凍融循環(huán)作用下鹽分侵蝕對瀝青性能的影響

鄧曉寧，劉家慶，王紅偉

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

我國大約85%的國土面積受降雪結(jié)冰影響，冬季路面積雪結(jié)冰導(dǎo)致路面抗滑系數(shù)下降，嚴(yán)重威脅人民的生命財產(chǎn)安全。研究表明，冬季由于路面積雪結(jié)冰引發(fā)的交通事故占15%～30%。撒布融雪除冰劑作為一種高效的清除路面積雪結(jié)冰的方式被廣泛采用，融雪除冰劑的主要成分一般為氯鹽，具有作用效果明顯、造價低、資源豐富且材料易于存儲等優(yōu)點[1-2]。但是，大量的融雪除冰劑會對路面及橋梁附屬結(jié)構(gòu)物造成影響，并且易污染周圍的土壤、水源和植物[3]。

單鳴宇[4]研究鹽分及凍融循環(huán)作用下膠粉改性瀝青混合料的低溫性能，研究結(jié)果表明：在凍融循環(huán)作用下，瀝青膠結(jié)料會發(fā)生老化，低溫抗開裂性能變差。張苛[5]對瀝青在氯鹽溶液中干濕及凍融循環(huán)作用條件下的四組分進(jìn)行研究，結(jié)果表明：瀝青中輕質(zhì)組分減少，瀝青質(zhì)含量相對增加，鹽分侵蝕使瀝青化學(xué)組分發(fā)生改變，表現(xiàn)為“鹽老化”。

目前國內(nèi)對于凍融循環(huán)作用下鹽分侵蝕的影響研究主要集中在瀝青混合料的路用性能和力學(xué)性能以及瀝青化學(xué)成分的變化方面，而對于瀝青基本指標(biāo)影響的研究較少。本研究將三種類型的瀝青浸泡在不同濃度的鹽溶液中，并經(jīng)過不同的凍融循環(huán)次數(shù)，測試瀝青三大指標(biāo)的變化，以針入度指數(shù)、當(dāng)量軟化點和延度評價瀝青的感溫性能、高溫性能和低溫性能，探究鹽溶液侵蝕與凍融循環(huán)雙重作用下瀝青性能變化規(guī)律，為冬季路面選擇合適的瀝青提供科學(xué)依據(jù)。

1 原材料性能及試驗方案

1.1 原材料

為了探究鹽分侵蝕對不同類型瀝青的影響，本研究選用三種類型的瀝青分別為70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、膠粉改性瀝青，各瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)如下頁表1所示。

表1 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)表

1.2 試驗方案

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)開展T0604-2011 瀝青針入度試驗、T0605-2011瀝青延度試驗和T0606-2011瀝青軟化點試驗(環(huán)球法)。為了計算針入度指數(shù)，研究中分別測試了15 ℃、25 ℃和30 ℃的針入度值。

2 瀝青預(yù)處理

2.1 試驗方案設(shè)計

目前國內(nèi)普遍采用的融雪除冰劑材料主要為氯鹽類，本研究中選用CaCl2分析純?yōu)辂}溶液侵蝕的主要鹽化物類型，并配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、2%、4%、6%的CaCl2溶液作為鹽分侵蝕溶液。

結(jié)合前人的研究經(jīng)驗[6-7]，瀝青的凍融循環(huán)過程為：將鹽分侵蝕后的瀝青在-10 ℃環(huán)境中冷凍30 min，再在室溫為15 ℃的環(huán)境箱中保溫30 min，即完成一次凍融循環(huán)。

表2 鹽溶液侵蝕和凍融循環(huán)試驗設(shè)計表

2.2 預(yù)處理過程

(1)配制不同質(zhì)量濃度的鹽溶液。

(2)將基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、膠粉改性瀝青分別加熱到流動狀態(tài)，然后將瀝青倒入不同濃度的鹽溶液中。

(3)將瀝青在20 ℃的鹽溶液中浸泡2 h，然后取出放入60 ℃的烘箱中保溫30 min，再浸入20℃的鹽溶液中浸泡30 min，此過程為鹽溶液的侵蝕過程。

(4)將經(jīng)過鹽溶液侵蝕后的瀝青，按照相應(yīng)的凍融循環(huán)過程依次完成3、9、16、25次凍融循環(huán)，并測試每次凍融循環(huán)后瀝青的針入度、延度、軟化點。

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 各影響因素對針入度指數(shù)的影響

如圖1、圖2所示，三種瀝青的針入度指數(shù)基本上都表現(xiàn)出膠粉改性瀝青>SBS改性瀝青>基質(zhì)瀝青的情況，說明三種瀝青中膠粉改性瀝青的感溫性能較好，基質(zhì)瀝青溫度敏感性最差。膠粉和SBS改性劑都可以使瀝青的感溫性得到改善。

圖2 凍融循環(huán)次數(shù)對瀝青針入度指數(shù)的影響曲線圖

通過單因素分析鹽溶液濃度、凍融循環(huán)次數(shù)對三種類型瀝青針入度指數(shù)的影響，計算其針入度指數(shù)極差最大值，得出以下結(jié)論：

(1)以鹽溶液濃度為影響因素時，基質(zhì)瀝青在凍融循環(huán)25次時，最大極差值為0.215 1；SBS改性瀝青在凍融循環(huán)3次時，最大極差值為0.203 8；膠粉改性瀝青在凍融循環(huán)25次時，最大極差值為0.204 0。

(2)以凍融循環(huán)次數(shù)為影響因素時，基質(zhì)瀝青在鹽溶液濃度為2%時，最大極差值為0.111 3；SBS改性瀝青在鹽溶液濃度為6%時，最大極差值為0.177 7；膠粉改性瀝青在鹽溶液濃度為6%時，最大極差值為0.234 0。

通過對圖1、圖2及極差分析可知，膠粉改性瀝青的感溫性能最好，基質(zhì)瀝青的感溫性能最差，對于環(huán)境溫差變化大的地區(qū)，推薦采用膠粉改性瀝青作為膠結(jié)料。鹽溶液的濃度對基質(zhì)瀝青和SBS瀝青的感溫性能影響較大，凍融循環(huán)次數(shù)對膠粉改性瀝青的感溫性能影響較大。

3.2 各影響因素對延度的影響

如下頁圖3、圖4所示，鹽溶液的濃度和凍融循環(huán)次數(shù)對于SBS瀝青、膠粉改性瀝青的延度影響較小，延度基本上不發(fā)生變化。基質(zhì)瀝青在兩種影響因素條件下的延度變化較大，低溫性能影響較大。分析其主要原因為：SBS改性劑與瀝青之間，SBS改性劑之間形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵，鹽溶液侵蝕和凍循環(huán)次數(shù)對于化學(xué)鍵的破壞能力較差。膠粉改性瀝青材料中，膠粉與瀝青之間的模量差別較大，在界面處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，鹽溶液侵蝕和凍融循環(huán)次數(shù)的影響不能體現(xiàn)。而對于基質(zhì)瀝青，由于材料的均一性，鹽溶液侵蝕和凍融循環(huán)次數(shù)都會影響瀝青的均勻性，所以表現(xiàn)為延度出現(xiàn)明顯的變化。

圖3 鹽溶液濃度對瀝青延度的影響曲線圖

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)對瀝青延度的影響曲線圖

3.3 各影響因素對瀝青當(dāng)量軟化點的影響

如后頁圖5、圖6所示，對比鹽溶液濃度和凍融循環(huán)次數(shù)影響因素條件下，基質(zhì)瀝青的當(dāng)量軟化點最小，說明基質(zhì)瀝青的高溫性能較差。膠粉改性瀝青和SBS瀝青的高溫性能受兩種不同影響因素作用而不同。

圖5 鹽溶液濃度對瀝青當(dāng)量軟化點的影響曲線圖

圖6 凍融循環(huán)次數(shù)對瀝青當(dāng)量軟化點的影響曲線圖

通過單因素分析鹽溶液濃度、凍融循環(huán)次數(shù)對三種類型瀝青當(dāng)量軟化點的影響，計算各類型瀝青當(dāng)量軟化點的極差最大值，得出以下結(jié)論：

(1)以鹽溶液濃度為影響因素時，基質(zhì)瀝青在凍融循環(huán)3次時，最大極差值為1.1 ℃；SBS改性瀝青在凍融循環(huán)3次時，最大極差值為1.3 ℃；膠粉改性瀝青在凍融循環(huán)25次時，最大極差值為1.8 ℃。

(2)以凍融循環(huán)次數(shù)為影響因素時，基質(zhì)瀝青在鹽溶液濃度為4%時，最大極差值為0.7 ℃；SBS改性瀝青在各濃度鹽溶液中極差值均約為1.0 ℃；膠粉改性瀝青在鹽溶液濃度為6%時，最大極差值為1.5 ℃。

由極差分析可知，鹽溶液的濃度對基質(zhì)瀝青和SBS瀝青的高溫性能影響較大，凍融循環(huán)次數(shù)對膠粉改性瀝青的高溫性能影響較大。

4 結(jié)語

對三種瀝青進(jìn)行鹽溶液的侵蝕和凍融循環(huán)作用，測試三種瀝青在不同條件下的針入度、延度、當(dāng)量軟化點，并采用單因素分析和極差分析方法對瀝青的感溫性能、低溫性能和高溫性能進(jìn)行評價，得出以下結(jié)論：

(1)鹽溶液侵蝕和凍融循環(huán)次數(shù)對瀝青的感溫性能和高溫性能影響較大。三種瀝青的低溫性能受兩種影響因素的影響較小。

(2)兩種影響因素對不同類型的瀝青的影響程度不同，鹽溶液侵蝕對基質(zhì)瀝青和SBS瀝青的感溫性能和高溫性能影響較大；凍融循環(huán)次數(shù)對膠粉改性瀝青的感溫性能和高溫性能影響較大。

(3)三種瀝青的感溫性能為膠粉改性瀝青>SBS改性瀝青>基質(zhì)瀝青。對于溫差變化較大的地區(qū)推薦采用膠粉改性瀝青。