硫酸鹽侵蝕下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律影響因素分析

陳朝輝

(許昌市市政實業(yè)有限公司,河南 許昌 461000)

瀝青路面建成后在行車荷載和干濕循環(huán)作用下其路用性能會逐漸衰減,而在我國西部地區(qū)存在大量鹽湖和鹽堿地,其含有的富余硫酸鹽類顆粒會侵蝕瀝青混合料,加劇其路用性能衰減。為此,研究硫酸鹽侵蝕對瀝青混合料路用性能的影響有重要意義。

熊銳等[1-4]研究了硫酸鹽侵蝕對瀝青混合料耐久性能的影響,發(fā)現(xiàn)硫酸鹽造成的瀝青混合料高溫、低溫及抗疲勞性能衰減程度明顯高于蒸餾水,且其濃度越高衰減程度越嚴(yán)重,此外還發(fā)現(xiàn)了SMA-13抗硫酸鹽侵蝕的能力強于AC-13;江曼等[5-6]研究了硫酸鹽侵蝕對聚酯纖維改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)隨聚酯纖維摻量的增加其混合料抗硫酸鹽侵蝕能力先上升后下降;任傳軍等[7]研究發(fā)現(xiàn),通過摻加短切纖維能弱化硫酸鹽對瀝青混合料水穩(wěn)性能的不利影響;曹睿[8]研究了硫酸鹽侵蝕對橡膠瀝青混合料路用性能的影響,發(fā)現(xiàn)硫酸鹽侵蝕造成其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性下降明顯,而對低溫抗裂性的影響相對較小。

現(xiàn)有研究主要涉及硫酸鹽侵蝕對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能的影響,對影響上述路用性能衰減規(guī)律的因素還缺乏系統(tǒng)研究。為此,通過干濕循環(huán)模擬硫酸鹽侵蝕,系統(tǒng)研究瀝青混合料空隙率、硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干濕循環(huán)次數(shù)和混合料類型對硫酸鹽侵蝕作用下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料

(1) 瀝青 選用SBS(I-D)改性瀝青,主要技術(shù)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[9]要求,如表1所列。

表1 SBS(I-D)改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

(2) 集料和級配 選用玄武巖集料,礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而得。級配為AC-13和SMA-13,各篩孔通過率如表2所列。

1.2 試驗

(1) 干濕循環(huán)試驗 以干濕循環(huán)試驗?zāi)M硫酸鹽對瀝青混合料侵蝕,具體為將瀝青混合料試件置于硫酸鹽溶液真空飽水,取出后移入30 ℃的同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鹽溶液浸泡12 h,進而置于30 ℃烘箱中12 h,即完成1次干濕循環(huán)。

(2) 車轍試驗 采用輪碾法成型300 mm×300 mm×50 mm瀝青混合料車轍試件,進行干濕循環(huán)后按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[10](下稱《規(guī)程》)進行車轍試驗,溫度60 ℃,輪壓0.7 MPa,然后計算動穩(wěn)定度損失率作為瀝青混合高溫穩(wěn)定性抗硫酸鹽侵蝕能力評價指標(biāo),計算公式為

表2 AC-13和SMA-13級配

(1)

其中:DL為動穩(wěn)定度損失率(%);DSW為清水干濕循環(huán)后的動穩(wěn)定度(次/mm);DSS為硫酸鹽干濕循環(huán)后的動穩(wěn)定度(次/mm)。

(3) 低溫小梁彎曲試驗 采用輪碾法成型300 mm×300 mm×50 mm瀝青混合料車轍試件后切割為250 m×30 mm×35 mm小梁,進行干濕循環(huán)后按《規(guī)程》[10]進行低溫彎曲試驗,溫度為-10 ℃,然后計算最大彎拉應(yīng)變損失率作為瀝青混合低溫抗裂性抗硫酸鹽侵蝕能力評價指標(biāo),計算公式為

(2)

其中:εL為最大彎拉應(yīng)變損失率(%);εW為清水干濕循環(huán)后的最大彎拉應(yīng)變(με);εS為硫酸鹽干濕循環(huán)后的最大彎拉應(yīng)變(με)。

(4) 凍融劈裂試驗 采用擊實法成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,進行干濕循環(huán)后按《規(guī)程》[10]進行凍融劈裂試驗,然后計算凍融劈裂強度比損失率作為瀝青混合水穩(wěn)定性抗硫酸鹽侵蝕能力評價指標(biāo),計算公式為

(3)

其中:TSRL為凍融劈裂強度比損失率(%);TSRW為清水干濕循環(huán)后的凍融劈裂強度比(%);TSRS為硫酸鹽干濕循環(huán)后的凍融劈裂強度比(%)。

2 硫酸鹽侵蝕作用下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律影響因素分析

2.1 空隙率

我國瀝青路面用密級配瀝青混合料設(shè)計空隙率約為4%,而瀝青路面現(xiàn)場壓實度要求為不小于97%,故現(xiàn)場瀝青路面施工完成時的空隙率最大能達到7%,而后在行車荷載的補充壓實作用下逐漸下降至設(shè)計空隙率。為此,有必要研究空隙率對硫酸鹽侵蝕作用下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律的影響。故通過改變油石比以AC-13級配分別成型空隙率為4%、5%、6%和7%的瀝青混合料試件,分別以清水和4%硫酸鹽溶液進行10次干濕循環(huán),進而進行車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗,試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同空隙率下瀝青混合料路用性能損失試驗結(jié)果Fig.1 Test results of asphalt mixture pavement performance loss under different void percentages

由圖1可知:

(1) 各個空隙率下硫酸鹽侵蝕后瀝青混合料的DL、εL和TSRL均明顯大于0,表明相較于清水,硫酸鹽侵蝕會造成瀝青混合料路用性能明顯下降。分析原因為水侵入瀝青集料界面后由于受水表面張力的作用會使瀝青膜從集料表面剝離,而硫酸鹽的加入使溶液的表面張力進一步加大,故瀝青從集料表面剝離速率加快。此外,干濕循環(huán)過程中,硫酸鹽會于瀝青混合料內(nèi)部結(jié)晶,體積膨脹,破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

(2) 硫酸鹽侵蝕對瀝青混合料水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能造成的衰減程度依次減小。4個瀝青混合料空隙率下TSRL、DL和εL的平均值分別為20.3%、18.0%和11.8%,且各個空隙率下均是TSRL>DL>εL。

(3) 隨著瀝青混合料空隙率的增加,硫酸鹽侵蝕對其路用性能造成的衰減程度和衰減速率均逐漸提高。空隙率增加時,DL、εL和TSRL均逐漸增加,其中空隙率由4%增加至7%時,DL、εL和TSRL分別增大9%、6%和8%,而空隙率變化區(qū)間為4%～5%、5%～6%和6%～7%時,DL、εL和TSRL隨空隙率變化曲線的斜率分別為2、1、1,3、3、3,4、2、4,整體上呈逐漸增大趨勢。

2.2 硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)

為分析不同硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)侵蝕條件下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律,制備4%空隙率瀝青混合料試件,分別以清水及2%、4%、6%和8%硫酸鹽溶液進行10次干濕循環(huán),進而進行車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗,試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)下瀝青混合料路用性能損失試驗結(jié)果Fig.2 Test results of asphalt mixture pavement performance loss under different sulfate concentrations

由圖2可知,隨著硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,瀝青混合料路用性能衰減程度和衰減速率均逐漸提高。硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時,DL、εL和TSRL均逐漸增加,其中硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%增加至8%時,DL、εL和TSRL分別增大14%、10%和12%;而硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化區(qū)間為2%～4%、4%～6%和6%～8%時,DL、εL和TSRL隨硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線的斜率分別為1.5、1、1,2、2、1.5,3.5、2、3.5,整體上呈逐漸增大趨勢。分析原因一方面為硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大加速了瀝青膜從集料表面的剝離速率,另一方面則是干濕循環(huán)過程中硫酸鹽結(jié)晶量增加,對于空隙率固定的瀝青混合料其體積膨脹造成的結(jié)構(gòu)損失也更加明顯。

2.3 干濕循環(huán)次數(shù)

為分析干濕循環(huán)次數(shù)對硫酸鹽侵蝕作用下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律的影響,制備4%空隙率瀝青混合料試件,分別以清水和4%硫酸鹽溶液進行10次、20次、30次和40次干濕循環(huán),進而進行車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗,試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下瀝青混合料路用性能損失試驗結(jié)果Fig.3 Test results of asphalt mixture pavement performance loss under different dry-wet cycles

由圖3可知,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,瀝青混合料路用性能衰減程度逐漸提高,尤其是干濕循環(huán)次數(shù)超過30次后表現(xiàn)明顯。干濕循環(huán)次數(shù)增加時,DL、εL和TSRL均逐漸增加,其中干濕循環(huán)次數(shù)由10次增加至30次時,DL、εL和TSRL分別增大2%、3%和3%;而由30次增加至40次時,三者分別增加4%、5%和5%。分析原因可能為干濕循環(huán)次數(shù)增加時瀝青混合料內(nèi)部損傷逐漸累積,達到一定程度后損傷突然加劇造成路用性能衰減速率加快。

2.4 混合料類型

為分析混合料類型對硫酸鹽侵蝕作用下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律的影響,制備4%空隙率AC-13和SMA-13瀝青混合料試件,分別以清水和4%硫酸鹽溶液進行10次干濕循環(huán),進而進行車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗, 試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同級配瀝青混合料路用性能損失試驗結(jié)果Fig.4 Test results of asphalt mixture pavement performance loss under different gradations

由圖4可知,SMA-13瀝青混合料抗硫酸鹽侵蝕能力優(yōu)于AC-13,尤其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性表現(xiàn)明顯。硫酸鹽侵蝕后,SMA-13瀝青混合料的DL和TSRL分別較AC-13降低3%,εL則較AC-13降低1%。分析原因為SMA-13瀝青用量和礦粉用量更高,在集料表面形成的瀝青膠漿膜更厚,抗侵蝕能力更強。

3 結(jié)語

(1) 硫酸鹽侵蝕能使瀝青混合料路用性能衰減程度明顯增加,且瀝青混合料空隙率、硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)或干濕循環(huán)次數(shù)增加時衰減程度更大;空隙率和硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時瀝青混合料路用性能衰減速率逐漸加快,而干濕循環(huán)次數(shù)則是超過30次后路用性能衰減速率明顯加快。

(2) 各個空隙率、硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干濕循環(huán)次數(shù)和混合料類型條件下,硫酸鹽侵蝕對瀝青混合料水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性造成的衰減程度依次減小。

(3) SMA-13瀝青混合料抗硫酸鹽侵蝕能力優(yōu)于AC-13,尤其對于高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性表現(xiàn)明顯,低溫抗裂性表現(xiàn)相對較弱。