新型除冰鹽對(duì)瀝青及瀝青混合料的侵蝕試驗(yàn)研究

肖慶一，白錫慶，胡海學(xué)，侯子義

（1.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072）

0 引言

1 原材料及混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 除冰鹽溶液

新型除冰鹽主要是堿金屬甲酸鹽或乙酸鹽，Tongyan Pan等通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)瀝青受除冰鹽溶液的侵蝕破壞進(jìn)行了模擬[3]，試驗(yàn)采用不同濃度的乙酸鈉、氯化鈉、氫氧化鈉、醋酸鈣鎂溶液進(jìn)行水煮試驗(yàn)以及瀝青侵蝕乳化試驗(yàn)，結(jié)果表明除冰鹽中的CH3COO-陰離子對(duì)侵蝕破壞起決定性作用，而陽離子影響較小。故本研究采用乙酸鈉為主要除冰化學(xué)劑。

1.2 瀝青結(jié)合料

本研究中采用的基質(zhì)瀝青為A級(jí)70號(hào)瀝青，改性瀝青采用SBS劑量4.5%，按照J(rèn)TJ052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[4]中試驗(yàn)方法對(duì)其測(cè)試，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青結(jié)合料主要技術(shù)指標(biāo)

表1的檢測(cè)結(jié)果表明，基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40—2004《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[5]的要求。

1.3 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

采用試算法確定AC-16瀝青混合料用礦質(zhì)集料的配合比，合成級(jí)配范圍通過量采用《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中所推薦的AC-16 C型范圍，合成級(jí)配結(jié)果為10～20mm碎石：5～10mm碎石∶石屑∶礦粉為26.5%∶25%∶45%∶3.5%。

通過試驗(yàn)最終確定瀝青混合料最佳油石比為4.2%。本研究中試驗(yàn)所用基質(zhì)瀝青混合料試件的油石比以最佳油石比為中值，按間隔0.3%等間距左右擴(kuò)展，即取3.9%、4.2%、4.5%三個(gè)值作為對(duì)比進(jìn)行分析。改性瀝青混合料試件的最佳油石比取4.2%，其確定過程與基質(zhì)瀝青相同。

2 試驗(yàn)方案

模擬瀝青及瀝青混合料受除冰鹽侵蝕環(huán)境條件，通過常規(guī)試驗(yàn)研究，評(píng)價(jià)瀝青、瀝青-礦料界面及混合料在不同除冰鹽濃度、不同侵蝕時(shí)間條件下的性能變化，具體試驗(yàn)方案如下：

1)將瀝青加熱熔融，在不銹鋼平盤中形成3mm的瀝青膜，浸泡在乙酸鈉溶液中待用；參考有關(guān)研究成果[6]，兼顧實(shí)際使用中除冰鹽溶液的濃度變化的實(shí)際情況，乙酸鈉溶液取0%（水）、2%、4%、6%、8%五種濃度，浸泡時(shí)間分別為短期2周、長期6個(gè)月，測(cè)定在溶液濃度及侵蝕時(shí)間兩個(gè)因素相互作用下瀝青的三大指標(biāo)及瀝青動(dòng)力黏度變化。

2）選用甲酸鉀、甲酸鈉、乙酸鉀、乙酸鈉、尿素五種除冰鹽，為了在較短的時(shí)間內(nèi)加速瀝青膜的剝落，分別配制成濃度為10%、20%、30%的溶液，采用水煮法觀察分析除冰鹽作用下集料表面瀝青膜的裹覆情況，估計(jì)瀝青膜的剝落程度，從而判斷除冰鹽對(duì)瀝青-礦料界面侵蝕情況。

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3）新型除冰鹽侵蝕瀝青路面通常是在高溫條件下發(fā)生而非凍融循環(huán)產(chǎn)生，例如在夏季或重鋪罩面后發(fā)生，而60℃恰好處于夏季路面的高溫條件，故將試件浸泡在60℃除冰鹽溶液中7 d以模擬瀝青路面受除冰鹽侵蝕環(huán)境[6]。試件制作采用擊實(shí)成型法，基質(zhì)瀝青油石比為3.9%、4.2%、4.5%，改性瀝青油石比為4.2%；乙酸鈉溶液濃度為0%（水）、2%、4%、6%、8%。分析在溶液濃度、瀝青混合料油石比、瀝青結(jié)合料三個(gè)因素相互作用下試件受除冰鹽溶液侵蝕后的劈裂抗拉強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 瀝青受除冰鹽侵蝕后性能變化

瀝青經(jīng)不同濃度的乙酸鈉溶液浸泡后，三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

表2 瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，瀝青隨著除冰鹽溶液濃度增加，針入度值逐漸增大，軟化點(diǎn)則呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，而瀝青的延度受除冰鹽溶液濃度的影響規(guī)律不是很明顯；對(duì)比經(jīng)過不同浸泡時(shí)間的瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果可知，相同溶液濃度下，浸泡時(shí)間越長，針入度值越大，軟化點(diǎn)越低，而延度也明顯受到除冰鹽的影響，瀝青絲拉伸長度大部分未達(dá)到150 cm即出現(xiàn)斷裂。說明在除冰鹽侵蝕作用下，瀝青發(fā)生軟化現(xiàn)象，且除冰鹽濃度越高，作用時(shí)間越長，現(xiàn)象越明顯。

采用真空減壓毛細(xì)管法測(cè)定瀝青受不同濃度除冰鹽侵蝕6個(gè)月后動(dòng)力黏度變化，并將其與相應(yīng)的瀝青針入度、軟化點(diǎn)綜合分析，結(jié)果如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，隨著溶液濃度的增加，瀝青的60℃動(dòng)力黏度呈減小趨勢(shì)，說明除冰鹽的侵蝕作用對(duì)瀝青的性能造成影響，瀝青黏度變小，在相同荷載作用下產(chǎn)生的剪切變形就增大，殘留的永久性塑性變形增大，從而抵抗車轍的本質(zhì)能力減弱。針入度和軟化點(diǎn)，是典型的條件黏度試驗(yàn)指標(biāo)，表現(xiàn)出的規(guī)律與動(dòng)力黏度試驗(yàn)結(jié)果類似，說明條件黏度法試驗(yàn)可作為判斷除冰鹽侵蝕瀝青結(jié)合料的判斷方法，而精度、重復(fù)性及物理意義較動(dòng)力黏度法要低一些。

3.2 除冰鹽對(duì)瀝青與集料的黏附性影響

由圖3可知：瀝青膜在5種除冰鹽溶液中的剝落程度以尿素溶液最為嚴(yán)重，瀝青膜大部分為水所移動(dòng)，只有局部保留在礦料顆粒表面，剝落面積百分率約達(dá)38%以上，黏附性等級(jí)只為2級(jí)。乙酸鹽溶液次之，當(dāng)溶液濃度較低時(shí)瀝青膜剝落面積百分率少于30%。甲酸鹽溶液相對(duì)稍好，但其黏附性等級(jí)也處于2～3級(jí)范圍。由試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，5種除冰鹽溶液水煮試驗(yàn)均反映，當(dāng)溶液濃度越高時(shí)，瀝青膜剝落程度越嚴(yán)重，30%的尿素溶液中瀝青膜剝落面積約達(dá)48%，石料的邊緣棱角處基本無瀝青膜裹覆。

試驗(yàn)表明，尿素、甲酸鹽、醋酸鹽等會(huì)對(duì)瀝青-礦料界面產(chǎn)生侵蝕破壞，導(dǎo)致瀝青與集料的黏附性下降，瀝青膜剝落。冬季撒布除冰鹽融冰雪后，部分鹽水沿路表裂縫和孔隙滲入路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)，待到天氣溫度上升，除冰鹽水不斷侵入瀝青與集料之間，對(duì)瀝青與集料的黏附力產(chǎn)生很大的影響，加之路面荷載的反復(fù)作用，瀝青膜逐漸剝落，隨著時(shí)間的增長，瀝青路面出現(xiàn)麻面、混合料松散、坑槽等病害。

3.3 瀝青混合料受除冰鹽侵蝕后強(qiáng)度變化

分析圖4中試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）除冰鹽溶液濃度越大，抗拉強(qiáng)度越低，且降低趨勢(shì)比較明顯，說明除冰鹽溶液對(duì)瀝青混合料的侵蝕作用與溶液濃度影響較大，試件在除冰鹽溶液的浸泡過程中，除冰鹽溶液侵蝕破壞瀝青-礦料界面，降低瀝青與集料的黏附性，加速瀝青薄膜的剝離，同時(shí)部分除冰鹽滲透進(jìn)入瀝青膜內(nèi)部，導(dǎo)致瀝青黏滯性降低，在這兩方面共同作用下，混合料抗拉強(qiáng)度降低；且隨著溶液濃度的增加，強(qiáng)度降低趨勢(shì)顯著；

2）微量改變?yōu)r青混合料的油石比，對(duì)劈裂試驗(yàn)結(jié)果的影響并不顯著。這表明微量波動(dòng)瀝青含量對(duì)于提高瀝青混合料抗除冰鹽侵蝕破壞的效果不明顯，說明通過提高瀝青用量、降低孔隙率的方法作為提高瀝青混合料抵抗除冰鹽侵蝕破壞技術(shù)手段，效果有待商榷。

3）改性瀝青混合料試件（油石比采用4.2%）經(jīng)除冰鹽溶液浸泡侵蝕后的抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果作為對(duì)比繪于圖4中，可知改性瀝青試件的劈裂強(qiáng)度值隨溶液濃度的增加而降低，說明除冰鹽對(duì)改性瀝青的侵蝕同樣受濃度影響；同時(shí)圖中試驗(yàn)結(jié)果顯示改性瀝青試件的劈裂抗拉強(qiáng)度要高于基質(zhì)瀝青試件，表明SBS改性劑的加入能增強(qiáng)瀝青的黏聚力，改善結(jié)合料-礦料界面處黏附性，其抵抗除冰鹽對(duì)瀝青混合料的侵蝕能力比基質(zhì)瀝青效果要好。

4 結(jié)語

通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M瀝青路面受侵蝕環(huán)境條件，從不同角度分析瀝青、瀝青-礦料界面及瀝青混合料受除冰鹽侵蝕破壞后性能變化，得出主要結(jié)論如下：

1）瀝青結(jié)合料在除冰鹽侵蝕作用下，發(fā)生軟化現(xiàn)象，且隨著溶液濃度的增加，作用時(shí)間增長，現(xiàn)象越明顯；同時(shí)采用真空減壓毛細(xì)管法測(cè)定瀝青的60℃動(dòng)力黏度，其結(jié)果進(jìn)一步證明了瀝青的軟化現(xiàn)象，且瀝青的黏度下降幅度與溶液的濃度和作用時(shí)間有密切的關(guān)系。

2）通過水（除冰鹽溶液）煮法試驗(yàn)可知，甲酸類、醋酸類除冰鹽對(duì)瀝青-礦料界面性能影響程度僅次于尿素，黏附性等級(jí)只能達(dá)到2～3級(jí)，難以滿足工程要求；且溶液濃度越高，瀝青膜的剝落越明顯，說明除冰鹽的浸入降低了瀝青與集料的黏附性。

3）瀝青混合料試件經(jīng)除冰鹽浸泡侵蝕后，劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的降低，降低趨勢(shì)隨溶液濃度的增加而顯著；通過對(duì)比改性瀝青混合料試件試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)同樣試驗(yàn)條件、試件成型技術(shù)下改性瀝青試件劈裂強(qiáng)度略高于基質(zhì)瀝青試件，可知改性瀝青在抵抗除冰鹽的侵蝕方面要優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

4）試驗(yàn)研究從瀝青、瀝青-礦料界面以及混合料三個(gè)角度分析了新型除冰鹽的侵蝕破壞規(guī)律，研究結(jié)果表明：新型除冰鹽侵蝕破壞瀝青路面形式是一種復(fù)合破壞模式，包含多種破壞形式：不但具有與傳統(tǒng)水損害類似的破壞性類似的形式，而且具有與高溫車轍病害類似的形式；瀝青的軟化、瀝青-礦料界面侵蝕破壞以及混合料強(qiáng)度的降低與除冰鹽溶液的濃度和作用時(shí)間表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性；SBS改性瀝青對(duì)于抵抗新型除冰鹽的侵蝕破壞具有良好的效果，但還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

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