除冰盐对沥青混合料集料性能影响研究

2022-03-22刘亚洲王银燕

公路交通技术 2022年1期

刘亚洲，王银燕

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067； 2.重庆交通大学，重庆 400074)

沥青混合料由集料和沥青粘结料组成，沥青通过自身的粘结能力将大小不一的集料粘结在一起，集料在外力的作用下相互挤压，最终形成或密或疏的骨架结构，从而起到承担荷载的作用[1]。集料在整个沥青混合料中起到至关重要的作用，沥青混合料的强度、耐久性与集料的物理力学性能息息相关。

除冰盐在使用过程中与融化的冰雪共混形成盐溶液，而裸露在外的集料会最先受到盐溶液影响，此外在车辆荷载的作用下，盐溶液会通过混合料的空隙进入混合料内部，对集料造成影响，进而对混合料的路用性能产生影响[2-14]。

采用将集料整体浸泡的试验方法，通过浸泡前后集料磨耗值、压碎值的变化以及改进的粘附性试验来研究除冰盐对沥青混合料集料的影响。

1 集料技术指标与试验方法

1.1 集料技术指标

集料是道路工程中不可缺少的材料，其相关性能直接影响路面的使用性能。我国现行规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中对集料的相关控制指标如表1所示。

1.2 试验方法

试验采用干湿循环的方法，集料选用江苏镇江产的玄武岩集料，将筛分好的集料洗净，分别放入提前配置好的溶质质量分数为20%的盐溶液(氯化钠、氯化钙以及醋酸钠溶液)和纯水(作为对照组)中，浸泡7 d后取出，其中将盐溶液中的集料取出晾置1 d并冲洗干净，以此为一个干湿循环周期。为保证盐溶液的浓度，每完成1次干湿循环后更换1次盐溶液，分别测量经各种盐溶液以及纯水浸泡7 d、14 d、21 d、28 d后集料的相关性能指标。

表1 集料相关技术指标

2 除冰盐对集料性能的影响

2.1 对集料力学性能的影响

1) 磨耗值

集料的磨耗值反映集料抵抗表面磨损的能力，磨耗值越小表明集料的抗磨耗能力越强，试验对比经不同除冰盐溶液影响后集料磨耗值的变化来评价除冰盐溶液对集料磨耗值的影响。

具体试验步骤为：(1) 将被侵蚀过的4.75 mm～9.5 mm及9.5 mm～16 mm的集料每档各取2.5 kg共5 kg放入清水中洗净，烘干；(2) 将烘干后冷却至室温的集料放入洛杉矶磨耗仪中进行试验；(3) 试验完成后将样品从设备中取出，用1.7 mm的标准筛筛分试样，并用清水将试样洗净烘干至恒重；(4) 按照公式(1)计算集料的磨耗值。各盐溶液影响前后集料磨耗值的变化见图1。

图1 经各盐溶液以及纯水处理前后玄武岩集料磨耗值变化

(1)

式中：δ为洛杉矶磨耗损失，%；m0为试验前样品质量，g；m1为试验后1.7 mm筛上洗净烘干的样品质量，g。

2) 压碎值

集料的压碎值是石料力学性能的指标之一，其主要用于衡量石料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力。通过对比盐溶液处理前后集料压碎值的变化来评价盐溶液对集料相关性能影响。

具体试验步骤为：(1) 将被侵蚀过的9.5 mm～13.2 mm集料称取3 kg放入清水中洗净烘干；(2) 将烘干的试样进行压碎试验；(3) 试验完毕后，将试样过2.36 mm标准筛进行筛分；(4) 按照公式(2)计算集料的压碎值。试验结果见图2。

(2)

式中：δ′为集料压碎值，%；m2为试验后通过2.36 mm筛孔集料的质量，g。

图2 经各盐溶液以及纯水处理前后玄武岩集料压碎值变化

3) 试验结果分析

从图1、图2中可以看出，经不同盐溶液处理，集料磨耗值与压碎值指标变化规律近似。

(1) 经过不同盐溶液处理后的玄武岩集料的磨耗值与压碎值产生了变化，且呈上升的趋势；而在纯水环境下，该2项指标并未产生明显变化，波动幅度很小，可认为是试验误差所致。

(2) 玄武岩集料在经过3种盐溶液浸泡14 d，即2个干湿循环后，磨耗值与压碎值变化幅度均开始变大。其原因是3种盐都属于强电解质，在溶液状态下3种盐类都会完全电离，盐会以离子的形式通过集料表面的微裂缝进入集料内部并聚集。将集料从盐溶液中取出，在对其进行干燥的过程中，随着水分的流失，盐类形成结晶，体积发生膨胀。由于盐胀作用，集料的微裂缝进一步扩大，使集料内部产生应力，并随着循环次数的增加，盐类的作用越发明显，因此随干湿循环次数的增加，集料的磨耗值与压碎值均发生突变。相比之下，由于纯水中不存在其他杂质，经过干湿循环后，集料的表面以及内部均不会产生变化，因而曲线无明显趋势。

(3) 玄武岩集料经3种盐溶液侵蚀28 d，即4个干湿循环后发现，对集料磨耗值与压碎值影响最大的均是醋酸钠溶液，其次是氯化钠溶液和氯化钙溶液。醋酸钠溶液是强碱弱酸盐，溶液状态下醋酸根离子水解生成醋酸和氢氧根离子，由于集料中部分存在酸性矿物质，浸泡在醋酸钠溶液中的集料会与醋酸钠溶液产生碱集料反应，因此浸泡在醋酸钠溶液中的集料，一方面受到了醋酸钠溶液的化学腐蚀，另一方面因干湿循环产生盐胀，二者共同作用导致集料内部的应力增大，从而使其磨耗值与压碎值增大。而氯化钠以及氯化钙盐溶液均为中性，对集料几乎不存在化学腐蚀，在干湿循环过程中，由于晶体状态下氯化钙的吸水能力要远大于氯化钠，因此当二者都在干燥环境下从溶液状态变为晶体状态时，氯化钙会从附近空气中吸收水蒸气发生潮解，其对集料的盐胀影响要小于氯化钠造成的影响。

2.2 对集料粘附性能影响

沥青路面水损害是其常见的病害形式，也是我国当前沥青路面破坏的主要形式之一。由于沥青路面在使用过程中不可避免地会与水接触，水会随着路面的孔隙渗入路面内部与集料接触。在水的长期作用下，以及车辆动荷载等因素的共同影响，沥青加速剥落并被水流冲出沥青路面内部，从而导致沥青路面出现松散、剥落等病害[15]。

我国目前评价集料与沥青粘附性的方法主要是水煮法，经对比发现，采用传统水煮法试验，剥落程度变化用肉眼直观观察并没有明显区别，且无法确定剥落等级，为此对传统水煮法试验进行改进，具体试验步骤如下：

1) 选用粒径13.2 mm～16 mm的粗集料，将所称量的集料清洗干净，放入110 ℃恒温烘箱中烘至恒重；

2) 将处理好的粗集料浸入加热至熔融状态的沥青中浸没45 s，使集料表面充分裹附沥青，制备侵蚀试样；

3) 待试样冷却至室温，将其放入3种盐溶液以及纯水中，分别在5 ℃条件下浸泡7 d、14 d、21 d以及28 d；

4) 将侵蚀过后的试样进行水煮，烧杯中的水保持微沸状态，将试样放入烧杯中水煮3 min，然后将试样取出悬挂晾干；

5) 将晾干后的试样放入45 ℃恒温箱中加热 1 h，称其质量并记为m3，然后再放入盛有0.3 mm～0.6 mm的细集料盆中翻滚一圈再称其质量即为m4，然后计算m3与m4的差值δm。

试验步骤要点：

1) 选用的粗集料尽量形状规则，质量相差在 1 g 以内，同时保证各粗集料外形相差不大，以此保证其比表面积尽量相同；

2) 进行等量换算，通过上述步骤计算出δm，然后对其进行等量换算，即都换算成当集料为5 g时粘附细集料的量，比如当原集料为7 g，δm为1 g，换算后的δm′=5/7×1≈0.714 3 g。

试验结果见图3。

从图3可见，经过盐溶液处理后，细集料粘附量均发生了变化，且随浸泡时间的增加，其变化值也越显著。

1) 在经不同盐溶液浸泡后，细集料粘附量都出现不同程度的降低。表明在经过盐溶液浸泡后，沥青在集料表面均产生不同程度的剥落，由于盐分的侵蚀作用，致使沥青中软质成分减少，硬质成分增加，从而导致沥青粘附性降低。2) 长时间浸泡会导致部分盐离子渗入沥青内部，阻碍了沥青分子之间的相互连接，在水煮条件下，致使沥青的剥落量增加；3) 醋酸钠溶液为弱碱性，会与沥青中的某些酸酐发生反应，形成不溶于水的环烷酸盐，使沥青被腐蚀得更严重，即醋酸钠溶液会导致沥青的剥落程度更严重。