老化后的瀝青中，長期老化瀝青的針入度更穩(wěn)定，短期老化瀝青的延度更穩(wěn)定；

③ 通過擬合關(guān)系的對比可知，兩種瀝青混合料的NaCl溶液濃度變化對動穩(wěn)定度的影響比鹽蝕作用時間對其影響更大，動穩(wěn)定度隨著NaCl溶液濃度增大而下降的速率比隨著鹽蝕天數(shù)增加而下降的速率大，說明NaCl溶液濃度的增加會比鹽蝕作用時間的增加更能造成瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的破壞；

④ 通過擬合關(guān)系的對比可知，基質(zhì)瀝青和TLA改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度和變形量與鹽蝕條件相關(guān)性系數(shù)都在0.85以上，說明瀝青混合料的動穩(wěn)定度和變形量都與鹽蝕濃度和鹽蝕作用時間呈線性相關(guān)的關(guān)系。