融雪鹽溶液凍融循環(huán)作用下瀝青混合料路用性能研究

潘家誠

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616)

0 引言

我國的公路運營里程位居世界第一，大多數(shù)高等級公路面層均采用瀝青混合料，而熱拌瀝青的路用性能雖在工程實踐中得到普遍認可，但由于熱拌瀝青在鋪筑過程中需要消耗大量的能源，且會產(chǎn)生有毒有害氣體。為了適應(yīng)綠色環(huán)保的發(fā)展理念，溫拌瀝青技術(shù)應(yīng)運而生。溫拌瀝青相較于熱拌瀝青具有節(jié)能減排、降低施工溫度、降低勞動成本、加快施工速度、延長道路使用壽命、延長冬季施工期等一系列優(yōu)點，可以帶來較為顯著的社會經(jīng)濟效益，因而在近些年來得到快速發(fā)展[1-5]。

我國領(lǐng)土的南北跨度大，東西地勢相差較大，在北方地區(qū)及西部高海拔地區(qū)，冬季氣溫較低且時間長，導(dǎo)致道路出現(xiàn)積雪情況，為了保證行車安全，往往需要在路面上鋪灑大量的融雪劑以加快積雪融化。瀝青路面處于融雪鹽溶液的周期性浸泡當(dāng)中，會加劇瀝青路面的損傷，從而導(dǎo)致瀝青路面路用性能劣化。為了推動溫拌瀝青技術(shù)在這些地區(qū)的應(yīng)用，就必須考慮融雪鹽浸泡及凍融循環(huán)所導(dǎo)致的路用性能的劣化程度問題[6-10]。

本文以熱拌90#基質(zhì)瀝青混合料(HMA)為基礎(chǔ)，向其中摻入溫拌劑制備溫拌瀝青混合料，對比分析這兩種瀝青混合料在濃度為8%的CaCl2融雪鹽溶液中凍融循環(huán)的路用性能劣化情況，以期能為季凍區(qū)公路瀝青路面的合理選擇提供借鑒。

1 瀝青混合料拌制

1.1 原材料

粗集料：優(yōu)質(zhì)石灰石，表觀相對密度為2.72，堆積密度為1.42 g/cm3，洛杉磯磨耗損失為17.3%，吸水率為0.65%，石料壓碎值為14.2%，針片狀顆粒含量為4.6%，堅固性為9，與瀝青粘附性為5級，磨光值(PSV)為46 BPN。

細集料：機制砂，表觀相對密度為2.72，毛體積相對密度為2.62，堆積密度為1.41 g/cm3，水洗法<0.075 mm顆粒含量為0.4%。

填料：礦粉，表觀密度為2.706 g/cm3，無團粒結(jié)塊。

1.2 熱拌瀝青混合料

選擇AH-90#基質(zhì)瀝青并以AC-16級配結(jié)構(gòu)作為研究對象，AC-16各類礦料的級配曲線如圖1所示。AH-90#熱拌瀝青的主要性能指標(biāo)為：針入度(25 ℃，5 s，100 g)為9.3(0.1 mm)，延度為152 cm，軟化點為45.5 ℃，溶解度為99.97%，閃點為305 ℃，密度為1 001 kg/m3，蠟含量(蒸餾法)為1.91%。AH-90#熱拌瀝青的拌和溫度為160 ℃，壓實溫度為145 ℃，骨料的加熱溫度為170 ℃。設(shè)計4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%五組油石比，對比不同油石比下的馬歇爾試驗結(jié)果，如下頁表1所示。從圖1可以看到，隨著油石比增大，90#熱拌瀝青基質(zhì)混合料的毛體積相對密度和穩(wěn)定度呈先增大后減小的變化特征，空隙率則呈逐漸降低的變化趨勢，粒料間隙率、有效瀝青飽和度以及流值呈逐漸增大的變化特征。根據(jù)馬歇爾試驗結(jié)果，確定得到的密度、穩(wěn)定度、空隙率和瀝青飽和度等參數(shù)的最大值和最小值范圍用量，然后求得中值為4.8%，因此，AC-16熱拌瀝青的最佳油石比為4.8%。

圖1 AC-16瀝青混合料合成級配對比曲線圖

表1 熱拌瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果表

1.3 溫拌瀝青混合料

研究表明，熱拌瀝青與溫拌瀝青的最佳油石比基本相同，因此，將AH-90#瀝青作為溫拌瀝青混合料的基質(zhì)瀝青，暫定溫拌瀝青的拌和溫度為廠家建議的140 ℃，將基質(zhì)瀝青加熱至140 ℃，待瀝青處于流態(tài)狀后，加水和溫拌劑并攪拌50 min，溫拌劑的摻量分別為0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%，對比摻入不同溫拌劑后，溫拌瀝青混合料的針入度、延度和軟化點與熱拌瀝青的區(qū)別，如表2所示。由表2可以看到：摻入溫拌劑后，瀝青的硬度及軟化點均有逐漸提升的趨勢，而延度在溫拌劑摻量>0.20%后，會逐漸減小。因此，綜合考慮瀝青的針入度、延度和軟化點三大指標(biāo)變化情況，確定溫拌瀝青的溫拌劑最佳摻量為0.2%。

表2 溫拌劑摻量對瀝青三大指標(biāo)的影響試驗結(jié)果表

確定好最佳油石比和最佳溫拌劑摻量后，還需要確定溫拌瀝青的最佳拌和溫度。以廠家建議的140 ℃為基準，設(shè)計120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃五種拌和溫度，對應(yīng)的壓實溫度分別為110 ℃、120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃，對每種拌和溫度下的瀝青混合料進行空隙率測試，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看到：隨著拌和溫度的升高，瀝青空隙率呈逐漸降低趨勢，但是當(dāng)拌和溫度達到150 ℃后，空隙率的降低幅度大大變緩。AH-90#基質(zhì)瀝青的空隙率為4.3%，為了更好地對比兩種瀝青材料的路用性能，需要使溫拌瀝青混合料的空隙率與熱拌瀝青的保持相同。通過試驗結(jié)果最終確定了溫拌瀝青的拌和溫度為138 ℃，壓實溫度為128 ℃。

圖2 不同拌和溫度下溫拌瀝青混合料空隙率變化曲線圖

2 凍融循環(huán)試驗方案

2.1 鹽溶液類型選擇

在北方及一些高海拔地區(qū)，冬季氣溫較低，路面時常有積雪影響交通出行，需要在路面上鋪灑大量的融雪劑將積雪快速融化。常用的融雪劑類型包括氯鹽型融雪劑(NaCl、CaCl2、MgCl2)、非氯鹽型融雪劑(CMA)和混合型融雪劑。其中，氯鹽型融雪劑是當(dāng)前使用最廣泛的融雪劑，而在氯鹽型融雪劑當(dāng)中，CaCl2融雪劑的融雪效率較高，且環(huán)保性好、無毒，因此本文選擇CaCl2融雪劑作為鹽溶液材料。根據(jù)前人研究成果，融雪鹽濃度過低，會導(dǎo)致融雪效率太低，影響行人出行；融雪鹽濃度過高，則會對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的侵蝕效果，因而一般將融雪劑鹽溶液濃度設(shè)定在8%左右。

2.2 試驗內(nèi)容及試件制備

高溫穩(wěn)定性試驗：按照上文制備熱拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料的方法分別制備高溫車轍試件。試件的尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。試驗溫度為60 ℃。對試件施加0.7 MPa的輪載來模擬交通荷載，橡膠輪的碾壓速率為40次/min，試驗時間為1 h，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算動穩(wěn)定度。

低溫抗裂性試驗：將高溫車轍試件切割成250 mm×30 mm×35 mm尺寸大小的棱柱體小梁。先將試件放入-10 ℃的恒溫箱中，保持1 h，然后進行低溫彎曲試驗，加載速率為50 mm/min，跨徑大小為20 cm。

水穩(wěn)定性馬歇爾試驗：按照上文制備熱拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料的方法將混合料旋轉(zhuǎn)擊實成型，試件的標(biāo)準尺寸為：直徑×高=101.6 mm×63.5 mm的圓柱形試件。將經(jīng)歷凍融循環(huán)的試件放入25 ℃水中浸泡2 h，然后進行馬歇爾試驗，加載速率為50 mm/min，測試劈裂強度。

2.3 凍融循環(huán)試驗方案

綜合考慮凍融循環(huán)試驗時間、試驗溫度以及循環(huán)次數(shù)，設(shè)計如下的試驗方案：將制備好的試件放入清水中浸泡飽水，然后放置于8%濃度的CaCl2融雪鹽溶液中，將浸泡試件的鹽溶液放入恒溫試驗箱中，先保持在-20 ℃溫度下16 h，然后再將溫度調(diào)高至60 ℃下保持恒溫24 h。一個凍融循環(huán)的總時長為40 h，設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)分別為0次、5次、10次、20次，對比分析兩種瀝青混合料在不同鹽溶液凍融循環(huán)作用下的路用性能。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

試驗得到的兩種瀝青混合料在不同鹽凍融循環(huán)次數(shù)下的動穩(wěn)定度變化曲線如圖3所示。由圖3可知：未經(jīng)歷凍融循環(huán)時，熱拌瀝青的動穩(wěn)定度為3 085次/mm，溫拌瀝青的動穩(wěn)定度為3 215次/mm，溫拌瀝青的動穩(wěn)定度比AH-90#基質(zhì)瀝青提高了4.2%。由此可見，加入溫拌劑對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不會產(chǎn)生不利影響。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩種瀝青的動穩(wěn)定度均呈逐漸降低趨勢，且下降幅度越來越大，這是因為隨著凍融循環(huán)的進行，試件的凍融損傷越嚴重，內(nèi)部經(jīng)多次鹽凍融侵蝕之后會形成更多的孔隙、裂隙，因而所能承受的車轍磨損越小。在5次、10次和15次凍融循環(huán)后，熱拌瀝青的動穩(wěn)定度分別下降6.1%、17.6%和30.4%，溫拌瀝青的動穩(wěn)定度分別下降6.8%、17.4%及36.2%；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)≤10次時，溫拌瀝青的動穩(wěn)定度大于熱拌瀝青，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到15次后，溫拌瀝青的動穩(wěn)定度小于熱拌瀝青。由此可見，溫拌瀝青在凍融循環(huán)后期的性能衰減幅度將超過熱拌瀝青，在季凍區(qū)的使用年限上可能會不如熱拌瀝青，這將在之后做進一步研究。

圖3 動穩(wěn)定度變化對比曲線圖

3.2 低溫抗裂性

試驗得到的兩種瀝青混合料在不同鹽凍融循環(huán)次數(shù)下的低溫彎曲破壞應(yīng)變變化曲線如圖4所示。由圖4可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩種瀝青混合料的低溫彎曲破壞應(yīng)變均呈逐漸減小的變化特征，表明瀝青混合料在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，試件的延性變形特性逐漸減弱，脆性破壞特征逐漸明顯，這主要還是因為鹽溶液侵蝕導(dǎo)致試件內(nèi)部的膠結(jié)聯(lián)結(jié)力降低，因而抵抗變形的能力降低。在5次、10次和15次凍融循環(huán)后，熱拌瀝青的破壞應(yīng)變分別下降5.3%、11.6%和20.0%，溫拌瀝青的動穩(wěn)定度分別下降4.7%、16.3%及25.2%。從整體上看，經(jīng)歷不同鹽凍融循環(huán)之后，溫拌瀝青的彎曲破壞應(yīng)變小于熱拌瀝青。由此可見，加入溫拌劑可能會導(dǎo)致瀝青混合料的低溫抗裂性降低，但其劣化機理有待進一步研究。而在經(jīng)歷15次凍融循環(huán)后，溫拌瀝青的彎曲破壞應(yīng)變?nèi)?2 300με，滿足技術(shù)要求。

圖4 低溫彎曲破壞應(yīng)變變化對比曲線圖

3.3 水穩(wěn)性

試驗得到的兩種瀝青混合料在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的劈裂強度如圖5所示。從圖5可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩種瀝青混合料的劈裂強度均呈逐漸減小的趨勢。在5次、10次和15次凍融循環(huán)后，熱拌瀝青的劈裂強度比(TSR)分別為97.6%、90.2%和75.9%，溫拌瀝青的動穩(wěn)定度分別下降92.1%、81.6%及70.5%，溫拌瀝青的劈裂強度比下降幅度更快，表明凍融循環(huán)對于溫拌瀝青的影響程度要大于熱拌瀝青，但在15次凍融循環(huán)后，劈裂強度比均滿足規(guī)范要求的≥70%。從整體上來看，相同凍融循環(huán)次數(shù)下，溫拌瀝青的劈裂強度要大于熱拌瀝青，這可能是因為溫拌劑的發(fā)泡過程使瀝青的黏度降低，而硬度則有所增大。

圖5 劈裂強度變化對比曲線圖

4 結(jié)語

基于AH-90#基質(zhì)瀝青，分別拌制熱拌瀝青和溫拌瀝青，并對兩種瀝青混合料在融雪劑鹽溶液凍融循環(huán)作用下的路用性能進行分析，得出如下結(jié)論：

(1)AC-16熱拌瀝青的最佳油石比為4.8%，拌和溫度和壓實溫度分別為160 ℃和145 ℃；在熱拌瀝青基礎(chǔ)上，摻入溫拌劑制備溫拌瀝青，溫拌劑最佳摻量為0.2%，拌和溫度和壓實溫度分別為138 ℃和128 ℃。

(2)摻入溫拌劑后，瀝青混合料在凍融循環(huán)作用下的性能衰減幅度大于熱拌瀝青，凍融循環(huán)對于溫拌瀝青的影響程度要大于熱拌瀝青；相同凍融循環(huán)作用下，熱拌瀝青的低溫抗裂性強于溫拌瀝青，而溫拌瀝青的水穩(wěn)性要強于熱拌瀝青；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)≤10次時，溫拌瀝青的動穩(wěn)定度大于熱拌瀝青，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到15次后，溫拌瀝青的動穩(wěn)定度小于熱拌瀝青。

(3)溫拌瀝青在季凍區(qū)的使用年限可能會短于熱拌瀝青，這與溫拌劑摻入導(dǎo)致瀝青混合料出現(xiàn)性能劣化有關(guān)，相關(guān)劣化機理有待在后期作進一步研究。