硫酸盐作用下沥青混合料性能研究

杨建国

(新疆筑路机械厂公路工程处，新疆乌鲁木齐 830021)

0 前言

沥青路面长期暴露在空气中，受环境因素和气候条件的影响易出现各种形式的破坏，其中高温车辙和水损害是沥青路面发生破坏的主要形式。研究表明，水的侵蚀会对沥青混合料性能产生严重影响［1］，行车荷载作用下的动水冲刷作用使沥青混合料的强度严重劣化。中国西部盐湖地区气候环境非常恶劣，富余硫酸盐浓度高，裸露的沥青路面表层长期受到硫酸盐的侵蚀作用，尤其在干湿交替的环境中，这种侵蚀作用更加重了沥青混合料的损害，直接影响着沥青路面的使用寿命［2－8］。因此，在硫酸盐富集地区修筑沥青路面时，必须考虑沥青混合料的抗盐分侵蚀能力，保证沥青路面具有良好的耐久性。本文通过室内试验，模拟不同浓度的硫酸盐溶液对沥青混合料的高温稳定性能和水稳定性的影响，为盐分地区修筑沥青路面提供参考。

1 原材料试验与方法

1.1 原材料试验

1.1.1 沥青

试验选用克拉玛依110#石油沥青，其主要技术指标如表1所示。

1.1.2 集料

粗细集料都采用玄武岩，矿粉选用石灰石矿粉。集料筛分后按《公路工程集料试验规程》分别用网篮法和容量瓶法测定粗细集料的密度如表2、表3。

表1 沥青的主要技术指标

表2 粗集料密度

表3 细集料密度

1.2 试验方法

本试验中所用硫酸盐溶液采用Na2SO4与蒸馏水配制，浓度分别为2.5%、5%、10%和15%。将成型好的沥青混合料试件在常温下静置48 h后，在不同浓度的Na2SO4溶液中真空饱水，然后取出放入30℃相应浓度的Na2SO4溶液中浸泡12 h，然后放入干燥环境中放置12 h。对比分析硫酸盐作用下混合料性能的变化。

2 试验结果与分析

本文沥青混合料级配选用AC—13，合成级配采用AC—13中值，用马歇尔试验确定沥青混合料的最佳油石比为5.0%。

2.1 高温稳定性

本文采用60℃车辙试验评价硫酸盐侵蚀作用下沥青混合料的高温性能，车辙试验结果如图1和图2。

图1 硫酸盐浓度与动稳定度关系

图2 硫酸盐浓度与变形量关系

从图1和图2可以看出，随硫酸盐浓度增大，动稳定度逐渐减小，累积变形量逐渐增大。且硫酸盐浓度越小，动稳定度的减小趋势和累积变形量的增加趋势越明显。当硫酸盐浓度大于10%时，动稳定度反而随浓度增大而增大，变形量随浓度增大而减小，可能原因是，试件在浸泡和干燥时的温度相差较大，当溶液浓度为15%时有部分硫酸盐结晶析出，从而减弱了对试件的侵蚀程度。

随硫酸盐浓度增大，动稳定度减小，车辙深度增大，表明硫酸盐的侵蚀作用加快了混合料性能的衰减，大大降低了沥青路面的高温抗车辙能力。其原因是，硫酸盐的侵入及在高温环境下附着在集料与沥青界面间的硫酸盐结晶产物体积膨胀，直接导致沥青与集料粘结力下降及混合料强度降低;部分侵入后的硫酸盐溶液还会在一定程度上起润滑作用，使集料间的相互嵌挤作用降低，沥青混合料的内摩阻角有所减小，进而劣化了沥青混合料的高温稳定性能。

2.2 水稳定性

本文采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来检测沥青混合料的水稳定性。两种方法均采用击实法成型圆柱体试件，浸水马歇尔试验采用正反两面各击实75次;冻融劈裂试验采用正反两面各击实50次。

2.2.1 浸水马歇尔试验

浸水马歇尔试验结果如图3、图4和图5所示。

图3 硫酸盐浓度和稳定度的关系

图4 硫酸盐浓度和流值的关系

图5 硫酸盐浓度和残留稳定度的关系

从图4、图5和图6可以看出，随硫酸盐浓度增大，浸水前后的稳定度逐渐减小、流值逐渐增大，硫酸盐的侵蚀使残留稳定度大幅降低。表明硫酸盐的侵蚀作用加快了混合料的性能衰减，使沥青路面的抗水损害能力明显降低。根据表面张力理论，盐水侵入沥青与集料之间，使沥青逐渐从集料的表面逐渐剥离，从而引起水损害。

2.2.2 冻融劈裂试验试验结果

按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》中的要求和方法进行冻融劈裂试验，试验结果如图6、图7和图8所示。

从图6、图7和图8可以看出，随硫酸盐浓度增大，冻融前后的最大荷载值和劈裂抗拉强度都逐渐降低;劈裂强度比也随硫酸盐浓度增大而呈减小趋势，当浓度较大时，劈裂强度比已不能满足规范要求。表明硫酸盐的侵蚀作用使沥青混合料的抗水损害能力明显降低。

图6 硫酸盐浓度和最大荷载的关系

图7 硫酸盐浓度和劈裂抗拉强度的关系

图8 硫酸盐浓度和劈裂强度比的关系

综上所述，硫酸盐的侵蚀大大降低了沥青混合料的水稳定性，使沥青路面的抗水损害能力大大减弱。

3 结论

1)随硫酸盐浓度增大，沥青混合料的动稳定度减小，总变形量增加，说明沥青混合料的高温稳定性随硫酸盐浓度增大而变差。

2)随硫酸盐浓度增大，浸水前后的稳定度都减小、流值增大，沥青混合料的水稳定性逐渐变差。

3)不管试件是否冻融，劈裂抗拉强度和劈裂强度比都随硫酸盐浓度的增大而减小，沥青混合料的水稳定性变差，使沥青路面的抗水损害能力大大减弱。

［1］赵永利，吴 震，黄晓明.沥青混合料水稳定性研究［J］.东南大学学报(自然科学版)，2001，31(3):99 －102.

［2］熊 锐，陈拴发，关博文，等.硫酸盐腐蚀作用下沥青混合料耐久性能［J］.长安大学学报(自然科学版)，2011，31(6):11 －15.

［3］任传军，施惠生，关函非.SBS改性沥青混合料耐海水侵蚀性能研究［J］.中南公路工程，2006，31(6):58 －60.

［4］严伊莎.盐分对沥青混合料路用性能影的分析研究响［D］.西安:长安大学，2007.

［5］曾 伟，唐德清，谷 莉.SEAM温拌沥青混合料性能及应用［J］.公路工程，2011，36(6):141 －143.

［6］刘 栋，杨朝辉.AC－16沥青混合料抗裂性能评价［J］.公路工程，2011，36(6):134 －137.

［7］李美华，覃润普.TLA改性沥青BLSMA－16混合料配合比设计及路用性能研究［J］.公路工程，2012，37(3):127 －132.

［8］刘永贵，凌剑兴，张继森，等.Evotherm温拌沥青混合料性能试验研究［J］.公路工程，2013，38(1):14 －16.