硫酸盐侵蚀下沥青混合料路用性能衰减规律影响因素分析

2020-04-25陈朝辉

甘肃科学学报 2020年2期

陈朝辉

(许昌市市政实业有限公司,河南许昌 461000)

沥青路面建成后在行车荷载和干湿循环作用下其路用性能会逐渐衰减,而在我国西部地区存在大量盐湖和盐碱地,其含有的富余硫酸盐类颗粒会侵蚀沥青混合料,加剧其路用性能衰减。为此,研究硫酸盐侵蚀对沥青混合料路用性能的影响有重要意义。

熊锐等[1-4]研究了硫酸盐侵蚀对沥青混合料耐久性能的影响,发现硫酸盐造成的沥青混合料高温、低温及抗疲劳性能衰减程度明显高于蒸馏水,且其浓度越高衰减程度越严重,此外还发现了SMA-13抗硫酸盐侵蚀的能力强于AC-13;江曼等[5-6]研究了硫酸盐侵蚀对聚酯纤维改性沥青混合料水稳定性的影响,发现随聚酯纤维掺量的增加其混合料抗硫酸盐侵蚀能力先上升后下降;任传军等[7]研究发现,通过掺加短切纤维能弱化硫酸盐对沥青混合料水稳性能的不利影响;曹睿[8]研究了硫酸盐侵蚀对橡胶沥青混合料路用性能的影响,发现硫酸盐侵蚀造成其高温稳定性和水稳定性下降明显,而对低温抗裂性的影响相对较小。

现有研究主要涉及硫酸盐侵蚀对沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗疲劳性能的影响,对影响上述路用性能衰减规律的因素还缺乏系统研究。为此,通过干湿循环模拟硫酸盐侵蚀,系统研究沥青混合料空隙率、硫酸盐质量分数、干湿循环次数和混合料类型对硫酸盐侵蚀作用下沥青混合料路用性能衰减规律的影响。

1 试验概况

1.1 原材料

(1) 沥青选用SBS(I-D)改性沥青,主要技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[9]要求,如表1所列。

表1 SBS(I-D)改性沥青主要技术指标

(2) 集料和级配选用玄武岩集料,矿粉由石灰岩磨细而得。级配为AC-13和SMA-13,各筛孔通过率如表2所列。

1.2 试验

(1) 干湿循环试验以干湿循环试验模拟硫酸盐对沥青混合料侵蚀,具体为将沥青混合料试件置于硫酸盐溶液真空饱水,取出后移入30 ℃的同一质量分数硫酸盐溶液浸泡12 h,进而置于30 ℃烘箱中12 h,即完成1次干湿循环。

(2) 车辙试验采用轮碾法成型300 mm×300 mm×50 mm沥青混合料车辙试件,进行干湿循环后按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[10](下称《规程》)进行车辙试验,温度60 ℃,轮压0.7 MPa,然后计算动稳定度损失率作为沥青混合高温稳定性抗硫酸盐侵蚀能力评价指标,计算公式为

表2 AC-13和SMA-13级配

(1)

其中:DL为动稳定度损失率(%);DSW为清水干湿循环后的动稳定度(次/mm);DSS为硫酸盐干湿循环后的动稳定度(次/mm)。

(3) 低温小梁弯曲试验采用轮碾法成型300 mm×300 mm×50 mm沥青混合料车辙试件后切割为250 m×30 mm×35 mm小梁,进行干湿循环后按《规程》[10]进行低温弯曲试验,温度为-10 ℃,然后计算最大弯拉应变损失率作为沥青混合低温抗裂性抗硫酸盐侵蚀能力评价指标,计算公式为

(2)

其中:εL为最大弯拉应变损失率(%);εW为清水干湿循环后的最大弯拉应变(με);εS为硫酸盐干湿循环后的最大弯拉应变(με)。

(4) 冻融劈裂试验采用击实法成型标准马歇尔试件,进行干湿循环后按《规程》[10]进行冻融劈裂试验,然后计算冻融劈裂强度比损失率作为沥青混合水稳定性抗硫酸盐侵蚀能力评价指标,计算公式为

(3)

其中:TSRL为冻融劈裂强度比损失率(%);TSRW为清水干湿循环后的冻融劈裂强度比(%);TSRS为硫酸盐干湿循环后的冻融劈裂强度比(%)。

2 硫酸盐侵蚀作用下沥青混合料路用性能衰减规律影响因素分析

2.1 空隙率

我国沥青路面用密级配沥青混合料设计空隙率约为4%,而沥青路面现场压实度要求为不小于97%,故现场沥青路面施工完成时的空隙率最大能达到7%,而后在行车荷载的补充压实作用下逐渐下降至设计空隙率。为此,有必要研究空隙率对硫酸盐侵蚀作用下沥青混合料路用性能衰减规律的影响。故通过改变油石比以AC-13级配分别成型空隙率为4%、5%、6%和7%的沥青混合料试件,分别以清水和4%硫酸盐溶液进行10次干湿循环,进而进行车辙试验、低温小梁弯曲试验和冻融劈裂试验,试验结果如图1所示。

图1 不同空隙率下沥青混合料路用性能损失试验结果Fig.1 Test results of asphalt mixture pavement performance loss under different void percentages

由图1可知:

(1) 各个空隙率下硫酸盐侵蚀后沥青混合料的DL、εL和TSRL均明显大于0,表明相较于清水,硫酸盐侵蚀会造成沥青混合料路用性能明显下降。分析原因为水侵入沥青集料界面后由于受水表面张力的作用会使沥青膜从集料表面剥离,而硫酸盐的加入使溶液的表面张力进一步加大,故沥青从集料表面剥离速率加快。此外,干湿循环过程中,硫酸盐会于沥青混合料内部结晶,体积膨胀,破坏其内部结构。

(2) 硫酸盐侵蚀对沥青混合料水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性能造成的衰减程度依次减小。4个沥青混合料空隙率下TSRL、DL和εL的平均值分别为20.3%、18.0%和11.8%,且各个空隙率下均是TSRL>DL>εL。

(3) 随着沥青混合料空隙率的增加,硫酸盐侵蚀对其路用性能造成的衰减程度和衰减速率均逐渐提高。空隙率增加时,DL、εL和TSRL均逐渐增加,其中空隙率由4%增加至7%时,DL、εL和TSRL分别增大9%、6%和8%,而空隙率变化区间为4%～5%、5%～6%和6%～7%时,DL、εL和TSRL随空隙率变化曲线的斜率分别为2、1、1,3、3、3,4、2、4,整体上呈逐渐增大趋势。

2.2 硫酸盐质量分数

为分析不同硫酸盐质量分数侵蚀条件下沥青混合料路用性能衰减规律,制备4%空隙率沥青混合料试件,分别以清水及2%、4%、6%和8%硫酸盐溶液进行10次干湿循环,进而进行车辙试验、低温小梁弯曲试验和冻融劈裂试验,试验结果如图2所示。

图2 不同硫酸盐质量分数下沥青混合料路用性能损失试验结果Fig.2 Test results of asphalt mixture pavement performance loss under different sulfate concentrations

由图2可知,随着硫酸盐质量分数的增加,沥青混合料路用性能衰减程度和衰减速率均逐渐提高。硫酸盐质量分数增加时,DL、εL和TSRL均逐渐增加,其中硫酸盐质量分数由2%增加至8%时,DL、εL和TSRL分别增大14%、10%和12%;而硫酸盐质量分数变化区间为2%～4%、4%～6%和6%～8%时,DL、εL和TSRL随硫酸盐质量分数变化曲线的斜率分别为1.5、1、1,2、2、1.5,3.5、2、3.5,整体上呈逐渐增大趋势。分析原因一方面为硫酸盐质量分数的增大加速了沥青膜从集料表面的剥离速率,另一方面则是干湿循环过程中硫酸盐结晶量增加,对于空隙率固定的沥青混合料其体积膨胀造成的结构损失也更加明显。

2.3 干湿循环次数

为分析干湿循环次数对硫酸盐侵蚀作用下沥青混合料路用性能衰减规律的影响,制备4%空隙率沥青混合料试件,分别以清水和4%硫酸盐溶液进行10次、20次、30次和40次干湿循环,进而进行车辙试验、低温小梁弯曲试验和冻融劈裂试验,试验结果如图3所示。

图3 不同干湿循环次数下沥青混合料路用性能损失试验结果Fig.3 Test results of asphalt mixture pavement performance loss under different dry-wet cycles

由图3可知,随着干湿循环次数的增加,沥青混合料路用性能衰减程度逐渐提高,尤其是干湿循环次数超过30次后表现明显。干湿循环次数增加时,DL、εL和TSRL均逐渐增加,其中干湿循环次数由10次增加至30次时,DL、εL和TSRL分别增大2%、3%和3%;而由30次增加至40次时,三者分别增加4%、5%和5%。分析原因可能为干湿循环次数增加时沥青混合料内部损伤逐渐累积,达到一定程度后损伤突然加剧造成路用性能衰减速率加快。

2.4 混合料类型

为分析混合料类型对硫酸盐侵蚀作用下沥青混合料路用性能衰减规律的影响,制备4%空隙率AC-13和SMA-13沥青混合料试件,分别以清水和4%硫酸盐溶液进行10次干湿循环,进而进行车辙试验、低温小梁弯曲试验和冻融劈裂试验, 试验结果如图4所示。

图4 不同级配沥青混合料路用性能损失试验结果Fig.4 Test results of asphalt mixture pavement performance loss under different gradations

由图4可知,SMA-13沥青混合料抗硫酸盐侵蚀能力优于AC-13,尤其高温稳定性和水稳定性表现明显。硫酸盐侵蚀后,SMA-13沥青混合料的DL和TSRL分别较AC-13降低3%,εL则较AC-13降低1%。分析原因为SMA-13沥青用量和矿粉用量更高,在集料表面形成的沥青胶浆膜更厚,抗侵蚀能力更强。