除冰鹽對(duì)瀝青混合料集料性能影響研究

劉亞洲， 王銀燕

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074)

瀝青混合料由集料和瀝青粘結(jié)料組成，瀝青通過(guò)自身的粘結(jié)能力將大小不一的集料粘結(jié)在一起，集料在外力的作用下相互擠壓，最終形成或密或疏的骨架結(jié)構(gòu)，從而起到承擔(dān)荷載的作用[1]。集料在整個(gè)瀝青混合料中起到至關(guān)重要的作用，瀝青混合料的強(qiáng)度、耐久性與集料的物理力學(xué)性能息息相關(guān)。

除冰鹽在使用過(guò)程中與融化的冰雪共混形成鹽溶液，而裸露在外的集料會(huì)最先受到鹽溶液影響，此外在車輛荷載的作用下，鹽溶液會(huì)通過(guò)混合料的空隙進(jìn)入混合料內(nèi)部，對(duì)集料造成影響，進(jìn)而對(duì)混合料的路用性能產(chǎn)生影響[2-14]。

采用將集料整體浸泡的試驗(yàn)方法，通過(guò)浸泡前后集料磨耗值、壓碎值的變化以及改進(jìn)的粘附性試驗(yàn)來(lái)研究除冰鹽對(duì)瀝青混合料集料的影響。

1 集料技術(shù)指標(biāo)與試驗(yàn)方法

1.1 集料技術(shù)指標(biāo)

集料是道路工程中不可缺少的材料，其相關(guān)性能直接影響路面的使用性能。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中對(duì)集料的相關(guān)控制指標(biāo)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用干濕循環(huán)的方法，集料選用江蘇鎮(zhèn)江產(chǎn)的玄武巖集料，將篩分好的集料洗凈，分別放入提前配置好的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鹽溶液(氯化鈉、氯化鈣以及醋酸鈉溶液)和純水(作為對(duì)照組)中，浸泡7 d后取出，其中將鹽溶液中的集料取出晾置1 d并沖洗干凈，以此為一個(gè)干濕循環(huán)周期。為保證鹽溶液的濃度，每完成1次干濕循環(huán)后更換1次鹽溶液，分別測(cè)量經(jīng)各種鹽溶液以及純水浸泡7 d、14 d、21 d、28 d后集料的相關(guān)性能指標(biāo)。

表1 集料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

2 除冰鹽對(duì)集料性能的影響

2.1 對(duì)集料力學(xué)性能的影響

1) 磨耗值

集料的磨耗值反映集料抵抗表面磨損的能力，磨耗值越小表明集料的抗磨耗能力越強(qiáng)，試驗(yàn)對(duì)比經(jīng)不同除冰鹽溶液影響后集料磨耗值的變化來(lái)評(píng)價(jià)除冰鹽溶液對(duì)集料磨耗值的影響。

具體試驗(yàn)步驟為：(1) 將被侵蝕過(guò)的4.75 mm～9.5 mm及9.5 mm～16 mm的集料每檔各取2.5 kg共5 kg放入清水中洗凈，烘干；(2) 將烘干后冷卻至室溫的集料放入洛杉磯磨耗儀中進(jìn)行試驗(yàn)；(3) 試驗(yàn)完成后將樣品從設(shè)備中取出，用1.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩篩分試樣，并用清水將試樣洗凈烘干至恒重；(4) 按照公式(1)計(jì)算集料的磨耗值。各鹽溶液影響前后集料磨耗值的變化見圖1。

圖1 經(jīng)各鹽溶液以及純水處理前后玄武巖集料磨耗值變化

(1)

式中：δ為洛杉磯磨耗損失，%；m0為試驗(yàn)前樣品質(zhì)量，g；m1為試驗(yàn)后1.7 mm篩上洗凈烘干的樣品質(zhì)量，g。

2) 壓碎值

集料的壓碎值是石料力學(xué)性能的指標(biāo)之一，其主要用于衡量石料在逐漸增加的荷載下抵抗壓碎的能力。通過(guò)對(duì)比鹽溶液處理前后集料壓碎值的變化來(lái)評(píng)價(jià)鹽溶液對(duì)集料相關(guān)性能影響。

具體試驗(yàn)步驟為：(1) 將被侵蝕過(guò)的9.5 mm～13.2 mm集料稱取3 kg放入清水中洗凈烘干；(2) 將烘干的試樣進(jìn)行壓碎試驗(yàn)；(3) 試驗(yàn)完畢后，將試樣過(guò)2.36 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分；(4) 按照公式(2)計(jì)算集料的壓碎值。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

(2)

式中：δ′為集料壓碎值，%；m2為試驗(yàn)后通過(guò)2.36 mm篩孔集料的質(zhì)量，g。

圖2 經(jīng)各鹽溶液以及純水處理前后玄武巖集料壓碎值變化

3) 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖1、圖2中可以看出，經(jīng)不同鹽溶液處理，集料磨耗值與壓碎值指標(biāo)變化規(guī)律近似。

(1) 經(jīng)過(guò)不同鹽溶液處理后的玄武巖集料的磨耗值與壓碎值產(chǎn)生了變化，且呈上升的趨勢(shì)；而在純水環(huán)境下，該2項(xiàng)指標(biāo)并未產(chǎn)生明顯變化，波動(dòng)幅度很小，可認(rèn)為是試驗(yàn)誤差所致。

(2) 玄武巖集料在經(jīng)過(guò)3種鹽溶液浸泡14 d，即2個(gè)干濕循環(huán)后，磨耗值與壓碎值變化幅度均開始變大。其原因是3種鹽都屬于強(qiáng)電解質(zhì)，在溶液狀態(tài)下3種鹽類都會(huì)完全電離，鹽會(huì)以離子的形式通過(guò)集料表面的微裂縫進(jìn)入集料內(nèi)部并聚集。將集料從鹽溶液中取出，在對(duì)其進(jìn)行干燥的過(guò)程中，隨著水分的流失，鹽類形成結(jié)晶，體積發(fā)生膨脹。由于鹽脹作用，集料的微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，使集料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，并隨著循環(huán)次數(shù)的增加，鹽類的作用越發(fā)明顯，因此隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，集料的磨耗值與壓碎值均發(fā)生突變。相比之下，由于純水中不存在其他雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，集料的表面以及內(nèi)部均不會(huì)產(chǎn)生變化，因而曲線無(wú)明顯趨勢(shì)。

(3) 玄武巖集料經(jīng)3種鹽溶液侵蝕28 d，即4個(gè)干濕循環(huán)后發(fā)現(xiàn)，對(duì)集料磨耗值與壓碎值影響最大的均是醋酸鈉溶液，其次是氯化鈉溶液和氯化鈣溶液。醋酸鈉溶液是強(qiáng)堿弱酸鹽，溶液狀態(tài)下醋酸根離子水解生成醋酸和氫氧根離子，由于集料中部分存在酸性礦物質(zhì)，浸泡在醋酸鈉溶液中的集料會(huì)與醋酸鈉溶液產(chǎn)生堿集料反應(yīng)，因此浸泡在醋酸鈉溶液中的集料，一方面受到了醋酸鈉溶液的化學(xué)腐蝕，另一方面因干濕循環(huán)產(chǎn)生鹽脹，二者共同作用導(dǎo)致集料內(nèi)部的應(yīng)力增大，從而使其磨耗值與壓碎值增大。而氯化鈉以及氯化鈣鹽溶液均為中性，對(duì)集料幾乎不存在化學(xué)腐蝕，在干濕循環(huán)過(guò)程中，由于晶體狀態(tài)下氯化鈣的吸水能力要遠(yuǎn)大于氯化鈉，因此當(dāng)二者都在干燥環(huán)境下從溶液狀態(tài)變?yōu)榫w狀態(tài)時(shí)，氯化鈣會(huì)從附近空氣中吸收水蒸氣發(fā)生潮解，其對(duì)集料的鹽脹影響要小于氯化鈉造成的影響。

2.2 對(duì)集料粘附性能影響

瀝青路面水損害是其常見的病害形式，也是我國(guó)當(dāng)前瀝青路面破壞的主要形式之一。由于瀝青路面在使用過(guò)程中不可避免地會(huì)與水接觸，水會(huì)隨著路面的孔隙滲入路面內(nèi)部與集料接觸。在水的長(zhǎng)期作用下，以及車輛動(dòng)荷載等因素的共同影響，瀝青加速剝落并被水流沖出瀝青路面內(nèi)部，從而導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)松散、剝落等病害[15]。

我國(guó)目前評(píng)價(jià)集料與瀝青粘附性的方法主要是水煮法，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)水煮法試驗(yàn)，剝落程度變化用肉眼直觀觀察并沒有明顯區(qū)別，且無(wú)法確定剝落等級(jí)，為此對(duì)傳統(tǒng)水煮法試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，具體試驗(yàn)步驟如下：

1) 選用粒徑13.2 mm～16 mm的粗集料，將所稱量的集料清洗干凈，放入110 ℃恒溫烘箱中烘至恒重；

2) 將處理好的粗集料浸入加熱至熔融狀態(tài)的瀝青中浸沒45 s，使集料表面充分裹附瀝青，制備侵蝕試樣；

3) 待試樣冷卻至室溫，將其放入3種鹽溶液以及純水中，分別在5 ℃條件下浸泡7 d、14 d、21 d以及28 d；

4) 將侵蝕過(guò)后的試樣進(jìn)行水煮，燒杯中的水保持微沸狀態(tài)，將試樣放入燒杯中水煮3 min，然后將試樣取出懸掛晾干；

5) 將晾干后的試樣放入45 ℃恒溫箱中加熱 1 h，稱其質(zhì)量并記為m3，然后再放入盛有0.3 mm～0.6 mm的細(xì)集料盆中翻滾一圈再稱其質(zhì)量即為m4，然后計(jì)算m3與m4的差值δm。

試驗(yàn)步驟要點(diǎn)：

1) 選用的粗集料盡量形狀規(guī)則，質(zhì)量相差在 1 g 以內(nèi)，同時(shí)保證各粗集料外形相差不大，以此保證其比表面積盡量相同；

2) 進(jìn)行等量換算，通過(guò)上述步驟計(jì)算出δm，然后對(duì)其進(jìn)行等量換算，即都換算成當(dāng)集料為5 g時(shí)粘附細(xì)集料的量，比如當(dāng)原集料為7 g，δm為1 g，換算后的δm′=5/7×1≈0.714 3 g。

試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

從圖3可見，經(jīng)過(guò)鹽溶液處理后，細(xì)集料粘附量均發(fā)生了變化，且隨浸泡時(shí)間的增加，其變化值也越顯著。

1) 在經(jīng)不同鹽溶液浸泡后，細(xì)集料粘附量都出現(xiàn)不同程度的降低。表明在經(jīng)過(guò)鹽溶液浸泡后，瀝青在集料表面均產(chǎn)生不同程度的剝落，由于鹽分的侵蝕作用，致使瀝青中軟質(zhì)成分減少，硬質(zhì)成分增加，從而導(dǎo)致瀝青粘附性降低。2) 長(zhǎng)時(shí)間浸泡會(huì)導(dǎo)致部分鹽離子滲入瀝青內(nèi)部，阻礙了瀝青分子之間的相互連接，在水煮條件下，致使瀝青的剝落量增加；3) 醋酸鈉溶液為弱堿性，會(huì)與瀝青中的某些酸酐發(fā)生反應(yīng)，形成不溶于水的環(huán)烷酸鹽，使瀝青被腐蝕得更嚴(yán)重，即醋酸鈉溶液會(huì)導(dǎo)致瀝青的剝落程度更嚴(yán)重。

(a) 鹽溶液影響下基質(zhì)瀝青的細(xì)集料粘附量變化

(b) 鹽溶液影響下SBS改性瀝青的細(xì)集料粘附量變化

(c) 鹽溶液影響下橡膠瀝青的細(xì)集料粘附量變化

3 結(jié)論

對(duì)經(jīng)過(guò)除冰鹽溶液浸泡和干濕循環(huán)(7 d為一個(gè)循環(huán))后的玄武巖粗集料進(jìn)行了侵蝕試驗(yàn)，采用洛杉磯磨耗值和壓碎值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)對(duì)除冰鹽溶液影響前后的瀝青-粗集料試件進(jìn)行了改進(jìn)粘附性試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

1) 經(jīng)過(guò)溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氯化鈉、氯化鈣以及醋酸鈉溶液浸泡后玄武巖集料的磨耗值和壓碎值均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且隨著浸泡時(shí)間和干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大，影響按由大到小排序均為：醋酸鈉>氯化鈉>氯化鈣。

2) 改進(jìn)的粘附性試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)不同鹽溶液侵蝕后，細(xì)集料的粘附量發(fā)生了不同程度的降低，且因醋酸鈉溶液為弱堿性，經(jīng)其浸泡后，細(xì)集料的粘附量下降程度最大，工程中建議綜合考慮除冰鹽的融冰效果需求以及其對(duì)路面材料的侵蝕性選擇除冰鹽。