凍融腐蝕共同作用下澆注式瀝青混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度演化規(guī)律研究

姜明陽，張　彬

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，阜新　123000)

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凍融腐蝕共同作用下澆注式瀝青混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度演化規(guī)律研究

姜明陽，張彬

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，阜新123000)

為分析凍融和腐蝕共同作用下澆注式瀝青混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的演化規(guī)律，采用兩種濃度的NaCl和Na2SO4溶液對澆注式瀝青混凝土進(jìn)行了凍融腐蝕試驗并在各個凍融腐蝕循環(huán)后進(jìn)行劈裂試驗，在試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上分析了試驗現(xiàn)象的機(jī)理，建立了劈裂抗拉強(qiáng)度比的演化方程。研究結(jié)果表明：在凍融腐蝕共同作用下，澆注式瀝青混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了降低現(xiàn)象，且下降幅度與腐蝕溶液濃度正相關(guān)， Na2SO4溶液比Nacl溶液造成的劈裂抗拉強(qiáng)度損失更大；凍融腐蝕現(xiàn)象的機(jī)理是瀝青混凝土凍脹、瀝青老化、化學(xué)腐蝕以及鹽分結(jié)晶產(chǎn)生的體積膨脹共同作用的結(jié)果，建立的演化方程與試驗數(shù)據(jù)高度吻合，能夠反映凍融腐蝕共同作用下澆注式瀝青混凝土的強(qiáng)度演化規(guī)律。

澆注式瀝青混凝土； 凍融腐蝕； 劈裂抗拉強(qiáng)度； 演化規(guī)律

1　引　言

澆注式瀝青混凝土具有優(yōu)良的力學(xué)性能，近年來在鋼橋面鋪裝中被廣泛使用[1-3]。澆注式瀝青混凝土在我國北方地區(qū)長期的使用過程中，會受到凍融循環(huán)的影響，同時在鹽漬土地區(qū)或者在冬季使用除冰鹽的情況下會受到化學(xué)鹽分的侵蝕，而NaCl和Na2SO4等鹽分對建筑材料存在明顯的腐蝕作用，會導(dǎo)致其劈裂抗拉強(qiáng)度的降低，因此凍融和腐蝕共同作用下澆注式瀝青混凝土的劈裂抗壓強(qiáng)度演化規(guī)律是澆注式瀝青混凝土路面研究領(lǐng)域亟待解決的重要問題。

在瀝青混凝土受凍融循環(huán)和腐蝕共同作用方面，秦凱等[4]對瀝青混凝土在凍融和NaCl溶液腐蝕共同作用下的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度演化規(guī)律進(jìn)行了研究；熊銳等[5,6]探索了瀝青混凝土在凍融和Na2SO4溶液腐蝕共同作用下性能的變化；康誠等[7]探索了NaCl溶液腐蝕與凍融共同作用對瀝青混凝土疲勞性能的影響；馮超[8]研究了三種融雪劑腐蝕和凍融循環(huán)共同作用對瀝青混凝土性能的影響；馬芹永等[9]研究了氯鹽腐蝕作用對瀝青混凝土凍融劈裂抗拉強(qiáng)度的影響；Shi等[10]研究了除冰劑影響瀝青混凝土性能的損傷演化機(jī)理；周金枝等[11]采用低溫彎曲試驗方法研究了氯鹽腐蝕后的低溫抗裂性能；從培良等[12]探索了除冰鹽種類對瀝青混凝土性能的影響并提出采用改性SBS瀝青能夠降低除冰鹽的影響；王明等[13]研究了不同摻量的四種融雪劑對瀝青混凝土性能的影響。這些研究從現(xiàn)象、規(guī)律和機(jī)理多個角度對腐蝕和凍融共同作用下瀝青混合料的性能變化進(jìn)行了深入的分析，加深了對該問題的認(rèn)識和理解，但這些瀝青混凝土都是普通瀝青混凝土和改性瀝青混凝土，對澆注式瀝青混凝土在凍融和腐蝕共同作用下的劈裂抗拉強(qiáng)度變化未作研究。

本文采用兩種濃度的NaCl溶液和Na2SO4溶液對澆注式瀝青混凝土開展凍融和腐蝕共同作用試驗，同時選取清水作對比，并在凍融腐蝕后開展劈裂試驗，探索凍融腐蝕共同作用下澆注式瀝青混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度演化規(guī)律，為澆注式瀝青混凝土路面的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2　試　驗

2.1試驗材料

(1)瀝青：瀝青為TLA湖瀝青與SBS改性瀝青摻配而成，其中湖瀝青占30%，SBS改性瀝青占70%，瀝青的三大指標(biāo)如表1所示。(2)粗集料：石灰?guī)r碎石；(3)細(xì)集料：天然砂;(4)填料:石灰?guī)r礦粉。瀝青混凝土配合比如表2所示，試件制成標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件，試件直徑為(101.6±0.25) mm，試件高度為(63.5±1.3) mm。(5)腐蝕溶液：配制兩種濃度的NaCl溶液和Na2SO4溶液，濃度分別為13%和飽和溶液，并選取清水作對比。

表1　瀝青性能指標(biāo)

表2　瀝青混凝土配合比

2.2試驗方法

將制成的馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行真空飽水，飽水后對部分試件進(jìn)行劈裂試驗，測試其未經(jīng)凍融腐蝕時的劈裂抗拉強(qiáng)度，試驗采用平行試驗的方式進(jìn)行，每組三個試件，取三個試件劈裂抗拉強(qiáng)度平均值作為平均劈裂抗拉強(qiáng)度。將其余試件至于-15 ℃的冰箱中放置12 h，然后取出后分別放置于兩種濃度的NaCl溶液和Na2SO4溶液或清水中融化12 h，此為一個凍融腐蝕循環(huán)的完成，并分別在完成每個凍融腐蝕循環(huán)后進(jìn)行劈裂試驗，試驗共進(jìn)行8個凍融腐蝕循環(huán)。

為更好地分析凍融和腐蝕共同作用對澆注式瀝青混凝土性能的影響，引入劈裂抗拉強(qiáng)度比的概念，其計算公式為[11]：

(1)

3　結(jié)果與討論

3.1試驗結(jié)果

將試驗獲得的劈裂抗拉強(qiáng)度比的平均值填寫到表3中,并繪制劈裂抗拉強(qiáng)度比演化規(guī)律曲線圖如圖1所示。

表3　試驗結(jié)果

圖1　劈裂抗拉強(qiáng)度比演化規(guī)律Fig.1　Spitting tensile strength ratio eolution law

3.2試驗結(jié)果分析

從腐蝕溶液種類上來看，NaCl溶液腐蝕后早期劈裂抗拉強(qiáng)度降低更快，而Na2SO4溶液后期造成的劈裂抗拉強(qiáng)度降低更大，這是由于NaCl溶液的滲透性比Na2SO4溶液強(qiáng)，因而更快滲入到澆注式瀝青混凝土內(nèi)部，因而腐蝕產(chǎn)生的更早；而Na2SO4物理結(jié)晶的產(chǎn)物Na2SO4·10H2O結(jié)合了更多的結(jié)晶水，因而體積膨脹更大，產(chǎn)生了更大的膨脹應(yīng)力，因而造成了更大的強(qiáng)度損傷。

澆注式瀝青混凝土在凍融和腐蝕共同作用下劈裂抗拉強(qiáng)度雖然呈現(xiàn)下降趨勢，但其下降幅度較之普通瀝青混凝土明顯小，文獻(xiàn)[9]研究的AC-16型瀝青混凝土在13%NaCl溶液浸泡后凍融循環(huán)8次劈裂抗拉強(qiáng)度下降了41.03%。而澆注式瀝青混凝土在13%NaCl溶液中凍融腐蝕循環(huán)8次劈裂抗拉強(qiáng)度僅下降了24.2%；文獻(xiàn)[6]研究的SBS改性瀝青混凝土在10%Na2SO4溶液中凍融腐蝕循環(huán)3次劈裂抗拉強(qiáng)度下降了28.3%，而澆注式瀝青混凝土在飽和Na2SO4溶液中凍融腐蝕循環(huán)3次后劈裂抗拉強(qiáng)度僅下降了8.9%。產(chǎn)生如此之大的差異固然有試驗方法和試驗條件上的差異，但根本的原因是澆注式瀝青混凝土的抗凍性和抗腐蝕能力明顯高于普通瀝青混凝土，分析其機(jī)理主要是由于其內(nèi)部空隙率較小，真空飽水后其含水率依然不大，這增加了其抵抗凍融循環(huán)的能力，同時由于孔隙小，鹽溶液很難深入到材料內(nèi)部，因此凍融腐蝕共同作用下澆注式瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度下降幅度較低。

3.3劈裂抗拉強(qiáng)度比演化方程的建立

針對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行一元非線性回歸，擬合澆注式瀝青混凝土凍融腐蝕共同作用下的劈裂抗拉強(qiáng)度比演化方程。

(2)

式中：n為凍融腐蝕循環(huán)的次數(shù)，p1、p2、p3和p4為與材料有關(guān)的參數(shù)。

現(xiàn)在進(jìn)行參數(shù)擬合，將擬合獲得參數(shù)匯總到表4中。

表4　擬合參數(shù)

將回歸分析獲得的方程曲線與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如圖2所示。

圖2　試驗曲線與計算曲線對比Fig.2　Comparision of test curves and caculated curves(a)water(b)NaCl solution(c)NaCl solution

4　結(jié)　論

(1)澆注式瀝青混凝土受到凍融和腐蝕共同作用時，劈裂抗拉強(qiáng)度降低且下降速率不斷增加，下降速率與腐蝕溶液濃度呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢，產(chǎn)生這樣現(xiàn)象的機(jī)理是瀝青混凝土凍脹、瀝青老化、化學(xué)腐蝕以及鹽分結(jié)晶產(chǎn)生的體積膨脹共同作用的結(jié)果；與其他類型瀝青混凝土相比，劈裂抗拉強(qiáng)度下降幅度更低，這是由于澆注式瀝青混凝土內(nèi)部空隙率低，滲透性小，因而其抗凍融和腐蝕的能力更強(qiáng)；

(2)前三個凍融腐蝕循環(huán)時NaCl溶液腐蝕后劈裂抗拉強(qiáng)度降低更快，此后Na2SO4溶液造成的劈裂抗拉強(qiáng)度降低更大，這是由于NaCl溶液的滲透性比Na2SO4溶液強(qiáng)，因而更快滲入到澆注式瀝青混凝土內(nèi)部，腐蝕產(chǎn)生的更早；而Na2SO4物理結(jié)晶的產(chǎn)物Na2SO4·10H2O結(jié)合了更多的結(jié)晶水，因而體積膨脹更大，產(chǎn)生了更大的膨脹應(yīng)力，因而造成了更大的強(qiáng)度損失；

(3)建立了凍融和腐蝕共同作用下澆注式瀝青混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度演化方程，該方程計算獲得的數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)高度吻合，驗證了該方程的合理性。

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Evolution Rules of Gussasphalt Concrete Splitting Tensile Strength under the Action of Freeze Thaw Corrosion

JIANGMing-yang,ZHANGBin

(College of Civil & Transportation Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

In order to analyze the evolution rules of gussasphalt concrete splitting tensile strength under the action of freeze thaw corrosion coupling,doing freeze thaw corrode coupling experiments on gussasphalt concrete by using two kinds of concentration solution of Nacl and Na2SO4,and do splitting experiment after freeze thaw corrode circulation, then analyze mechanism of the experimental phenomena.Based on experimental data,evolution equations about splitting tensile strength ratio are established.The results prove that and the decline was positively related to the corrosion solution concentration, the strength damage in Na2SO4solution is bigger than in Nacl solution; Freeze-thaw erosion mechanism of asphalt concrete is frost heave, asphalt aging, chemical corrosion and salt crystallization volume expansion of the result of joint action.The evolution equations that have been established highly coincides with the experimental data and shows out the evolution rules of gussasphalt concrete splitting tensile strength under the action of freeze thaw corrosion.

gussasphalt concrete;freeze thaw corrosion;splitting tensile strength;evolution rule

國家自然科學(xué)基金(51504125)；遼寧省教育廳一般項目(L2014136)

姜明陽(1985-)，女，博士研究生，講師.主要從事建筑材料等方面研究.

TU521

A

1001-1625(2016)03-0743-05