盐腐蚀作用下纤维沥青混合料低温性能研究

郭龙

开封市天平路桥工程监理有限公司 河南 开封 475000

摘要：本文通过室内试验，采用低温弯曲试验和干湿循环试验来评价不同浓度硫酸盐溶液对矿物复合沥青混合料的低温抗裂性能的影响。

关键词：盐腐蚀；纤维沥青混合料；低温性能

1.原材料

沥青采用克拉玛依A-90^#沥青，纤维选用聚酯纤维、玄武岩纤维和MiberⅠ纤维，集料试验采用的粗集料为玄武岩，细集料为石灰岩，填料为石灰石磨细矿粉，矿料级配见表1。

表1 AC-13级配组成

级配类型	通过下列筛孔（mm）的质量百分率/%
	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
AC-13	100.0	94.5	75.3	49.3	32.2	24.8	18.4	13.7	10.1	6.9

2.低温性能试验

路面的低温开裂是沥青路面存在的主要病害之一，分布十分普遍，无论是冰冻地区，还是非冰冻地区，只是产生的裂缝程度不同而已。路面开裂产生的主要因素是寒冷季节周期性变化产生的温度应力及行车荷载作用产生应力的复合作用。当温度应力及行车荷载作用产生的累积应力或材料的损伤超过材料容许程度时，开裂病害就会产生，并严重危害道路的使用寿命和服务质量，目前已受到各国道路界的普遍关注。在西部盐富集地区，低温开裂尤为严重，且裂缝形式多样，如单缝、块裂、龟裂等，同时富余盐类微粒也会对裸露的沥青路面表层混合料的低温性能带来影响。为此，本章将对干湿与腐蚀共同作用下沥青混合料的低温性能进行研究。

2.1试验方案

（1）低温弯曲试验

按各类混合料相应的最佳油石比成型车辙板试件，车辙板的密实度控制在马歇尔密度的100±1%。将每个车辙试件切割成规格为6根250mm(±2)mm×35(±2)mm×30(±2)mm的棱柱体小梁，然后在SANS万能试验机上进行试验。试验温度为-10℃，加载速率为50mm/min。

（2）干湿循环

为验证盐腐蚀介质对沥青混合料高温稳定性的影响，本研究设置了干湿循环与盐溶液浸泡双重作用的加速试验，其中盐溶液选择质量分数为5%、15%（室温条件下接近饱和状态）的Na₂SO₄溶液。具体做法为：车辙试件成型48h后，在自来水和浓度为5%、15% 的Na₂SO₄溶液中浸泡，取出后置入25℃自来水及相应浓度Na₂SO₄溶液中浸泡24h，然后放入35℃烘箱中放置36h，即60h为一次干湿循环。设定循环次数为15、30、60次。为保证腐蚀溶液的浓度稳定，容器顶部用篷布予以密封，同时每个月对腐蚀溶液进行一次更换。另一批放置于室内阴凉处，待对比样干湿循环结束后，同步进行试验。

2.2试验结果与分析

沥青混合料在低温下的极限破坏应变，反映出其粘弹特性及抵抗变形的能力。沥青混合料的极限破坏应变越大，其低温抗裂性能越好。未经干湿循环加速腐蚀作用的纤维沥青混合料低温弯曲试验结果见图1所示，为进一步探讨下纤维在沥青混合料中的增强效果，纤维沥青混合料低温弯拉强度值一并给出。

    a. 纤维沥青混合料低温弯拉破坏强度

    b. 纤维沥青混合料低温弯拉破坏应变

图1  纤维沥青混合料低温弯曲试验结果

    图2 干湿循环15次后纤维沥青混合料低温弯曲试验结果

    图3  干湿循环30次后纤维沥青混合料低温弯曲试验结果

    图4 干湿循环60次后纤维沥青混合料低温弯曲试验结果

由图1-4可得：（1）不同种类纤维沥青混合料的弯拉破坏强度和弯拉破坏应变均较未掺纤维的混合料大，表明掺入纤维后，AC-13混合料在低温条件下所能承受的极限荷载增加，低温抗变形能力进一步增大，即混合料的低温抗裂性能得到有效提高。（2）不同纤维的增强效果不同，其中，掺加聚酯纤维时混合料的强度增幅最大，达到15.3%。MiberⅠ纤维和玄武岩纤维的作用效果相近，分别为13.8%和13.3%。（3）不同纤维的增韧效果不同，其中，掺加MiberⅠ纤维的沥青混合料低温抗变形能力增幅最大，达到14.2%。聚酯纤维和玄武岩纤维的作用效果次之，分别为9.2%和3.0%。

纤维沥青混合料低温抗变形能力的提高主要是由于纤维的桥接、加筋和阻拔等作用。在沥青混合料开裂后仍能使纤维沥青混合料维持一定的承载能力，韧性的增强使混合料的抗变形能力提高。（1）经多周期干湿循环后，纤维沥青混合料的弯拉破坏应变较基准有所降低。以干湿循环15次为例，无论是自来水浸泡还是Na₂SO₄溶液浸泡，沥青混合料的低温抗裂性均遭受劣化，尤其是Na₂SO₄溶液；同时，随着盐溶液浓度的升高，混合料的弯拉破坏应变不断下降。就未掺纤维的混合料而言，自来水和15% Na₂SO₄溶液使试样的弯拉破坏应变在干湿循环作用下分别减少8.0%和25.9%。表明沥青混合料在硫酸盐腐蚀环境下的性能衰减较蒸馏水环境下更为严重，且沥青混合料的低温抗裂性能随硫酸盐浓度的增加呈降低趋势。（2）硫酸盐环境导致沥青混合料性能衰减，究其原因，主要是由于棱柱体小梁在受弯拉应力时，沥青-集料界面将产生应力集中和拉裂，而干湿循环作用下的硫酸盐溶液侵蚀导致沥青柔韧性降低及混合料强度不断衰减；此外，产生的硫酸盐结晶体发生体积膨胀使沥青混合料内部出现较大盐胀应力，多次循环后致使混合料出现较多微细裂缝，而析晶产物填充在微裂缝中，也降低了沥青混合料的自愈合作用；根据表面张力理论，水侵入沥青与集料界面后，表面张力的变化造成沥青逐渐从集料表面剥离引发水损害，而在硫酸盐溶液时，表面张力随着溶液浓度的增大而增大，加速了硫酸盐离子向沥青膜与集料界面间的迁移和渗透速率并造成粘附性弱化。（3）纤维的掺入可有效降低硫酸盐腐蚀介质对混合料低温抗裂性能的劣化作用。不同纤维对在干湿循环与盐腐蚀共同作用下沥青混合料低温抗裂性的改善效果不同，其中，MiberⅠ纤维最佳，聚酯纤维和玄武岩纤维效果相近。由于所掺纤维呈三维多向分布，不仅相互搭接，呈现出良好的“桥接”、“加筋”和“阻拔”作用，而且当沥青混合料经硫酸盐溶液干湿循环作用后产生膨胀裂缝和损伤时，纤维能够有效防止裂缝和损伤的形成与扩展，一定程度上提高了沥青混合料在腐蚀环境下的低温抗裂性能。（4）在干湿循环和15%Na₂SO₄溶液浸泡的共同作用下，沥青混合料的弯拉破坏应变随循环次数的增加而降低，但变化趋势不尽相同。未掺纤维的沥青混合料、MiberⅠ纤维沥青混合料与聚酯纤维沥青混合料的降幅变化趋势类似，即“陡-缓-陡”，表明初期与后期的干湿循环对混合料低温性能的劣化程度较大；玄武岩纤维沥青混合料的弯拉破坏应变随干湿循环次数变化几乎呈线性降低，表明其对腐蚀加速非常敏感。

3.结论

研究表明，在盐富集地区铺筑沥青路面时，矿物复合纤维是一种行之有效的外掺剂，尤其是解决沥青路面低温开裂病害的重要手段。