[南京立體綠化墻]融雪抑冰瀝青混合料路用性能及鹽分溶析特性

2017-02-02 瀏覽478次

  為解決冬季道路積雪結(jié)冰導(dǎo)致的交通安全問題，南京立體綠化墻常采用不同的冰雪控制技術(shù)，來保障路表抗滑能力。融雪抑冰瀝青混凝土在我國又稱為蓄鹽瀝青混合料。在降水條件下(降雨、降雪、凍雨、結(jié)冰、下霜、上霧等)，蓄積在路面結(jié)構(gòu)中的鹽化物能夠主動釋放，在濃度梯度和車輛荷載的泵吸作用下，由路面內(nèi)部逐漸轉(zhuǎn)移至路表，降低路表水溶液冰點，起到融雪、抑冰作用。研究表明，在小雪條件下，AFAC的自融雪效果、抑制凍結(jié)效果十分明顯。隨著降雪量增加、空氣溫度降低，蓄鹽路面的自融雪效果受到一定影響，但依然具有以下特征：(1)即使路表已經(jīng)形成積雪或結(jié)冰，在雪/冰與路面之間，依然存在鹽溶液層，能降低冰雪與路表黏附力，對路面形成良好的保護作用；(2)在冰雪控制作業(yè)過程中，提高機械鏟除冰雪的容易程度。 

    為研究AFAC的路用性能，國內(nèi)外進行了大量的報道。在日本，AFAC常采用AC-13瀝青混合料，其填料含量高于我國。為了獲得較好的融雪抑冰能力，瀝青混合料中的蓄鹽含量通常介于4%~6%(重量百分率，下同)之間。因此，王峰等人以AC-16為例，研究了AFAC作為面層時的路用性能。孫玉齊研究表明，AC-13混合料蓄鹽后，其動穩(wěn)定度從6513次/mm變?yōu)?014次/mm(完全替代礦粉)；低溫抗裂性和水穩(wěn)定性均會隨鹽化物摻加而降低。隨后，張麗娟和黃小霞等人采用OGFC為基礎(chǔ)，研究其蓄鹽后的路用性能指標(biāo)。結(jié)果表明，在鹽化物摻量達到一定程度時，透水型瀝青混合料的物理力學(xué)性質(zhì)較差，表現(xiàn)在OGFC瀝青混合料的抗壓強度較小，甚至松散，瀝青混合料結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，AFAC的路用性能表現(xiàn)在水穩(wěn)定性不良，摻加鹽化物后高溫穩(wěn)定性下降等特點。但是，依然缺乏令人信服的機理解釋。 

    對AFAC的鹽分析出特性研究，分別采用開級配與密級配兩種混合料，研究其鹽分溶析規(guī)律和耐久性。結(jié)果顯示，在相同摻量下，由于混合料空隙率差異，開級配AFAC的鹽分析出量高于密級配。采用電導(dǎo)率法，研究了AC-13瀝青混合料蓄鹽后的鹽分析出能力，并采用模型評價AFAC的融雪抑冰性能。日本的村國．誠等分別采用密封法、全溶法和排水法研究了空隙率為20%時排水性路面的鹽化物適用情況，證明具有較大空隙率的排水性路面鹽分析出能力大于普通瀝青混凝土路面。王峰等人研究了AC-16蓄鹽瀝青混合料作為面層的路用性能和鹽分析出能力，表明瀝青混合料空隙率越大，鹽分析出能力越強。然而，關(guān)于AFAC中的鹽分析出特性，相關(guān)研究依然不夠深入。 

    為研究AFAC的路用性能劣化機理及鹽分析出特性，本文分別采用間斷級配SMA-13和連續(xù)級配AC-13兩種級配類型，在相同鹽化物置換率下，通過添加兩種不同鹽化物，研究其路用性能與鹽分析出特性。 

    材料與方法 
    瀝青與集料 

    本文所用結(jié)合料為SBS1-C型改性瀝青。所用集料為產(chǎn)自咸陽料場的玄武巖，其基本技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。 

    鹽化物 

    目前，常見的鹽化物為CaCl2或NaCl基，但鑒于CaCl2通常含有6個結(jié)晶水，具有較強的吸濕性、難以存儲等特性，氯化鈉基的鹽化物在我國得到了更為廣泛的應(yīng)用。本文采用兩種鹽化物，分別為國產(chǎn)融雪劑和某進口融雪劑，密度分別為2.17g/cm3和2.30g/cm3，主要成分均包括：SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO及NaCl等。 

    級配組成 

    為研究不同瀝青混合料級配對鹽化物性能的影響，本文采用SMA-13間斷級配和AC-13連續(xù)級配。SMA-13中所用纖維為木質(zhì)素纖維，礦粉占石料的9.0%，AC-13中礦粉用量為6.0%。兩種混合料中均采用等體積置換法摻入I和M，摻量均為6%(修正前)。 

    試驗方法 
    文中瀝青混合料制備方法依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，并采用該規(guī)范中的馬歇爾試驗、車轍試驗和低溫彎曲試驗以及SHRP計劃提出的漢堡車轍試驗研究AFAC的物理力學(xué)性能。采用浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、謝倫堡析漏試驗和肯塔堡飛散試驗評價了瀝青混合料的抗剝落性能。通過全溶法測試了瀝青混合料浸水后的電導(dǎo)率，評價其鹽分析出特性。 

    性能試驗與討論 
    物理和力學(xué)性能 

    對AC-13和SMA-13瀝青混合料，摻加鹽化物后，不論是I鹽還是M鹽，均導(dǎo)致瀝青混合料穩(wěn)定度降低，流值升高。對比兩種瀝青混合料，AC-13的穩(wěn)定度和流值均小于SMA-13。這是由于兩種瀝青混合料類型不同所致。AC-13瀝青混合料屬于連續(xù)、密級配，SMA-13屬于間斷、開級配，瀝青混合料類型的不同導(dǎo)致混合料物理力學(xué)指標(biāo)差異。對混合料的空隙率結(jié)果分析表明，摻入鹽化物I和M后，均導(dǎo)致混合料的空隙率下降，且I對混合料空隙率的影響大于M。在AC-13中，IAC-13的空隙率降至1.6%，降低幅度約50%，而Ｍ－AC-13的空隙率降低幅度為30%，這一結(jié)論在SMA-13混合料中同樣適用。不同的是，在AC-13中，瀝青混合料的空隙率降低幅度遠大于SMA-13混合料。表明鹽化物對AC-13混合料的影響大于SMA-13混合料。 

    文章采用60℃條件下的高溫車轍試驗評價AFAC的高溫性能。研究結(jié)果表明，和原樣瀝青混合料相比，兩種鹽化物均導(dǎo)致瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能降低。對AC-13，I-AC-13與M-AC-13的動穩(wěn)定度幾乎相當(dāng)，且幅度不到10%。但對SMA-13，M-SMA-13的動穩(wěn)定度下降幅度較大，由11667降至7072次/mm，降低幅度近40%。AC-13屬于懸浮密實型瀝青混合料，細集料的數(shù)量較多，粗集料被細集料擠開，導(dǎo)致粗集料以懸浮狀態(tài)位于細集料之間。但SMA-13混合料屬于骨架密實型結(jié)構(gòu)，既有一定數(shù)量的粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，又有足夠的細集料填充到粗集料之間的空隙中去。由于上述混合料級配類型的差異，導(dǎo)致AFAC表現(xiàn)出不同的抗車轍力學(xué)特性。AFAC的低溫抗開裂能力采用最大彎拉應(yīng)變評價。結(jié)果表明，鹽化物摻入后導(dǎo)致瀝青混合料的抗低溫開裂能力下降。例如，置換了6%(修正前)的I鹽后，AC-13的最大彎拉應(yīng)變由3840με降低到2616με，SMA-13的最大彎拉應(yīng)變由3705με降至3270με。在低溫彎曲試驗過程中，不可避免地要對試件進行保溫。在濕潤狀態(tài)下，瀝青混合料中的鹽化物析出，造成混合料內(nèi)部缺陷，在彎曲過程中，形成應(yīng)力集中，提前斷裂。這表明在AFAC的使用過程中，在雨水、雪水、冰凍等自然條件下，應(yīng)當(dāng)關(guān)注其低溫抗裂性能。對比兩種鹽化物而言，摻加I的瀝青混合料低溫彎曲性能略優(yōu)于摻加Ｍ的混合料。造成這一現(xiàn)象的原因，可能與鹽化物本身性質(zhì)有關(guān)，也可能是由鹽分的析出特征導(dǎo)致。后文將繼續(xù)對這一現(xiàn)象的原因進行分析?？傮w而言，與AC-13瀝青混合料相比，蓄鹽SMA-13瀝青混合料的低溫性能更好一些，且摻加鹽化物后的最大彎拉應(yīng)變降低幅度也較小。這是由于SMA為瀝青瑪蹄脂碎石，膠漿中含有大量木質(zhì)素纖維，纖維的加筋、拔出等作用，保障其具有較好的低溫抗開裂能力。 

    考慮到AFAC的實際工作條件為浸水環(huán)境，本文采用漢堡車轍試驗評價浸水條件下的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和抗水損害能力。所用試驗裝置為美國PMW漢堡車轍儀，浸水溫度50±1℃，橡膠輪胎，荷載0.7±0.05MPa，循環(huán)碾壓20000次。突變的拐點處定義為瀝青混合料的“剝落點”，采用切線交匯處所對應(yīng)的行車碾壓次數(shù)表征。剝落點處，瀝青與集料表面嚴重剝離，混合料迅速破壞。定義瀝青混合料車轍深度達到12.5mm時，車輪循環(huán)碾壓的次數(shù)稱為“破壞點”，若循環(huán)碾壓結(jié)束，尚未出現(xiàn)剝落點或破壞點，計作20000次。本文對SMA-13混合料進行了漢堡車轍試驗。和標(biāo)準車轍試驗結(jié)果類似，鹽化物Ｉ和Ｍ均導(dǎo)致瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性降低，表現(xiàn)為車轍深度增加，但I-SMA-13的浸水車轍深度略低于M-SMA-13。試驗結(jié)果表明，AFAC未出現(xiàn)明顯剝落點，車輪碾壓20000次后，無破壞點，試驗結(jié)果與高溫車轍試驗結(jié)果相符。 

    抗剝落性能 
    瀝青混合料水損害的過程，其實就是瀝青膜從集料表面剝落的過程。本文分別采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價了AFAC的抗水損害性能。試驗結(jié)果表明，M的摻入導(dǎo)致AC-13和SMA-13混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比降低。不論在浸水馬歇爾試驗還是凍融劈裂試驗過程中，馬歇爾試件均需要在水溶液中浸泡。浸泡過程中，瀝青混合料內(nèi)部的鹽分必然會析出，并留下空隙。而鹽分析出的通道，同樣成為了水分侵入的通道，增大了水與集料表面的接觸面積。在浸水循環(huán)或凍融循環(huán)條件下，由于水與集料表面的浸潤性更好，因此瀝青薄膜逐漸被水剝落，導(dǎo)致殘留穩(wěn)定度和TSR降低。但是，對I-AC-13和I-SMA-13，其殘留穩(wěn)定度和TSR反而增大。分析其原因，可能是由于I材料的自身性質(zhì)所致。據(jù)現(xiàn)有資料，I材料呈堿性，而在瀝青混合料中，瀝青顯酸性。在酸堿作用下，瀝青薄膜抵抗剝落的能力有所提高。 

    瀝青混合料的抗剝落能力，與瀝青和集料的黏附能力密切相關(guān)。瀝青－集料黏附性強，抗水損害的能力相對較好?？纤わw散試驗和謝倫堡析漏試驗通常用于評價SMA、OGFC等瀝青混合料的最小和最大瀝青用量，并能用于間接評價其瀝青混合料抗剝落能力?？纤わw散試驗結(jié)果表明，3種瀝青混合料的飛散值SMA-13>M-SMA-13>I-SMA-13，即瀝青混合料的抗剝落性能I-SMA-13最好，SMA-13最差。謝倫堡析漏試驗結(jié)果顯示，SMA-13的析漏損失率由0.064%增加到0.065%(M-SMA-13)和0.070%(I-SMA-13)。很明顯，從析漏試驗可以得知，摻入鹽化物后，混合料中結(jié)構(gòu)瀝青減少，自由瀝青增多。特別是I導(dǎo)致瀝青混合料中的自由瀝青含量略多于M-SMA-13。自由瀝青增多，混合料黏聚性增大，這一結(jié)論很好地解釋了肯塔堡飛散試驗中的試驗現(xiàn)象。 

    結(jié)合前文瀝青混合料力學(xué)試驗結(jié)果，可以得出：鹽化物導(dǎo)致瀝青混合料中的自由瀝青增多。因此，AFAC表現(xiàn)出馬歇爾穩(wěn)定度減小，流值增大，空隙率變小以及高溫抗車轍能力降低等一系列特性。需要指出的是，鹽化物導(dǎo)致瀝青混合料空隙率降低、馬歇爾穩(wěn)定度變小、流值增大、動穩(wěn)定度下降等現(xiàn)象在其他文獻當(dāng)中已被大量報道。但上述研究中均將注意力集中在與規(guī)范值的對比，而忽略了力學(xué)性能降低這一現(xiàn)象。本文認為，鹽化物摻入瀝青混合料后，導(dǎo)致混合料中自由瀝青增多，結(jié)構(gòu)瀝青減少。因此，在實際使用過程中，應(yīng)適當(dāng)減小瀝青混合料油石比，以提高瀝青混凝土路面使用性能。 

    鹽分析出特征 

    通過電導(dǎo)率試驗測試溶液電導(dǎo)率值，間接反映AFAC融雪能力被廣泛采用。本文研究對象為AFAC的鹽分溶出特性，因此不再對電導(dǎo)率進行其他處理，僅通過電導(dǎo)率變化情況，分析其鹽分溶析規(guī)律。在不摻加任何鹽化物情況下，瀝青混合料的電導(dǎo)率為0，無鹽分析出。對AC-13，很明顯，IAC-13瀝青混合料的電導(dǎo)率小于M-AC-13，如浸水12h時，I-AC-13的電導(dǎo)率為0.41mS·cm-1，而M-AC-13的電導(dǎo)率則達到0.96mS·cm-1，約為前者的兩倍。然而，I-AC-13的空隙率為1.6%，而M-AC-13的空隙率則為2.1%。顯然，相同混合料結(jié)構(gòu)類型條件下，空隙率越大，與水接觸面積越大，鹽分析出值自然越多，相同結(jié)論在文獻］和中已經(jīng)有報道。而且，在浸水50h后，I-AC-13與M-AC-13混合料的電導(dǎo)率變化趨勢(斜率)基本相同，表明兩種混合料的后期鹽分析出能力相似。因此，本研究不能表明M-AC-13的鹽分析出能力大于I-AC-13。但是，對比不同混合料類型的鹽分溶析特征發(fā)現(xiàn)，具有較大空隙率的蓄鹽SMA-13瀝青混合料電導(dǎo)率值反而小于蓄鹽AC-13混合料，這一結(jié)論與王峰等人的研究結(jié)果有所差異。這一現(xiàn)象是由瀝青混合料空隙率內(nèi)部連通特征導(dǎo)致的。AC-13瀝青混合料內(nèi)部空隙相互連通，在浸水條件下，混合料中所蓄積的鹽分在濃度梯度作用下發(fā)生傳質(zhì)，鹽分逐漸析出。而SMA-13瀝青混合料則不同，其混合料內(nèi)部空隙大部分屬于封閉結(jié)構(gòu)，大量鹽分被嵌鎖在混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而本文中所采用的試驗條件為靜態(tài)溶析，并未考慮車輛荷載作用，因此內(nèi)部鹽分難以析出，試件浸水50h后，電導(dǎo)率增長緩慢，表現(xiàn)出較弱的鹽分析出延續(xù)性。本文認為，AFAC的鹽分析出能力不僅受鹽分含量、空隙率大小等影響，還與空隙率內(nèi)部連通特性(包括混合料類型)有關(guān)。 

    結(jié)語 
    (1)在等體積置換法下，瀝青混合料摻入鹽化物后，造成原有瀝青混合料中自由瀝青增多，導(dǎo)致瀝青混合料空隙率變小，高溫抗車轍能力降低。在實際使用過程中，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減少瀝青用量，以滿足瀝青混凝土路面使用性能，推薦減少油石比0.05%~0.1%。 

    (2)在相同鹽化物摻量(容積相等)條件下，鹽化物可以顯著改變?yōu)r青混合料的水穩(wěn)定性能和抗剝落能力，其特征與鹽化物種類有關(guān)。但具體原因，有待進一步研究分析。 

    (3)AFAC的鹽分析出不光與混合料的空隙率有關(guān)，還受空隙率內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響。相同瀝青混合料級配類型條件下，空隙率越大，鹽分析出能力越大。內(nèi)部空隙連通的瀝青混合料鹽分析出能力優(yōu)于內(nèi)部封閉的混合料。