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含盐高湿环境对沥青混合料的侵蚀机理研究

所属分类:公司新闻    发布时间: 2023-02-09    作者:admin
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前言

沿海地区海雾频发,高浓度的海雾往往成为NaCl、Na2SO4等侵蚀盐的载体,当海雾在沥青路面上凝结时,水分及其内部含有的Cl-、SO2-4等会渗入到沥青路面结构中侵蚀沥青混合料,导致沥青路面产生松散、麻面等早期病害。国内一些学者对除冰盐、融雪剂等含盐类物质及西部盐湖地区富集的盐分对沥青混合料性能的影响进行了一系列的研究,还有一些学者通过盐溶液浸泡沥青及其混合料试件研究了盐分对沥青及其混合料性能的影响。丛培良等研究了不同种类的除冰盐在不同试验条件下对沥青混合料性能的影响。结果表明,经除冰盐溶液作用后,沥青混合料的间接拉伸强度和圆盘拉伸破坏强度增大,断裂能减小,混合料的抗开裂性能下降;在除冰盐溶液中冻融循环后,沥青混合料的劈裂强度显著降低;混合料马歇尔试件经60℃的除冰盐饱和溶液浸泡处理后,其残留稳定度出现一定程度的下降。肖庆一等研究了除冰盐溶液对沥青、沥青与集料粘附性及沥青混合料力学强度的影响。结果表明,经除冰盐溶液侵蚀作用后,沥青出现软化,且溶液浓度越大软化越明显;除冰盐溶液的侵蚀显著降低沥青与集料的粘附性等级;沥青混合料的劈裂抗拉强度也出现了一定程度的下降。冯超研究了不同试验条件下氯化钙类、氯化钠类和醋酸钠类融雪剂对沥青、集料等原材料及混合料性能的影响。结果表明,沥青、集料及混合料性能经三种融雪剂处理后均有不同程度的下降。在无外界荷载作用下,不同融雪剂对混合料性能影响的严重程度排序为氯化钠类>氯化钙类>醋酸钠类;而在动水冲刷或动载的试验条件下,氯化钠类和醋酸钠类融雪剂影响较大,氯化钙类融雪剂影响次之。周金枝等通过低温弯曲试验研究了不同浓度的氯化钠溶液侵蚀作用后沥青混合料低温性能的变化,其研究结果表明:氯盐溶液的侵蚀作用对混合料的低温抗开裂性能产生不利影响,混合料的低温抗裂性能随着氯盐溶液浓度的增大呈现出先降低.后趋于缓和的趋势。综上可发现,在以往研究过程中我们只重点考虑了因气候差异导致的各地区对沥青路面使用性能要求的差别,没有涉及含盐高湿环境沥青混合料的长期使用性能研究,更没有完全揭示盐高湿环境对沥青混合料路用性能的影响及侵蚀机理,基于此,本文在研究了含盐高湿环境对沥青混合料高、低温性能,水稳定性及长期使用性能的影响基础上,进一步采用工业CT的无损检测技术及电镜扫描(SEM)等从微细观角度研究了含盐高湿环境对沥青混合料内部细微观形态的影响,研究结果为完善含盐高湿环境对沥青混合料的侵蚀机理提供理论依据。

原材料技术性能

沥青

本文试验研究过程中采用SBS改性沥青(I—B类),其各项检测结果均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)中的相关技术指标要求。

集料

沥青混合料中所选用的粗集料应该干燥、洁净、无风化、不含杂质,颗粒形状近似正方体的碎石,并且应该具有坚硬、耐磨、韧性好以及表面粗糙等性质。细集料应该保证干燥、洁净、无风化、无杂质、无泥土,而且应该具有适当的颗粒级配,与沥青具有良好的粘附性。本文粗集料采用玄武岩,细集料采用机制砂,填料采用石灰岩磨制而成的矿粉。

含盐高湿环境条件下沥青混合料路用性能研究

高温稳定性

试验选用AC—13C中值级配,按照马歇尔试验要求确定..油石比为4.6%。在..油石比条件下以南非生产的小型加速加载试验设备(MMLS3)为试验平台来研究含盐高湿环境条件下沥青混合料的长期路用性能。试验时首先成型标准大马歇尔试件,取马歇尔试件中间5cm部分按照加速加载试模尺寸切割试件,将试件分为四组,..组不做任何处理,第二组、第三组、第四组试件分别置于浓度为5%、10%、15%流动的NaCl溶液中干湿循环30次(干湿循环条件设定为:循环的盐溶液中放置16h,然后干燥8h,24h为一个干湿循环),对经不同处理后的试件进行加速加载试验。参考国内申爱琴等人的研究成果,加速加载试验条件如下:

①试验荷载:0.7MPa。②加载速率:为了较好模拟重车荷载对路面结构的作用,加载速率采用6000次·h-1,相当于实际行车速度7.5km/h。③试验温度:60℃。

MMLS3加速加载设备可测试并记录不同加载次数时各现场试件的车辙深度,进而得到各试件车辙深度随轴载次数的变化规律。

由试验结果可知:

相同加载次数下,随着NaCl溶液浓度的增大,沥青混合料的车辙深度不断增加,在NaCl溶液浓度较低时,混合料车辙深度增加幅度较大,而在NaCl溶液浓度较高时,车辙深度增加幅度减小。在氯盐溶液作用下,沥青混合料的车辙变形量增加,说明氯盐溶液会对沥青混合料的高温稳定性产生不利影响。分析其原因主要是,氯盐溶液在混合料内部蒸发后析出NaCl晶体,晶体的膨胀在混合料空隙内产生结晶压力,造成混合料内部产生损伤、空隙率变大,损伤的累积破坏沥青混合料的结构并降低混合料的强度,.终导致沥青混合料的高温稳定性下降。

低温抗裂性

采用低温弯曲试验评价含盐高湿环境对沥青混合料低温性能的影响。成型车辙板,每组切割6根标准小梁,将其中三组试件分别置于5%、10%、15%的NaCl溶液干湿循环30次,另一组试件不做任何处理。试验前将试件放在-10℃恒温环境箱中保温不少于6h,采用单点加载方式,支点间距200mm,加载速率为50mm/min,记录破坏荷载和破坏应变,以破坏应变指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能。

由试验结果可知:

经NaCl溶液干湿循环处理后,沥青混合料试件的..弯拉应变和抗弯拉强度减小,劲度模量增大。与对比组试件低温性能相比,经5%NaCl溶液干湿循环后..弯拉应变由3435.87降至3105.42με,降幅为12.5%。分析其原因:①盐溶液中氯离子的侵蚀加速了混合料中沥青的老化,使沥青的劲度模量增大,从而使沥青变硬、变脆,变形能力衰减,大大降低了沥青与粗细集料的粘结能力;②当混合料内部盐溶液中的水分蒸发后氯盐结晶,氯盐晶体的结晶膨胀引起混合料内部产生较大的盐胀应力,致使混合料出现微裂缝。③填充在微裂缝中的氯盐晶体降低了沥青混合料对微裂缝的自愈合能力,.终造成含盐高湿环境下沥青混合料低温性能的降低。

含盐高湿环境对沥青混合料耐久性能的影响

本文基于APA试验研究了含盐高湿环境对沥青混合料耐久性能的影响。APA试验受力模式为简支梁形式,试件下半部分处于弯拉状态,可以更好的反映材料的抗疲劳性能。参考国内已有研究成果,本文APA疲劳试验条件如下:

①试件制备:试件可以采用双层板制备,再切割成300mm×125mm×75mm标准尺寸。②试验温度:APA疲劳试验的实验温度采用与常规小梁疲劳试验相同的温度,定为15℃。由于APA疲劳试件比较大,为了保证试件温度恒定,先将试件放置恒温箱中保温12h以上。③钢轮运行频率以及轴载:频率采用50Hz,轴载标定采用250LB;

APA疲劳试验以荷载作用次数和变形值作为评价指标。

APA疲劳试验过程中规定达到50000次即停止试验,结合试验过程中发现,未经过NaCl溶液干湿循环的试件,APA疲劳试验次数均达到50000次停止,显然随着NaCl浓度增大,试件疲劳寿命越小,变形值越大,因此其疲劳性能相应减小。

含盐高湿环境对沥青混合料的侵蚀作用机理

基于工业CT含盐高湿环境条件下马歇尔试件平均孔径变化规律

工业CT是工业用计算机断层成像技术的简称,它能在对检测物体无损伤条件下,以二维断层图像或三维立体图像的形式,清晰、准确、直观地展示被检测物体内部的结构、组成、材质及缺损状况,被誉为当今..的无损检测和无损评估技术。

将马歇尔试件在10%NaCl溶液中干湿循环15、30、45、60次后进行CT扫描,对扫描后的二维截面图像进行三维重构,提取三维孔隙体积参数,计算出试件的空隙特征。所谓的平均孔径是指马歇尔试件内部所有空隙的平均直径,平均孔径是一个平均或等效的概念。

从试验结果可以看出:经过氯盐溶液的干湿循环作用后,马歇尔试件空隙率和平均孔径均逐渐增大。但在干湿循环前30次,试件的空隙率、平均孔径增长较快,干湿循环超过30次后试件的空隙率、平均孔径增加幅度速率减小。分析其原因主要是在氯盐溶液的干湿循环作用下,盐溶液减弱试件内部空隙和微裂缝等薄弱部位沥青与集料的粘附性,并在空隙和微裂缝中析出NaCl晶体并不断膨胀,产生结晶压力,造成混合料内部的微裂缝和孔隙不断扩张,表现为混合料的空隙率在NaCl溶液干湿循环作用下逐渐增大。当试件在盐溶液中干湿循环一定次数后,仅依靠干湿循环后NaCl的结晶压力无法使试件内部的空隙和微裂缝等薄弱部位进一步扩展,试件内部的空隙率逐渐趋于稳定。

基于SEM含盐高湿环境条件下矿料界面变化特征

提取干湿循环后马歇尔试件破坏界面的沥青砂浆用于SEM试验,进而研究经过氯盐溶液侵蚀作用后,沥青混合料表面微观形貌的变化规律。肉眼可看到,在NaCl溶液侵蚀前,沥青混合料中矿料颗粒表面被沥青薄膜完全裹覆,矿料与沥青胶浆的结合界面很好地粘结在一起,可保证沥青混合料在浸水和冻融条件下的水稳定性。经NaCl溶液干湿循环侵蚀后,沥青混合料中在沥青胶浆与矿料结合处出现大量立方体状的白色晶体,且不断地在混合料内部聚集,可推断这种白色晶体为NaCl晶体。盐溶液通过微孔隙和微裂缝进入沥青混合料内部后其中水分逐渐蒸发,NaCl在混合料内部聚集并产生结晶膨胀,而混合料内部却没有足够空间容纳氯盐的结晶膨胀,在混合料内部就会产生结晶压力,造成沥青与集料的粘结力逐渐丧失,混合料的强度大幅度降低,导致沥青混合料的水稳定性和高、低温性能下降。

含盐高湿环境侵蚀机理分析

在含盐高湿环境下,含有NaCl的高浓度盐雾在沥青路面上凝结形成NaCl溶液会逐渐通过沥青混合料的空隙结构渗入到路面结构内部。临海含盐高湿地区沥青路面早期水损坏现象比较严重,结合本文的试验研究、理论和微观分析结果可知,含盐高湿环境对沥青混合料的侵蚀机理如下:

①盐溶液对沥青的乳化作用积聚在混合料中的盐溶液与沥青接触后,盐溶液中的Na+加速沥青的乳化并与沥青发生化学反应生成不稳定的吸附层,同时Na+还会与碱性集料发生碱集料反应生成硅酸盐凝胶,这些反应均显著地降低沥青与集料的粘附性。在沥青与集料的界面交汇处,由于盐溶液的表面张力比沥青要大得多,盐溶液比沥青能争取到更大比例的集料表面,加速了沥青从集料表面的剥落。此外,通过CT扫描发现,在氯盐溶液的作用下沥青混合料的空隙率逐渐增大,进一步加剧了氯盐溶液对沥青混合料的影响,加速沥青结合料的乳化作用,显著降低混合料的水稳定性。

②盐溶液加速沥青结合料的老化沥青混合料经受氯盐溶液的长期作用后,盐溶液中Cl—的侵蚀加速了混合料中沥青的老化,使沥青的劲度增大、低温延度减小,沥青变硬、变脆,柔韧性和变形能力衰减。沥青老化后,沥青与粗细集料的粘附性减弱,沥青混合料的粘聚力和混合料试件破坏时的..弯拉应变减小,在水分、温度和行车荷载的作用下沥青面层就会出现早期水损坏和裂缝等病害。

③混合料内部氯盐的结晶膨胀当滞留在沥青混合料内部盐溶液中的水分蒸发后,NaCl晶体不断地在沥青混合料内部空隙中聚集并结晶膨胀,当氯盐结晶增大的体积大于混合料内部的空隙时混合料内部就会出现损伤,造成混合料的强度降低,沥青路面易发生松散、坑洞和裂缝等病害。同时,混合料内部的氯盐晶体在高温条件下还会起到润滑剂的作用降低集料间的嵌挤力,减小混合料的内磨阻角,造成沥青路面的抗..变形能力下降。

结论

沥青混合料经NaCl溶液干湿循环作用后,各项性能指标均有不同程度的降低,且随氯盐溶液浓度的增加逐渐劣化。经过NaCl溶液作用后高温性能降低的幅度较小,水稳性能、低温抗裂性能降低幅度较大。对SBS改性沥青混合料而言,在含盐高湿环境的作用下沥青混合料的冻融劈裂强度比已不能满足规范要求,因此在含盐高湿地区需要采取一定的措施来防止沥青混合料早期水损坏的产生。含盐高湿环境的侵蚀作用机理可做归纳为:①盐溶液对沥青的乳化作用,显著地降低沥青与集料的粘附力;②盐溶液加速沥青结合料的老化,使得沥青变硬、变脆,柔韧性和变形能力衰减;③混合料内部氯盐的结晶膨胀,产生结晶压力,导致混合料内部出现损伤,使得混合料的强度大幅度降低。