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        氯鹽腐蝕對(duì)密級(jí)配石灰?guī)r瀝青混凝土水穩(wěn)定性影響規(guī)律研究

        2021-12-17 08:35:38■沈
        福建交通科技 2021年7期
        關(guān)鍵詞:密級(jí)氯鹽鹽溶液

        ■沈 智

        (南平市公路事業(yè)發(fā)展中心浦城分中心,南平 353400)

        中國(guó)大部分地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候區(qū),具有四季分明的特點(diǎn)。 冬季降雪在瀝青路面會(huì)經(jīng)歷積雪,在此期間由于溫度驟降及車(chē)輛的碾壓,積雪會(huì)在路表形成結(jié)冰,進(jìn)一步降低路面與輪胎的摩擦力引起車(chē)輛的滑行,極易誘發(fā)安全事故,嚴(yán)重威脅了瀝青道面的使用性和安全性。 為應(yīng)對(duì)降雪結(jié)冰影響瀝青路面,融雪劑成為目前解決這一問(wèn)題的最常用手段。 融雪劑主要包括醋酸鹽及氯鹽兩大類(lèi),醋酸類(lèi)融雪劑是一種環(huán)境友好型除冰鹽類(lèi)型,尤其對(duì)于鋼筋的腐蝕性較小,但由于成本價(jià)格等因素,無(wú)法得到大面積的使用。 氯鹽類(lèi)融雪劑(除冰鹽)同樣具有較好的融雪性,易于實(shí)施且價(jià)格低廉,一般僅為醋酸類(lèi)融雪劑的1/10, 因此在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中,選擇性更高[1]。 但在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)此類(lèi)除冰鹽使用過(guò)的路面往往會(huì)出現(xiàn)一些開(kāi)裂、 松散坑槽等病害,造成了瀝青路面功能性甚至結(jié)構(gòu)性的衰減[2-4]。

        除冰鹽(氯鹽)的作用機(jī)理是將鹽溶于雪(水)后,使溶液的冰點(diǎn)下降,從而降低了雪水的凝固,阻礙了路面結(jié)冰[5]。但同時(shí)鹽溶液會(huì)沿著路面的孔隙及裂縫深入路面結(jié)構(gòu)中, 從而降低了瀝青路面的穩(wěn)定性。 密級(jí)配瀝青路面是我國(guó)常用的上面層類(lèi)型。 因此,以室內(nèi)試驗(yàn)為基礎(chǔ),基于改進(jìn)的水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法, 研究不同類(lèi)型的除冰鹽對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土水穩(wěn)定性能, 有助于認(rèn)識(shí)并選用合適的材料及方法,以減少氯鹽對(duì)密級(jí)配瀝青面層的潛在危害。本研究選取多種濃度(0、0.2、0.4、0.6 g/mL)常用的Ca-Cl2、NaCl 和MgCl2除冰鹽,研究其侵蝕下對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土(AC-13、AC-16)的水穩(wěn)定性影響規(guī)律。

        1 原材料和混合料設(shè)計(jì)

        1.1 集料

        本試驗(yàn)集料分別采用0 ~3、3 ~5、5 ~10、10 ~15 mm 共4 檔類(lèi)型的石灰?guī)r和玄武巖集料,填料采用磨細(xì)的石灰?guī)r礦粉,其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范中使用要求,其相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)均滿足使用規(guī)范要求。

        1.2 瀝青結(jié)合料

        由于SBS 良好的高低溫性能,目前道路一般多采用SBS 改性瀝青作為結(jié)合料使用。本研究采用殼牌SBS 改性瀝青,進(jìn)行瀝青混凝土的制備,其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

        表1 SBS 改性瀝青性能

        1.3 除冰鹽

        選用目前市面上應(yīng)用最為廣泛的CaCl2、NaCl和MgCl2作為除冰鹽的溶劑成分。 其中CaCl2為白色立方體硬質(zhì)碎塊,易溶于水同時(shí)大量放熱,水溶液呈微酸性。NaCl 為白色晶體粉末,穩(wěn)定性較好,水溶液呈中性。 MgCl2呈無(wú)色片狀晶體,溶于水,在空氣中易潮解。 所選用的三種溶劑均為分析純(AR)。在常溫下分別制備0 (純水溶液)、0.2、0.4、0.6、0.8 g/mL 的3 種除冰鹽溶液用以后續(xù)性能試驗(yàn)。

        2 瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)

        2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

        實(shí)驗(yàn)選用AC-13 和AC-16 作為主要密級(jí)配級(jí)配代表類(lèi)型。 依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中對(duì)AC-13 級(jí)配范圍上下限的規(guī)定,設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)的級(jí)配曲線分別見(jiàn)圖1、2。

        圖1 AC-13 級(jí)配曲線

        圖2 AC-16 級(jí)配曲線

        2.2 最佳油石比確定

        為制備性能檢測(cè)用瀝青混凝土,按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中最佳油石比確定方法, 以4%作為目標(biāo)空隙率, 制備AC-13和AC-16 級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾瀝青混凝土試件。 按照馬歇爾設(shè)計(jì)法確定AC-13 和AC-16 最佳油石比分別為5.2%(石灰?guī)r)、5.3%(玄武巖) 和4.8%(石灰?guī)r)、4.9%(石灰?guī)r)。

        3 瀝青混凝土水穩(wěn)定性

        瀝青混凝土可以看作是三相體結(jié)構(gòu),分別由粗集料、瀝青結(jié)合料(或砂漿)及孔隙構(gòu)成,其中瀝青結(jié)合料覆蓋在松散的顆粒表面從而將原本松散的顆粒粘結(jié)形成具有一定強(qiáng)度的骨架結(jié)構(gòu)。 由于集料的親水性, 當(dāng)水滲入原本穩(wěn)定的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)后,會(huì)逐漸剝離瀝青裹附集料的狀態(tài),尤其是在鹽溶液狀態(tài)下更為嚴(yán)重,導(dǎo)致瀝青膜喪失粘結(jié)力從而脫落以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低,誘發(fā)路面開(kāi)裂、松散、坑槽等一系列病害。 因此有必要對(duì)氯鹽侵蝕下,密級(jí)配瀝青混凝土的水穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

        3.1 循環(huán)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

        傳統(tǒng)浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)步驟中規(guī)定將最佳油石比條件下制備的馬歇爾試件分位兩組,一組在(60±1)℃條件下浸水30~40 min,另一組在同樣溫度條件下浸水48 h 后取出,以兩者的強(qiáng)度比作為殘留穩(wěn)定度值。 為研究氯鹽對(duì)瀝青混凝土的影響,以制備的多種濃度氯鹽溶液代替規(guī)范中高溫浸水保溫過(guò)程的水浴環(huán)境, 此外還考慮單濃度(0.4 g/mL)多循環(huán)下馬歇爾穩(wěn)定度變化。 殘留穩(wěn)定度為48 h 后試件的穩(wěn)定度與30 min 穩(wěn)定度的百分比,其計(jì)算公式如式(1)所示:

        試中:MS0為試件殘留穩(wěn)定度(%);MS1為浸水(鹽溶液)48 h 穩(wěn)定度(kN)。

        圖3 和圖4 分別為氯鹽溶液濃度和循環(huán)次數(shù)對(duì)AC-13 和AC-16 兩種級(jí)配殘留穩(wěn)定度的影響規(guī)律曲線。由圖3、圖4 可知,對(duì)于加入氯鹽后,AC-13瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度下降非常明顯,降低幅度8.7%~13.3%, 之后每增加0.2 g/mL 鹽溶液濃度,殘留穩(wěn)定度下降程度在2.5%~6.9%。 圖3 為AC-16瀝青混合料殘留穩(wěn)定度變化規(guī)律, 鹽溶液侵蝕下AC-16 的結(jié)果與AC-13 相似, 均存在一個(gè)跳躍性下降,之后隨著濃度的增加穩(wěn)步下降。

        圖3 AC-13 單循環(huán)瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度結(jié)果

        圖4 AC-16 單循環(huán)瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度結(jié)果

        考慮在原有標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)基礎(chǔ)上,多循環(huán)鹽侵蝕作用對(duì)單一濃度(0.4 g/mL)下密級(jí)配瀝青混合料殘留穩(wěn)定度影響規(guī)律。 由圖5 和圖6 可知,循環(huán)次數(shù)的增加降低了密級(jí)配瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度,其下降的趨勢(shì)接近線性。

        圖5 AC-13 多循環(huán)瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度結(jié)果

        圖6 AC-16 多循環(huán)瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度結(jié)果

        通過(guò)馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),無(wú)論是單循環(huán)還是多循環(huán)鹽溶液侵蝕,氯鹽溶液的加入顯著降低了密級(jí)配瀝青混凝土馬歇爾殘留穩(wěn)定度。 鹽溶液濃度的增加,會(huì)進(jìn)一步降低瀝青混凝土的穩(wěn)定度,表明侵蝕更為嚴(yán)重。 類(lèi)似的,增加鹽溶液循環(huán)條件后也會(huì)顯著降低馬歇爾殘留穩(wěn)定度的值。 玄武巖相對(duì)石灰?guī)r性能略優(yōu),這可能是由于石灰?guī)r具有更多的氣孔導(dǎo)致的。 根據(jù)鹽溶劑類(lèi)型對(duì)穩(wěn)定度的影響程度可知,存在NaCl>CaCl2>MgCl2的規(guī)律。

        3.2 多循環(huán)凍融劈裂強(qiáng)度

        本文主要通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn),以不同鹽凍循環(huán)后凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)值評(píng)價(jià)鹽溶液種類(lèi)及濃度對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性影響程度。 該部分方法參考馬歇爾穩(wěn)定度部分試驗(yàn)的方法, 分別在飽水、 凍結(jié)及水浴過(guò)程中均采用制備的鹽溶液代替水溶液。 此外,作為有無(wú)鹽溶液侵蝕效果的比較,采用水溶液循環(huán)作為對(duì)照組。 其余操作均按照規(guī)范中進(jìn)行。圖7 和圖8 分別為AC-13 和AC-16 兩種級(jí)配多循環(huán)下氯鹽對(duì)瀝青混凝土TSR 的影響規(guī)律。

        圖7 不同氯鹽溶液種類(lèi)(濃度)下AC-13 瀝青混凝土TSR 結(jié)果

        圖8 不同氯鹽溶液種類(lèi)(濃度)下AC-16 瀝青混凝土TSR 結(jié)果

        由圖7 和圖8 可知,鹽溶液的增加顯著降低了瀝青混凝土的TSR 值, 將試驗(yàn)全過(guò)程中水溶液改為鹽溶液后, 單次凍融循環(huán)下,TSR 下降幅度為7.5%~12.3%,鹽溶液濃度越大,降低的幅度也越大。循環(huán)次數(shù)對(duì)TSR 結(jié)果影響顯著,且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,TSR 下降幅度明顯增加, 這表示實(shí)際鹽凍循環(huán)下,如果不及時(shí)清理路面的鹽溶液會(huì)導(dǎo)致路面加速破壞。 3 種氯鹽溶液中,NaCl 對(duì)混凝土的TSR 值影響最大,損害最為嚴(yán)重。 CaCl2和MgCl2對(duì)混凝土TSR 值的影響基本相同。在不同于溶劑濃度對(duì)瀝青混凝土的影響中,氯鹽類(lèi)型對(duì)瀝青混凝土的影響程度更為明顯。

        3.3 漢堡車(chē)轍試驗(yàn)

        漢堡車(chē)轍試驗(yàn)室國(guó)外常用的水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)試驗(yàn),用來(lái)評(píng)估一些交通量較大的行車(chē)道路的車(chē)轍和抗剝落性能。 試驗(yàn)選用水域環(huán)境為50℃,本試驗(yàn)中以氯鹽代替水域環(huán)境。 最終以20 000 次碾壓后車(chē)轍深度作為評(píng)價(jià)的主要標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

        表2 AC-13 和AC-16 的漢堡車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果。

        根據(jù)漢堡車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果可知,氯鹽水浴環(huán)境下會(huì)加深路面的車(chē)轍深度,鹽濃度的增加降低了試件的強(qiáng)度,從而造成了更大的車(chē)轍深度。3 種鹽溶液對(duì)車(chē)轍深度的影響大小依次是NaCl、CaCl2、MgCl2。

        通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)改進(jìn)的水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果可知,鹽溶液的加入對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能影響顯著。 這可能是因?yàn)槁塞}溶液的Na+、Ca2+、Mg2+以及Cl-具有較強(qiáng)的極性,鹽溶劑溶于水后發(fā)生電離,從而產(chǎn)生大量的極性離子,它們對(duì)于集料的吸附能力大于瀝青對(duì)于集料的吸附能力[6],從而導(dǎo)致了集料與瀝青表面的分離剝落,使得原本穩(wěn)定的瀝青混合料失去了瀝青的裹附粘結(jié), 從而喪失了原有的穩(wěn)定性和強(qiáng)度, 最終導(dǎo)致一系列病害的產(chǎn)生。

        4 結(jié)論

        本研究采用3 種常用除冰鹽類(lèi)型,基于改進(jìn)的非標(biāo)準(zhǔn)水穩(wěn)定性能試驗(yàn)方法,研究了常用除冰氯鹽類(lèi)型及濃度對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土的水穩(wěn)定性影響規(guī)律, 在原有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)范基礎(chǔ)上替換溶液類(lèi)型,得到了以下結(jié)論:(1)相較于普通的浸水,受到鹽溶液侵蝕的密級(jí)配瀝青混凝土水穩(wěn)定性能存在著明顯的下降,殘留穩(wěn)定度及單次凍融循環(huán)結(jié)果表明在鹽溶液條件下, 兩種強(qiáng)度的降幅在8.7%~13.3%(0.2 g/mL 梯度)。 相同濃度下3 種氯鹽對(duì)水穩(wěn)定性影響從大到小依次是NaCl、CaCl2、MgCl2。 (2)鹽溶液種類(lèi)對(duì)水穩(wěn)定性的影響程度要大于溶液濃度對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土水穩(wěn)定性的影響程度。 (3)多循環(huán)凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,密級(jí)配瀝青混凝土的TSR 會(huì)加速下降,即表明水穩(wěn)定性將加速降低。 因此,應(yīng)及時(shí)通過(guò)清掃及排水設(shè)施將路面范圍內(nèi)殘留的鹽溶液清除,避免二次侵蝕破壞。 (4)漢堡車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果表明氯鹽溶液會(huì)降低瀝青混凝土的抗車(chē)轍性能, 加深路面的車(chē)轍,容易誘發(fā)交通事故。

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