陳朝輝

(許昌市市政實(shí)業(yè)有限公司,河南 許昌 461000)

瀝青路面建成后在行車(chē)荷載和干濕循環(huán)作用下其路用性能會(huì)逐漸衰減,而在我國(guó)西部地區(qū)存在大量鹽湖和鹽堿地,其含有的富余硫酸鹽類(lèi)顆粒會(huì)侵蝕瀝青混合料,加劇其路用性能衰減。為此,研究硫酸鹽侵蝕對(duì)瀝青混合料路用性能的影響有重要意義。

熊銳等[1-4]研究了硫酸鹽侵蝕對(duì)瀝青混合料耐久性能的影響,發(fā)現(xiàn)硫酸鹽造成的瀝青混合料高溫、低溫及抗疲勞性能衰減程度明顯高于蒸餾水,且其濃度越高衰減程度越嚴(yán)重,此外還發(fā)現(xiàn)了SMA-13抗硫酸鹽侵蝕的能力強(qiáng)于AC-13;江曼等[5-6]研究了硫酸鹽侵蝕對(duì)聚酯纖維改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)隨聚酯纖維摻量的增加其混合料抗硫酸鹽侵蝕能力先上升后下降;任傳軍等[7]研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)摻加短切纖維能弱化硫酸鹽對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)性能的不利影響;曹睿[8]研究了硫酸鹽侵蝕對(duì)橡膠瀝青混合料路用性能的影響,發(fā)現(xiàn)硫酸鹽侵蝕造成其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性下降明顯,而對(duì)低溫抗裂性的影響相對(duì)較小。

現(xiàn)有研究主要涉及硫酸鹽侵蝕對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能的影響,對(duì)影響上述路用性能衰減規(guī)律的因素還缺乏系統(tǒng)研究。為此,通過(guò)干濕循環(huán)模擬硫酸鹽侵蝕,系統(tǒng)研究瀝青混合料空隙率、硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干濕循環(huán)次數(shù)和混合料類(lèi)型對(duì)硫酸鹽侵蝕作用下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

(1) 瀝青 選用SBS(I-D)改性瀝青,主要技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[9]要求,如表1所列。

表1 SBS(I-D)改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

(2) 集料和級(jí)配 選用玄武巖集料,礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而得。級(jí)配為AC-13和SMA-13,各篩孔通過(guò)率如表2所列。

1.2 試驗(yàn)

(1) 干濕循環(huán)試驗(yàn) 以干濕循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M硫酸鹽對(duì)瀝青混合料侵蝕,具體為將瀝青混合料試件置于硫酸鹽溶液真空飽水,取出后移入30 ℃的同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鹽溶液浸泡12 h,進(jìn)而置于30 ℃烘箱中12 h,即完成1次干濕循環(huán)。

(2) 車(chē)轍試驗(yàn) 采用輪碾法成型300 mm×300 mm×50 mm瀝青混合料車(chē)轍試件,進(jìn)行干濕循環(huán)后按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[10](下稱(chēng)《規(guī)程》)進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn),溫度60 ℃,輪壓0.7 MPa,然后計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度損失率作為瀝青混合高溫穩(wěn)定性抗硫酸鹽侵蝕能力評(píng)價(jià)指標(biāo),計(jì)算公式為

表2 AC-13和SMA-13級(jí)配

(1)

其中:DL為動(dòng)穩(wěn)定度損失率(%);DSW為清水干濕循環(huán)后的動(dòng)穩(wěn)定度(次/mm);DSS為硫酸鹽干濕循環(huán)后的動(dòng)穩(wěn)定度(次/mm)。

(3) 低溫小梁彎曲試驗(yàn) 采用輪碾法成型300 mm×300 mm×50 mm瀝青混合料車(chē)轍試件后切割為250 m×30 mm×35 mm小梁,進(jìn)行干濕循環(huán)后按《規(guī)程》[10]進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn),溫度為-10 ℃,然后計(jì)算最大彎拉應(yīng)變損失率作為瀝青混合低溫抗裂性抗硫酸鹽侵蝕能力評(píng)價(jià)指標(biāo),計(jì)算公式為

(2)

其中:εL為最大彎拉應(yīng)變損失率(%);εW為清水干濕循環(huán)后的最大彎拉應(yīng)變(με);εS為硫酸鹽干濕循環(huán)后的最大彎拉應(yīng)變(με)。

(4) 凍融劈裂試驗(yàn) 采用擊實(shí)法成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,進(jìn)行干濕循環(huán)后按《規(guī)程》[10]進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn),然后計(jì)算凍融劈裂強(qiáng)度比損失率作為瀝青混合水穩(wěn)定性抗硫酸鹽侵蝕能力評(píng)價(jià)指標(biāo),計(jì)算公式為

(3)

其中:TSRL為凍融劈裂強(qiáng)度比損失率(%);TSRW為清水干濕循環(huán)后的凍融劈裂強(qiáng)度比(%);TSRS為硫酸鹽干濕循環(huán)后的凍融劈裂強(qiáng)度比(%)。

2 硫酸鹽侵蝕作用下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律影響因素分析

2.1 空隙率

我國(guó)瀝青路面用密級(jí)配瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率約為4%,而瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度要求為不小于97%,故現(xiàn)場(chǎng)瀝青路面施工完成時(shí)的空隙率最大能達(dá)到7%,而后在行車(chē)荷載的補(bǔ)充壓實(shí)作用下逐漸下降至設(shè)計(jì)空隙率。為此,有必要研究空隙率對(duì)硫酸鹽侵蝕作用下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律的影響。故通過(guò)改變油石比以AC-13級(jí)配分別成型空隙率為4%、5%、6%和7%的瀝青混合料試件,分別以清水和4%硫酸鹽溶液進(jìn)行10次干濕循環(huán),進(jìn)而進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同空隙率下瀝青混合料路用性能損失試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Test results of asphalt mixture pavement performance loss under different void percentages

由圖1可知:

(1) 各個(gè)空隙率下硫酸鹽侵蝕后瀝青混合料的DL、εL和TSRL均明顯大于0,表明相較于清水,硫酸鹽侵蝕會(huì)造成瀝青混合料路用性能明顯下降。分析原因?yàn)樗秩霝r青集料界面后由于受水表面張力的作用會(huì)使瀝青膜從集料表面剝離,而硫酸鹽的加入使溶液的表面張力進(jìn)一步加大,故瀝青從集料表面剝離速率加快。此外,干濕循環(huán)過(guò)程中,硫酸鹽會(huì)于瀝青混合料內(nèi)部結(jié)晶,體積膨脹,破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

(2) 硫酸鹽侵蝕對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能造成的衰減程度依次減小。4個(gè)瀝青混合料空隙率下TSRL、DL和εL的平均值分別為20.3%、18.0%和11.8%,且各個(gè)空隙率下均是TSRL>DL>εL。

(3) 隨著瀝青混合料空隙率的增加,硫酸鹽侵蝕對(duì)其路用性能造成的衰減程度和衰減速率均逐漸提高?？障堵试黾訒r(shí),DL、εL和TSRL均逐漸增加,其中空隙率由4%增加至7%時(shí),DL、εL和TSRL分別增大9%、6%和8%,而空隙率變化區(qū)間為4%～5%、5%～6%和6%～7%時(shí),DL、εL和TSRL隨空隙率變化曲線的斜率分別為2、1、1,3、3、3,4、2、4,整體上呈逐漸增大趨勢(shì)。

2.2 硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)

為分析不同硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)侵蝕條件下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律,制備4%空隙率瀝青混合料試件,分別以清水及2%、4%、6%和8%硫酸鹽溶液進(jìn)行10次干濕循環(huán),進(jìn)而進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)下瀝青混合料路用性能損失試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of asphalt mixture pavement performance loss under different sulfate concentrations

由圖2可知,隨著硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,瀝青混合料路用性能衰減程度和衰減速率均逐漸提高。硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí),DL、εL和TSRL均逐漸增加,其中硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%增加至8%時(shí),DL、εL和TSRL分別增大14%、10%和12%;而硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化區(qū)間為2%～4%、4%～6%和6%～8%時(shí),DL、εL和TSRL隨硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線的斜率分別為1.5、1、1,2、2、1.5,3.5、2、3.5,整體上呈逐漸增大趨勢(shì)。分析原因一方面為硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大加速了瀝青膜從集料表面的剝離速率,另一方面則是干濕循環(huán)過(guò)程中硫酸鹽結(jié)晶量增加,對(duì)于空隙率固定的瀝青混合料其體積膨脹造成的結(jié)構(gòu)損失也更加明顯。

2.3 干濕循環(huán)次數(shù)

為分析干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)硫酸鹽侵蝕作用下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律的影響,制備4%空隙率瀝青混合料試件,分別以清水和4%硫酸鹽溶液進(jìn)行10次、20次、30次和40次干濕循環(huán),進(jìn)而進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下瀝青混合料路用性能損失試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of asphalt mixture pavement performance loss under different dry-wet cycles

由圖3可知,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,瀝青混合料路用性能衰減程度逐漸提高,尤其是干濕循環(huán)次數(shù)超過(guò)30次后表現(xiàn)明顯。干濕循環(huán)次數(shù)增加時(shí),DL、εL和TSRL均逐漸增加,其中干濕循環(huán)次數(shù)由10次增加至30次時(shí),DL、εL和TSRL分別增大2%、3%和3%;而由30次增加至40次時(shí),三者分別增加4%、5%和5%。分析原因可能為干濕循環(huán)次數(shù)增加時(shí)瀝青混合料內(nèi)部損傷逐漸累積,達(dá)到一定程度后損傷突然加劇造成路用性能衰減速率加快。

2.4 混合料類(lèi)型

為分析混合料類(lèi)型對(duì)硫酸鹽侵蝕作用下瀝青混合料路用性能衰減規(guī)律的影響,制備4%空隙率AC-13和SMA-13瀝青混合料試件,分別以清水和4%硫酸鹽溶液進(jìn)行10次干濕循環(huán),進(jìn)而進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同級(jí)配瀝青混合料路用性能損失試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of asphalt mixture pavement performance loss under different gradations

由圖4可知,SMA-13瀝青混合料抗硫酸鹽侵蝕能力優(yōu)于AC-13,尤其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性表現(xiàn)明顯。硫酸鹽侵蝕后,SMA-13瀝青混合料的DL和TSRL分別較AC-13降低3%,εL則較AC-13降低1%。分析原因?yàn)镾MA-13瀝青用量和礦粉用量更高,在集料表面形成的瀝青膠漿膜更厚,抗侵蝕能力更強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 硫酸鹽侵蝕能使瀝青混合料路用性能衰減程度明顯增加,且瀝青混合料空隙率、硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)或干濕循環(huán)次數(shù)增加時(shí)衰減程度更大;空隙率和硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)瀝青混合料路用性能衰減速率逐漸加快,而干濕循環(huán)次數(shù)則是超過(guò)30次后路用性能衰減速率明顯加快。

(2) 各個(gè)空隙率、硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干濕循環(huán)次數(shù)和混合料類(lèi)型條件下,硫酸鹽侵蝕對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性造成的衰減程度依次減小。

(3) SMA-13瀝青混合料抗硫酸鹽侵蝕能力優(yōu)于AC-13,尤其對(duì)于高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性表現(xiàn)明顯,低溫抗裂性表現(xiàn)相對(duì)較弱。