盐冻循环条件下胶粉改性沥青混合料的水稳定性能

发布日期:2015-03-13 14:45:55

盐冻循环条件下胶粉改性沥青混合料的水稳定性能和沥青混合料

盐冻循环条件下胶粉改性沥青混合料的水稳定性能,对胶粉改性沥青混合料进行融會盐条件下的冻融餚环试验,随后测试其空隙率、劈裂强度以 及马歇尔模数,分析冰冻温度、融雪盐浓度和冻融循环次数对混合料空隙率、劈裂强度以及马歇尔 模数的彰响,同时对融雪盐条件下冻融循环后混会料的微魏.形貌进行视.察探讨融雪盐条件下冻 融循环后混合料水稳定性能的劣化机理.结果表明:冰冻溢.度、融雪盐浓度和冻融循坏次数都会对 胶粉改性沥青混合料的空隙率、劈裂强度和马歇尔模数产生较大的影响;融雪盐晶粒对场青黏鲒 性的破坏以及冰晶在混合料内部的膨胀和消融是造成混合料水稳定性能下降的关键原因.

北方地区冬拳气温低,降雪麵繁•道路路面易产 生租:雪j秦结冰,行车安全受到极大影响.为了避免交 通拥堵并确保车辆行驶的安全性,常采用撒布讓養• 盐来融雪除冰[1]身机械除冰、电热除冰相比,撒布 融着盐除冰操作简便、价格低廉,但是融雪盐溶液容 易渗人沥青路面内部.盐冻循环条件下胶粉改性沥青混合料的水稳定性能,有气温交替变化下.s#加剧路 面结构的破坏.
现行规范[2|丨以标准马歇尔试件经历1次冻融循 环后的劈裂强度以及劈裂强度比来评价沥#混合料 的水稳定性能.事实上,沥青路面的设计使用年限¥ 般为10.〜15 而每年冬乘路面材料都要随謇气温 的变化经历数个冻融循环过程,所以现行规范^不 能全面评价路面材料抵抗冻融循环破坏的能力.为 了对现行规范[=]进行改进,不少荸者在'其_础上做 1*^定的研究,例如i抒音在冻融劈裂试验中 增加7冻融循环次数,以冻融循环劈裂强度比评价沥青混合料抗水损害能力;李东庆等4]研究,沥#+ 混合料劈裂强度随冻融循环次数的变化情况,结果 表明在最初的冻融循环中,沥青混合料的劈裂强度 随着冻融循环次数增加而明显减小4着达到7次冻 融循环之后,沥青混合料的劈裂强度趋乎稳定.但瘓 s前很少有涉及融壽ifc条件下沥青混合料抗冻融循 环破坏性能的研究.
本文采用胶粉改性沥青混合料标准马歇尔试件 进行融雪盐条件下的冻融循环试验,分析冰冻温度、 融鸯盐浓度(质教分数)、冻融循环次数对胶粉改性 沥青混合料_隙_、劈裂强度和马歇尔模数的影响, 同时对融雪盐条件下冻融循环膚混合料的微观形貌 进行观察,探讨融養盐条件下冻融循环后混合料水 稳定性能劣化的机理.
1试验
1.1试验材料
采用标准场歇尔试件进行冻融循环试验.按 JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中 AC-13C型中值级配进行胶粉改性沥青混合料配合_ 比设计,其中粗、细集料都采用玄武.岩,矿粉采用石 灰岩粉,胶结料采用胶粉改性沥青:,油石比(廣駑比J 为5.7%,_隙_(体积分数)控制在胶粉改性 沥青技术指标见_ 1,集料和矿粉技术指标见表:2. 
Item
Penetration (25 °C ,100 g,5 s)/ (0. 1 mm)
Ductility(5 °C ,Softening
5 cm • min O/cmpoint/°C
Elastic recovery (25
Test value
Specification. ITT 798—2011
-100
一0. 259 7 >-0. 4
>10
^50
64. 2 >50
表1胶粉改性沥青技术指标 Table 1 Technical index of rubber modified asphalt
Material
Property
Test valueSpecification JTG F40—2004
表2集料和矿粉的技术指标 Table 2 Technical index of aggregate and mineral filler
Crushed stone value(by mass)/.%13. 8^26
L. A. abrasion./%12. 0^28
Coarse aggregateWater absorption(by mass)/%0. 83^2. 0
Percent(by mass) of flat and elongated particles/ %.8. 8^12
Apparent specific density/(g • cm 3)2. 91^2. 6
Fine aggregateApparent specific density/(g • cm 3)2. 72>2.
Mineral fillerApparent specific density/(g • cm 3)2. 62>2.
 
1.2冻融循环试验设计
为合理规划试验次数并减少冻融循环试验的; 作釐,本试验采用的ig正交试验.盐冻循环条件下胶粉改性沥青混合料的水稳定性能,为了更好地模拟实 际的盐冻环境,试验考虑了 3个影响因素:冰冻温 度、威雪盐浓度与冻融循环次数f每个影响因素取4 个水事正交试验的因素及水平见表3.
表3 正交试验的因素及水平 Table 3 Factors and levels of orthogonal test
Factor
Leve1 Freezing temperature/ °CDeicing salt concentration
(by mass)Number of freeze-thaw cycles/times
1-100( water)3
2-2028
3—30415
4-40625
冻融循环试验参照GB/*r 5〇〇82—2〇〇9《誉通混 凝土长期性能和耐久性能试验方法标准I中的混凝 土快冻法及张洪刚^设计的沥青混合料室内冻融循 环试验进行.
将标准马歇尔试件分别置于清水和一:定浓度的 融貪盐溶液中浸泡100 h,达到饱和度要求,然后装 人保鲜袋中,再向其中柱人10 mL清水或对应的融 溶液,密封袋口,将密封后的标准4歇尔试件放 人低温箱中,在设定温度下持续冰冻3 h,然后将试 件取出放人清水或者議雪裁溶液中,升温至t40 °C融 化2 h,龛成1次冻融循环.按照以上步骤进行冻融 循环试验达到所需的冻融循环次数为止.
1.3性能测试及微观形貌观察
依照现行规范[=]测试冻融循环后:胶粉改性沥青 混合料空隙率、劈裂强度以及马歇尔模数.
采用日本紫台Hitachi S-MOONII型扫描电擎 显微镜对在4%融雪盐溶液中冻融循环15次后的 胶粉改性沥賨混合料微观形貌进行观察•
2试验结果
根据正交试验方法,按照不同因素和相应水苹 对沥青混合料进行冻融循环试验.正交试验共分16 组进行,每组进行6次平行试验,取6次试验的平均 值作为该组试验的结果.为对比各影响因素对试验 结果的影响,增加干燥条件下不做冻融循环处理的 第17组试件作为比照试件.
冻融循环试验完成后,测试试件空隙_,、劈裂强 度以及马歇尔模数,结果见表4.由表4可见,经过冻 融循环后,所有试件的空隙率都有不同程度的增大, 
表4正交试验结果 Table 4 Results of orthogonal test
Group
No.Freezing temperature/ °CTest condition
Deicing salt concentration (by mass)/MNumber of freeze-thaw cycles/timesVoid ratio (by volume) before freeze-thaw cycle/ MVoid ratio (by volume) after
freeze-thaw cycle/ %Splitting
strength
after
freeze-thaw cycle/MPaMarshall
modulus
after
freeze-thaw cycle/ (kN • mm
1-10035. 148 05. 395 11. 766 33. 53
2-10285. 126 35. 425 41.648 53. 57
3-104155. 078 75. 629 51.703 93. 79
4-106255. 072 65. 688 41.327 73. 60
5-20085. Ill 35. 226 91.825 03. 52
6-20235. 037 85. 142 72.010 24. 91
7-204254. 916 05. 882 11. 580 22. 18
8-206155. 098 45. 571 51.342 12. 67
9—300155. 044 35. 404 91. 861 84. 28
10—302254. 980 35. 471 31.351 52. 88
11—30434. 986 15. 095 12.133 32. 97
12—30684. 887 75. 599 01. 846 82. 80
13-400255. 361 75. 738 91.487 61. 97
14-402154. 840 65. 712 32.052 93. 15
15-40485. 024 75. 629 61. 839 25. 72
16-40635. 286 65. 383 91.735 63. 48
17
Non freeze-thaw cycle
1. 997 55. 25
 
3各影响因素对比分析
沥青混:奮料空隙率的大小去零着透水程度,. 决章着水损畲的形成及危害程度,盐冻循环条件下胶粉改性沥青混合料的水稳定性能,影响着混含料的 路用性能.沥實混合料劈裂强度比可表征其长期水 稳定性.沥青混合料马歇尔模数可用来评价其抵抗 水损霄的能力•
为了进—步评价融雪ft条件下冻融循环对胶粉 改性沥青混合料水稳定性的影响,根据表4试验结 果,采用极差分析的方法,就冰冻温度、融雪灌:浓度、: 冻融循环次数对胶粉改性浙霄混合料t隙率、劈裂 强度、葛歇尔模数的影响加以分析.
3.1空隙率
不同试验条件下胶粉改性沥青混合料空隙率的 变化见图1(a)〜众).
由图1 ( a)经计算可以得出,一 10,一 20 , — 30 ,
—40 °C条件下胶粉改性沥誉混合料空隙率变化率 分别为 I ,8. 23 %,8. 4051 %,这表明在
—20 °C下冰冻后再融化,混合料聲隙率的变化最 小,随蓍冰冻温度的继续下降,混合料空隙率的变化 会增大•由图Kb)可以看出,在4%融霉粒溶液中发 生冻融循环,混合料孳隙_变化最大•由图1(c)可 以看:出:随冻融循环次数的增加,混合料空隙率不断 增加;冻融循环次数为3次时,冻融循环前后混合料 交隙率几#不变舊冻融循环次数达到15次时,冻 融循环前后混合料空隙率变化很大,可见冻融循环 次数越多,混合料中细集料剥落和流失的情况越
严秦
3.2劈裂强度
不同试验条件下胶粉改性沥青混合料劈裂强度 比(以未冻融循环试件劈裂强度为棊准)的变化见图 :2'(a)〜(e:》* 
5.8
5.6 5.4 5.2 5.0
4.8
4.6
5.6 5.4 5.2 5.0 4.8
4.6
 
15
10
0
381525
Number of freeze-thaw cycles/times
(c) At different numbers of freeze-thaw cycles
□ Before freeze-thaw cycle; □ After freeze-thaw cycles
图i不同试验条件下胶粉改性沥青混合料空隙率的变化
Fig. 1 Changes of void ratio (by volume) of rubber modified asphalt mixture at different test conditions
图2不同试验条件下胶粉改性沥青混合料劈裂强度比的变化
Changes of splitting strength ratio of rubber modified asphalt mixture at different test conditions 
由图2(a)可见,胶粉改性沥青混合料在一30 °C 下冻结后再融化,劈裂强度下降最小.由图2(b)可 见,在4 %融雪盐溶液中发生冻融循环,胶粉改性沥 青混合料剩余劈裂强度最大,说明此浓度的融雪盐 溶液对混合料的劈裂强度影响最小;若融雪盐浓度 增加至6 %,胶粉改性沥青混合料劈裂强度下降幅 度增大.由图2(c)可见,胶粉改性沥青混合料剩余 劈裂强度随冻融循环次数的增加而减小.
3.3马歇尔模数
不同试验条件下胶粉改性沥青混合料马歇尔模 数的变化见图3(a)〜(c).
由图3 (a)可见,胶粉改性沥青混合料冻融循环
4.1
3.7 3.3 2.9 2.5
后的鸟欺尔模数均低于未经冻融^1环的马歇尔模数 (5:. 25 k轉.mm-»),表_胶粉改性沥彎混合料的水 稳定性是比较差的.由图3(b)可见,胶粉改性嫌'膏 混合料的粵歇尔模数随着猶書盐浓度的增加先增加 而后减小;在清水溶液条件下发生冻融循环,胶粉改 性沥青混合料马歇尔模数比未冻融的降低3fi. 7%.? 在4 % S纟倉盐溶液中发生摩融循环,胶粉改性沥# 混合料马歇尔模数比未冻融的降低30. _0 %,说明在 该識養獻浓度下,胶粉改性沥曹混合料的水稳定性 变化反而相对要小•由图3(c)可见,胶粉改性_壽 混合料马歇尔模数随着冻融循环次数的增加.墓本呈 下降的趋势,自齄历25次冻融:循环后,胶粉改性沥 青混合料鸟歇尔模数比未冻融的降低7 °名:/ 综合1:述试验结果,可知:
(1)在不同冰冻温度下,胶粉政性浙青混合料冻 融循环后隙率较未冻融循环的明显增加.胶粉改 性沥寶混合料劈裂强度比在一 3〇°C时能保持在 9&K,而3歇尔模数在一30 °C时最低,这说明在经历 冰冻后混#料劈裂强度不3定快速袈减,但其抵抗 水橋會的能力却大大降低.
(2〉4 %融讀盐溶液对胶粉改性沥霄?辑合料的 劈裂强度以及抵抗水损害能力的影响相对较小, 因此为寒冷地区冬#餘冰时适..!:的融麽盐浓度• 盐溶液的存在会使混合料輋隙率增加幅度大大Jt 升,而在清水中冻融循环,混.合料拿隙率增加幅度 相对较小,说明融縛教对混合料确实存在腐蚀作 用,特别嚢使沥青胶结料变硬,从而破坏沥着和集 料之间的黏结性.
〇)随冻融循环次数增加,胶粉改性沥青混合料 的意隙率增大,劈裂强度下降,II歇尔模数_本垒下 降趋势,说明在富低温度的交替变化下,作为温度敏 感性材料的沥青浪合料,沥青和集料界面性能变_, 微裂隙不断扩展,水稳库性能逐渐劣化.
4劣化机理
•IK融雪盐溶液中冻融循环15次后胶粉改性沥 #無合料的微观形貌如图4所示.
由图I..可见,在::4%雜貪纖溶液中冻融循环1.5__ 次后,沥霍与集料界面处存在融雪:盐晶粒(_色晶 状物),而在混合料的空隙中也出现論.雪盐晶粒, 这说明在冻融循环过程中,融霉兹溶液渗人试件 .象隙中,弁在冻融循环璋形成盐类晶粒,这些晶粒 会刺破沥青膜(破坏沥青的黏结性),盐冻循环条件下胶粉改性沥青混合料的水稳定性能,并生长在沥 青和集料的界面处•彥环境温度下降到^定值时, 沥奪混合料空隙中的溶液温度达到结冰点,冰晶 开始生长、膨胀并产生应力,同时沥青材料在低温 下会发生收缩而产_温度应力,在膨胀应力和温 度应力的双重作用下,应力集中的混含料空隙边 缘就产生了新的裂纹.当温度升高时,冰晶消融, 这又会在混合料内产生较大内座力,使其结构受 损.多次冻融循环后,就造成细雜料剥落、流失,混 合料聲隙率增大,水稳定性降低. 
 
(a) Deicing salt grain in asphalt-aggregate interface(b) Deicing salt grain in gap
图4 Oi融雪盐溶液中冻融糖环15次后胶粉改性沥青混合料的微观形貌 Fig. 4 Microstructure of rubber modified asphalt mixture after 15 freeze-thaw cycles in 4 % deicing salt concentration 
5结论
(1)冰冻温度、融雪盐浓度和冻融循环次数都会 对胶粉改性沥青混合料的空隙率、劈裂强度和马歇 尔模数产生较大的影响.
(2)融雪盐晶粒对沥青黏结性的破坏以及冰晶 在混合料内部的膨胀和消融是造成混合料水稳定性 能下降的关键原因.
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