氯盐浸蚀下沥青及沥青混合料性能研究

王维涛

(山西省交通科学研究院　太原　030006)

氯盐浸蚀下沥青及沥青混合料性能研究

王维涛

(山西省交通科学研究院太原030006)

摘要为研究不同质量分数氯盐浸蚀作用对沥青及沥青混合料性能的影响，采用70号沥青及AC-13型沥青混合料进行氯盐浸蚀作用的性能试验。试验研究表明，氯盐浸蚀作用会加速基质沥青的硬化、脆化及老化；降低沥青混合料的高温、低温及水稳定及整体结构性能；当浓度达到8%时，沥青延度及混合料弯曲应变不能满足规范要求；浓度达到16%时，沥青混合料冻融劈裂强度比不能满足要求。

关键词沥青路面混合料氯盐浸蚀作用

沥青面层是我国最为常用的城市与高速公路路面结构形式，保证沥青路面冬季雪天畅通、安全运营具有重要的社会及经济意义[1]。而氯盐类融雪剂是目前最为常用的融雪剂之一，它虽能有效解决雪天的交通安全问题；但由于氯盐具有极强的腐蚀性，会对沥青路面造成浸蚀破坏，从而缩短沥青路面使用寿命[2]。因此，对氯盐浸蚀作用下沥青及沥青混合料性能的研究具有重要的工程实践意义。

本文通过室内试验，研究不同浓度氯盐浸蚀作用对沥青及沥青混合料性能的影响，为新型耐腐蚀路面材料的开发及后期的工程实践提供参考依据。

1原材料

1.1　沥青

选用中海70号基质沥青进行氯盐浸蚀下沥青及沥青混合料低温性能研究。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[3]中的要求检测沥青各项技术招标，具体试验方法按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[4]进行。中海70号基质沥青各项技术指标见表1。

表1　70号基质沥青主要技术性质

由表1可见，中海70号基质沥青的主要技术指标均符合规范要求。

1.2　集料

粗、细集料均选用石灰岩，根据《公路工程集料实验规程》(JTG E42-2005)[5]中的试验方法检测集料的主要技术性质，检测结果见表2。

表2　集料试验检测结果

本次选用的矿粉由石灰岩磨制而成，检测结果见表3。

表3　矿粉试验结果汇总表

由表2和表3可见，粗、细集料及矿粉的主要技术性质都能够满足规范要求。

1.3　沥青混合料

由于AC-13是目前沥青路面最为常用的混合料类型，因此本文选用AC-13型混合料进行氯盐浸蚀下沥青混合料的低温性能研究，采用马歇尔试验方法确定混合料的油石比为4.2%，混合料技术指标检测结果见表4。

表4　马歇尔试件检测结果

2氯盐浸蚀下沥青性能研究

2.1　试验方案

采用25 ℃针入度、软化点、延度评价氯盐浸蚀下沥青的低温性能。其中氯盐采用NaCl溶液，质量分数依次为8%，16%，24%。试验步骤如下。

(1) 将基质沥青加热至150～160 ℃，成流淌状态后浇筑针入度和延度试验试件。

(2) 常温下，将试件分别放入不同浓度的氯盐溶液中浸泡96 h。

(3) 取出进行沥青3大指标试验。

2.2　试验结果及分析

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[4]中的试验方法检测沥青的3大指标，检测结果见表5。

表5　氯盐浸泡后沥青3大指标

图1所示为25 ℃针入度与软化点随NaCl溶液浓度的关系曲线。

图1　针入度、软化点随NaCl溶液质量分数变化规律

由表5和图1可见，基质沥青的针入度和软化点指标符合规范要求，当经过氯盐溶液浸泡96 h后，25 ℃针入度都低于60(0.1 mm)，且针入度随着氯盐质量分数的增大而减小，但当氯盐质量分数超过16%时，针入度降低变化较小；经过氯盐溶液浸泡后，沥青的软化点指标显著升高，尤其是当NaCl溶液质量分数低于24%时，软化点的指标迅速升高。这说明，经过氯盐腐蚀使得沥青变硬、变脆，加速其老化。

图2所示为沥青延度随NaCl溶液质量分数的变化规律曲线。

图2　延度随NaCl溶液质量分数变化规律

从图2可以看出，随着NaCl溶液的质量分数增大，15 ℃和10 ℃延度的不断减小。尤其是当从0%增大至8%时，沥青的延度迅速降低；当超过8%时，2个延度指标都不能够满足规范要求。这说明氯盐浸蚀作用会降低沥青的延展性、延度，加速沥青老化。

综上所述氯盐溶液浸蚀作用会加速基质沥青的硬化、脆化及老化，主要原因是氯盐离子分布与沥青分子中，增大沥青分子量，增强沥青分子间的相互作用，需要较大的能量才能使得分子分开，因此需要吸收更多热量，针入度和软化点升高；此外，钠盐使沥青乳化，降低了沥青粘度及低温性能，部分氯盐以晶体块状结构存在沥青中，因此沥青延度降低。

3氯盐浸蚀下沥青混合料性能研究

将成型后的试件放入不同浓度的氯盐溶液中浸蚀96 h后，测试沥青混合料的高温、低温及水稳性能。

3.1　高温性能

采用轮碾法成型30 cm×30 cm×5 cm的车辙板，养生24 h后脱模，在质量分数为0%，8%，16%和24%的NaCl溶液浸泡96 h后，取出常温下风干，然后按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[4]中常规车辙试验方法，在60 ℃温度和0.7 MPa胎压下测试其动稳定度和车辙深度，评价其高温性能，检测结果见表6。

表6　车辙试验结果

图3所示为沥青混合料动稳定度与车辙深度随NaCl溶液的质量分数的变化规律曲线。

图3　动稳定度、车辙深度随NaCl

由表6和图3可见，随着NaCl溶液的质量分数增大，沥青混合料的动稳定度不断减小，车辙深度不断增大。当NaCl溶液的质量分数为16%时，经过96 h的浸蚀作用，动稳定度减小了731次/mm，降低28.1%；车辙深度加深了0.83 mm，增大近40%。当超过16%时，NaCl溶液的质量分数的变化对沥青混合料高温性能的影响较低，这与氯盐的质量分数对沥青性能的影响规律相似。这主要是因为水在沥青混合料中起润滑作用，水分进入沥青与集料之间会降低沥青与集料表面的接触角，粘结力降低，严重时会导致沥青剥落；钠盐与沥青作用，使沥青乳化，粘结能力降低，导致车辙板整体结构性能降低。

3.2　低温性能

采用轮碾法成型30 cm×30 cm×5 cm的车辙板，养生24 h后脱模，切割成长(250±2) mm，宽(30±2) mm，高(35±2) mm的长方体小梁试件，跨径L为200 mm。将小梁试件放入常温下0%，8%，16%和24%质量分数的NaCl溶液浸泡96 h后，取出常温下自然风干。利用MTS试验机在-10 ℃恒温箱中保温4 h后，进行3点弯曲试验，其中加载速率为50 mm/min。利用小梁的抗弯拉强度RB、梁底最大破坏应变εB、弯曲劲度模量SB来评价沥青混合料的低温性能，详细计算见式(1)～式(3)[4]。

(1)

(2)

(3)

式中:b为小梁试件跨中截面宽度，mm；H为小梁试件跨中截面高度，mm；PB为小梁试件破坏时的最大荷载，N；D为小梁试件破坏时的跨中挠度，mm。

低温试验结果见表7。

表7　小梁低温3点弯曲试验结果

图4所示为破坏应变与劲度模量随NaCl溶液的质量分数的变化规律曲线。

图4　破坏应变与劲度模量随NaCl

由表7可见，随着氯盐的质量分数的增大，小梁试件的低温弯曲破坏强度不断减小，当质量分数为24%时，弯拉破坏强度降低了2.7 MPa。图4和表7都表明随着NaCl溶液的质量分数的增大，试件的破坏应变不断减小、劲度模量不断增大；当超过8%时，小梁试件的弯曲破坏应变已经不能够满足2 000×10-6的规范要求。而且从小梁的破坏形态上看，小梁发生明显的脆性破坏，这说明氯盐浸蚀作用下，沥青混合料变硬、变脆，变形能力降低，这与盐溶液浸蚀作用下沥青的延度降低、针入度变大相符。

3.3　水稳定性

采用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验研究盐溶液浸蚀作用下沥青混合料的水稳定性。

(1) 浸水马歇尔试验。成型标准马歇尔试件，养生24 h脱模后，将试件放入质量分数为0%，8%，16%和24%的NaCl溶液浸泡96 h后，取出常温下自然风干。然后按照标准浸水马歇尔试验方法测试马歇尔试件的稳定度MS、浸水马歇尔稳定度MS1及浸水残留稳定度MS0，试验结果见表8。

表8　浸水马歇尔试验结果

由表8可见，随着盐溶液的质量分数增大，马歇尔试件的稳定度和浸水马歇尔稳定度及浸水残留稳定度都不断减小，但仍能够满足规范要求。

(2) 冻融劈裂试验。按照浸水马歇尔试验中的方法处理试件，然后按照标准冻融劈裂试验方法进行试验，测试试件的未冻融循环的劈裂强度RT1、冻融循环后的劈裂强度RT2、冻融劈裂强度比TSR。试验结果见表9。

表9　冻融劈裂试验结果

由表9可见，随着盐溶液的质量分数增大，马歇尔试件的RT1，RT2及TSR都不断减小，当达到16%时，马歇尔试件的冻融劈裂强度比低于75%的规范要求，这主要是因为盐分残留在混合料空隙内部，在冻融循环作用下膨胀，破坏沥青与集料的粘附作用，导致混合料的整体强度降低。因此，在盐溶液的浸蚀作用下，沥青混合料的水稳定性能降低。

综上所述，氯盐溶液的浸蚀作用降低了沥青粘度，减小了沥青与集料表面的接触角，同时盐分导致沥青乳化，粘结力降低，因此降低了沥青混合料的整体结构强度。

4结语

采用70号基质沥青及AC-13型混合料进行试验的结果表明，氯盐溶液浸蚀作用会加速基质沥青的硬化、脆化及老化，当浓度超过8%时10 ℃和15 ℃延度、混合料的弯曲应变指标均不能够满足规范要求；盐溶液的浸蚀作用降低了沥青粘度，减小了沥青与集料表面的接触角，同时盐分导致沥青乳化，粘结力降低，从而降低了沥青混合料的高温、低温及水稳定及整体结构性能。

参考文献

[1]宫晓东.乳化沥青的形成机理及在道路养护中的应用[J].山西交通科技,2003(1):33-34，45.

[2]洪乃丰.氯盐融雪剂是把“双刃剑”:浅议国外使用化冰盐的教训与经验[J].城市与减灾，2005(4):19-21.

[3]JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范[S].北京：人民交通出版社,2004.

[4]JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京：人民交通出版社,2011.

[5]JTG E42-2005公路工程集料实验规程[S].北京：人民交通出版社,2005.

The Research on the Performance of Asphalt and Asphalt

Mixture Under the Effect of Chloride Etching

WangWeitao

(Shanxi Provincial Research Institute of Communications, Taiyuan 030006, China)

Abstract：For the study of different concentrations of chlorine salt erosion effects on the properties of asphalt and asphalt mixture, the paper adopted 70# asphalt and AC-13 the asphalt mixture to conduct indoor tests, the results showed that the chlorine salt erosion effect will accelerate the hardening, embrittlement and aging of matrix asphalt, and reduce the high temperature performance, low temperature performance and water stability and overall structural performance of asphalt mixture. When the chlorine salt concentration is up to 8%, the asphalt ductility and the mixture bending strain can not meet the requirement of the specifications, while the concentration comes to 16%, the freeze-thaw splitting strength ratio of the asphalt mixture can not meet the requirements.

Key words:asphalt pavement; mixture; effect of chloride etching

收稿日期：2015-08-17

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.035