侵蝕對透水纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

葉樹鵬，吳金榮*，陳 超

(1.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心,淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,淮南 232001)

透水瀝青路面有很多優(yōu)點，如防滑、降噪、避免路面積水等。但隨著瀝青路面使用年限的增加，會出現(xiàn)開裂、變形等破壞。同時，氯鹽類融雪劑被廣泛應(yīng)用在除雪、除冰中，鹽分對瀝青路面侵蝕作用加劇了瀝青路面的水損傷[1-3]。為此，研究人員做了大量的試驗研究。研究人員對瀝青的種類對透水瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響進行了試驗，結(jié)果表明高黏透水瀝青混合料以及在苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer,SBS)改性瀝青中添加高黏改性劑的混合料，其水穩(wěn)定性明顯高于SBS改性瀝青混合料[4]。通過在SBS改性瀝青中摻加纖維來代替TPS(tafpack-super)高黏改性瀝青，其瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫性能、低溫性能均達到或超過TPS高黏改性瀝青的混合料；表明摻加纖維的SBS改性瀝青和高黏改性瀝青性能相近[5]。通過在透水瀝青混合料中摻加消石灰、抗剝落劑以及普通硅酸鹽水泥來研究瀝青的抗剝落性，結(jié)果表明消石灰可以顯著改善瀝青的抗剝落性，可以替代抗剝落劑，普通硅酸鹽水泥的改善效果最差；因此，對于更易遭受水損害的透水瀝青混合料來說，添加適量的消石灰可以改善水穩(wěn)定性[6-8]。

在沿海地區(qū)，瀝青路面受海水鹽分影響嚴(yán)重，其中瀝青混合料的低溫抗裂性能顯著降低；同時，鹽分對瀝青混合料水穩(wěn)定性也有一定的影響[9]；在此基礎(chǔ)上，王富玉等[10]進一步研究了氯鹽對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響：隨著氯鹽濃度的增加，凍融劈裂抗拉強度逐漸降低。為了提高瀝青混合料的路用性能，研究人員在混合料中摻加聚酯纖維，試驗結(jié)果表明聚酯纖維能夠有效提高混合料的高溫性能、低溫性能以及水穩(wěn)定性[11]；吳金榮等[12]研究了聚酯纖維的摻量對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，聚酯纖維摻量為0.2%時，水穩(wěn)定性最佳；綜合以上研究，研究人員探索了摻加聚酯纖維、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維的瀝青混合料抵抗氯鹽侵蝕的能力，根據(jù)試驗得出玄武巖纖維能夠有效提高瀝青混合料抵抗氯鹽侵蝕的能力[13]。

通過上述文獻可知，關(guān)于鹽分對瀝青路面的影響已經(jīng)做了很多研究，研究人員也給出了提高瀝青路面抗鹽分侵蝕的建議，如改性瀝青、摻加不同的填料以及摻加纖維。關(guān)于水穩(wěn)定性的研究主要集中在密級配瀝青混合料，而透水瀝青混合料水穩(wěn)定性的研究較少?；诖?，現(xiàn)從透水瀝青混合料水穩(wěn)定性出發(fā)，探究透水瀝青混合料水穩(wěn)定性在鹽分作用下的變化規(guī)律，以期為提高透水瀝青混合料水穩(wěn)定性提供措施和方案。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 原材料

選用AH-70號重交瀝青，瀝青的性能參數(shù)如表1所示。

粗、細集料為石灰?guī)r，礦粉為石灰石礦粉，均滿足規(guī)范要求。試驗選用PAC-13型級配，礦料級配組成如表2所示。

采用某公司生產(chǎn)的聚酯纖維，外觀如圖1所示，技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表1 瀝青性能參數(shù)Table 1 Asphalt performance parameters

表2 礦料級配Table 2 Mineral aggregate gradation

表3 聚酯纖維的技術(shù)指標(biāo)Table 3 Indicators of polyester fiber

圖1 聚酯纖維Fig.1 Polyester fiber

聚酯纖維本身的強度高、韌性好、耐高溫，在瀝青混合料拌合以及冷卻成型后都能起到良好的聯(lián)結(jié)作用，使得集料與瀝青間的黏附性增強[14-15]。根據(jù)已有的研究表明，在透水瀝青混合料中聚酯纖維的摻量一般為0.3%～0.5%[16]。因此，選擇0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%的聚酯纖維摻量，來研究其水穩(wěn)定性能。

1.2 最佳瀝青用量

根據(jù)瀝青膜厚法可以得出透水瀝青混合料瀝青的初始用量為5%[17]，而最佳瀝青用量則由謝倫堡析漏試驗和馬歇爾試驗共同確定[18-19]。當(dāng)聚酯纖維摻量為0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%時，透水瀝青混合料的最佳瀝青用量分別為4.9%、5.0%、5.1%、5.2%、5.3%。

1.3 試驗方法

常溫狀態(tài)下，飽和NaCl溶液的濃度為26%、飽和Na2SO4溶液的濃度為16%。試驗研究飽和狀態(tài)以及半飽和狀態(tài)下的鹽溶液對透水瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，即濃度為13%、26%的NaCl溶液和濃度為8%、16%的Na2SO4溶液，同時設(shè)置清水對照組。

評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法有凍融劈裂試驗、浸水車轍試驗以及浸水馬歇爾試驗。浸水車轍試驗通過動態(tài)模擬，能夠較好地反映出路面實際情況，但試驗的可操作性差；浸水馬歇爾試驗不能有效反映實際路面情況；相較而言，凍融劈裂試驗簡單易操作，可以直觀地反映冬季瀝青路面在除冰鹽的作用下水穩(wěn)定性的變化[5]。

試件采用標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件[Φ(101.6±0.2)mm×(63.5±1.3)mm]，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[20]中要求的擊實法成型。由于聚酯纖維摻量不同，透水瀝青混合料的空隙率也有所差別，大致為17.4%～19.1%。

制作每種聚酯纖維摻量的馬歇爾試件各40個，5種摻量下共計200個。每種聚酯纖維摻量下的試件又分成5組，每組8個；其中平行試件為4個。前4組試件分別放置在13%、26%NaCl溶液和8%、16%Na2SO4溶液中，進行侵蝕；第五組試件放置在清水中，作為對照。

試驗前，先將每組8個試件中的4個平行試件進行真空飽水15 min；隨后在水或鹽溶液中浸泡0.5 h，再將試件與10 mL水或鹽溶液裝入密封袋中，在(-18±2)℃下保溫16 h；取出試件，將其放在裝滿相應(yīng)溶液，且溫度設(shè)置為(60±0.5)℃的恒溫水浴箱中保溫24 h，即完成凍融試驗。最后將剩下的4個平行試件與經(jīng)過凍融的平行試件一起放置在裝滿相應(yīng)溶液的(25±0.5)℃恒溫水浴箱中養(yǎng)生2 h后，按照50 mm/min的速率進行劈裂試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗結(jié)果

按照規(guī)范進行試件的劈裂試驗和凍融劈裂試驗，表4為最終的實驗結(jié)果。

其中凍融劈裂抗拉強度比(TSR)的計算公式為

(1)

式(1)中:RT1為未經(jīng)過凍融的瀝青混合料劈裂抗拉強度，MPa；RT2為凍融后的瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度，MPa。

2.2 聚酯纖維的影響

由表4可以看出，在聚酯纖維摻量從0.3%增加到0.5%的過程中，試件的劈裂抗拉強度、凍融劈裂抗拉強度都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在摻入的聚酯纖維為0.4%時，凍融前后的劈裂抗拉強度均達到峰值。

表4 凍融劈裂試驗結(jié)果Table 4 Test results of freeze-thaw splitting

以浸泡在清水中的試件為例，當(dāng)聚酯纖維摻量從0.3%增大到0.4%時，未經(jīng)凍融的試件劈裂抗拉強度由0.600 MPa增大至0.749 MPa，凍融后試件的劈裂抗拉強度由0.472 MPa增大至0.600 MPa；當(dāng)聚酯纖維摻量由0.4%逐漸增大到0.5%時，未經(jīng)凍融試件的劈裂抗拉強度反而由0.749 MPa逐漸減小至0.720 MPa，凍融后試件的劈裂抗拉強度則由0.600 MPa逐漸減小至0.390 MPa。由此可以看出，聚酯纖維摻量存在最佳值，而不是越多越好。

凍融劈裂抗拉強度比更能清楚地反映出試件強度的變化規(guī)律，是衡量瀝青混合料水穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[21-22]。在試件中的聚酯纖維從0.3%增加到0.5%的過程中，試件的凍融劈裂抗拉強度比也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；摻入的聚酯纖維為0.4%時，各組試件都達到了最大的凍融劈裂抗拉強度比，也說明試件的水穩(wěn)定性此時最佳。

2.3 NaCl溶液的影響

浸泡在不同濃度NaCl鹽溶液中的試件，其劈裂抗拉強度RT1、凍融劈裂抗拉強度RT2變化規(guī)律如圖2(a)、圖2(b)所示。

由圖2(a)和圖2(b)可以看出，當(dāng)試件中聚酯纖維摻量相同時，隨著NaCl溶液濃度增加，試件的劈裂抗拉強度、凍融劈裂抗拉強度均減小。聚酯纖維摻量為0.4%時，浸泡在13%和26%NaCl溶液中的試件劈裂抗拉強度分別為0.658、0.595 MPa，與浸泡在清水中的試件劈裂抗拉強度0.749 MPa相比，分別下降了12.1%、20.6%；浸泡在13%和26%NaCl溶液中的試件凍融劈裂抗拉強度分別為0.495、0.455 MPa，與浸泡在清水中試件的凍融劈裂抗拉強度0.600 MPa相比，分別下降了17.5%、24.2%。

浸泡在NaCl溶液中的試件，其劈裂抗拉強度、凍融劈裂抗拉強度較清水中的試件均有不同程度的下降；由此可以得出，NaCl溶液對透水瀝青混合料具有侵蝕作用；且經(jīng)過凍融后，NaCl溶液的侵蝕作用更加明顯。隨著NaCl溶液濃度的增加，試件凍融前后的劈裂抗拉強度都越來越低，侵蝕更加嚴(yán)重。

浸泡在NaCl溶液中的試件，其凍融劈裂抗拉強度比(TSR)變化規(guī)律如圖2(c)所示。

當(dāng)試件中聚酯纖維摻量相同時，試件的凍融劈裂抗拉強度比隨著NaCl溶液濃度的增加而逐漸減小。在聚酯纖維摻量為0.35%時，透水瀝青混合料浸泡在13%、26%的NaCl溶液中的凍融劈裂抗拉強度比分別為78.2%、75.6%，與放置在清水中試件的凍融劈裂抗拉強度比79.0%相比，分別下降0.8%和3.4%。由凍融劈裂抗拉強度比的變化規(guī)律可以得出，NaCl溶液濃度越大，試件的水穩(wěn)定性越差。

圖2 不同濃度NaCl溶液下的瀝青混合料指標(biāo)關(guān)系曲線Fig.2 The relationship curve of asphalt mixture index under different concentration of NaCl solution

2.4 Na2SO4溶液的影響

浸泡在Na2SO4溶液中的透水瀝青混合料劈裂抗拉強度、凍融劈裂抗拉強度如圖3(a)、圖3(b)所示。

由圖3可知，在經(jīng)過8%和16% Na2SO4溶液侵蝕過后的試件相較于清水環(huán)境下的試件雖然強度降低了，但下降幅度卻在變緩。0.4%纖維摻量情況下，8%和16% Na2SO4溶液侵蝕下的劈裂抗拉強度相較于清水環(huán)境下的強度分別下降了15.2%、23.1%，兩者僅相差7.9%。凍融劈裂抗拉強度同樣滿足該趨勢，0.4%纖維摻量情況下，浸泡在8%和16% Na2SO4溶液中試件的凍融劈裂抗拉強度相較于清水環(huán)境下的凍融劈裂抗拉強度分別下降了20%、34.8%，兩者相差14.8%。

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由以上的數(shù)據(jù)可以得出：隨著Na2SO4濃度的增加，劈裂抗拉強度以及凍融劈裂抗拉強度都有不同程度的下降。從清水達到半飽和鹽溶液狀態(tài)的過程中，試件的強度下降較多；然而鹽溶液從半飽和狀態(tài)和達到飽和狀態(tài)的過程中，試件的強度下降變緩。

浸泡在Na2SO4溶液中的試件，其凍融劈裂抗拉強度比(TSR)變化規(guī)律如圖3(c)所示。

圖3 不同濃度Na2SO4溶液下的瀝青混合料指標(biāo)關(guān)系曲線Fig.3 The relationship curve of asphalt mixture index under different concentration of Na2SO4 solution

在最佳摻量0.4%情況下，浸泡在清水中和8% Na2SO4溶液中試件的凍融劈裂抗拉強度比分別為80%和79.3%，兩者僅相差0.7%。然而浸泡在16% Na2SO4溶液中試件的凍融劈裂抗拉強度比67.9%，相較于浸泡在清水中和8% Na2SO4溶液中試件的凍融劈裂抗拉強度比分別下降12.1%和11.4%。

由此可見，雖然隨著鹽溶液濃度的增加，試件強度的降低有所減緩，但對試件本身而言仍然有較大的影響。

3 水穩(wěn)定性破壞分析

水穩(wěn)定性損傷是指瀝青薄膜和集料之間的水分阻斷了薄膜與集料的相互結(jié)合，瀝青薄膜發(fā)生脫落，導(dǎo)致試件的強度降低。

聚酯纖維狀態(tài)穩(wěn)定，抗酸堿腐蝕的性能極強，能夠減少水分和鹽溶液通過存在的縫隙進入瀝青膜和集料界面內(nèi)部，提高透水瀝青混合料抗水損和抗侵蝕的能力[11]。然而當(dāng)纖維摻量過多時，纖維不能有效的分布，聚集在一起，在試件的內(nèi)部形成薄弱層，加筋和橋接等增強作用減弱[23]。

如浸泡在清水中的試件，其凍融劈裂抗拉強度在纖維摻量為0.3%和0.35%時分別為0.472、0.494 MPa；在聚酯纖維摻量為0.4%時達到最大為0.600 MPa，相較于摻量為0.3%和0.35%的試件強度提升了27.1%和21.5%；0.45%和0.5%纖維摻量的試件凍融劈裂抗拉強度分別為0.400、0.390 MPa，相較于0.4%纖維摻量時的凍融劈裂抗拉強度則大幅降低了33.3%和35%，其凍融劈裂強度甚至低于0.3%和0.35%纖維摻量的試件。

試件的凍融劈裂抗拉強度比在聚酯纖維摻量為0.3%～0.4%時不斷上升，一旦聚酯纖維摻量超過0.4%，凍融劈裂抗拉強度比開始急劇下降，降幅超過20%。

無論是NaCl溶液還是Na2SO4溶液，均對透水瀝青混合料的水穩(wěn)定性有著嚴(yán)重影響。經(jīng)過飽和鹽溶液的侵蝕，凍融劈裂抗拉強度開始出現(xiàn)較大的差別，被Na2SO4溶液侵蝕的試件強度明顯低于被NaCl溶液侵蝕的試件強度；凍融劈裂抗拉強度比更能直觀地反映出這種差別。通過清水、飽和NaCl溶液和飽和Na2SO4溶液的對比發(fā)現(xiàn)，在摻入的聚酯纖維為0.4%時，透水瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比分別為80%、76.5%、67.9%。因此，Na2SO4溶液對試件水穩(wěn)定性的影響大于NaCl溶液。

在鹽溶液濃度較低時，被NaCl溶液、Na2SO4溶液侵蝕過的試件，其凍融劈裂抗拉強度比和浸泡在清水中的試件相比，差距都不大；然而被飽和鹽溶液侵蝕過的試件，其凍融劈裂抗拉強度比和浸泡在清水中的試件相比有較大差別。說明被飽和鹽溶液侵蝕過的試件，其內(nèi)部出現(xiàn)損傷，經(jīng)過凍融后，試件的劈裂強度快速下降。

因此，要避免瀝青路面被高濃度鹽溶液侵蝕。在冬季撒布融雪劑時，應(yīng)選擇鹽分含量較少的產(chǎn)品；避免撒布融雪劑后，路面的鹽溶液濃度大于鹽溶液的半飽和狀態(tài)。并且，硫酸鹽對于瀝青路面的影響明顯大于氯鹽；市政部門在選購融雪劑時，應(yīng)避免選擇含有硫酸鹽的融雪劑；對于復(fù)合鹽的融雪劑，也應(yīng)選擇硫酸鹽含量低的融雪劑。

與此同時，為了提高透水瀝青混合料抵抗鹽溶液侵蝕的能力，可以在透水瀝青混合料中摻加聚酯纖維。由試驗可知，摻入的聚酯纖維為0.4%時最佳，此時透水纖維瀝青混合料的各項性能均達到最佳，水穩(wěn)定性也是最好。

4 結(jié)論

通過對浸泡在不同種類不同濃度鹽溶液中的透水纖維瀝青混合料試件進行劈裂試驗，得到的結(jié)論如下。

(1)適量的聚酯纖維摻入到透水瀝青混合料中，可以改善透水瀝青混合料的水穩(wěn)定性，提高透水瀝青混合料抵抗鹽分侵蝕的能力。通過試驗可知，摻入的聚酯纖維為0.4%時最佳。

(2)鹽分對透水瀝青混合料的侵蝕損傷隨著鹽溶液濃度的增加而加深，水穩(wěn)定性也隨之降低。在融雪作業(yè)時，應(yīng)選擇低濃度鹽的融雪劑。

(3)NaCl溶液和Na2SO4溶液對透水纖維瀝青混合料的侵蝕效果不盡相同，從凍融劈裂抗拉強度比可以看出，Na2SO4溶液對透水纖維瀝青混合料的侵蝕更嚴(yán)重。因此，應(yīng)減少或避免使用硫酸鹽融雪劑，以減少道路損傷。