含盐高湿环境沥青混合料材料组成优化选择及效果分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：潘良胜（1980）,男，汉族，江苏南京人，高级职称，本科，江苏现代路桥有限责任公司，研究方向为道路养护和新材料开发。-122-含盐高湿环境沥青混合料材料组成优化选择及效果分析 潘良胜 江苏现代路桥有限责任公司，江苏 南京 210000 摘要：摘要：在含盐高湿环境下，沥青混合料的性能至关重要，因为这种恶劣条件可能对道路的耐久性和安全性产生严重影响。本研究聚焦于不同类型的沥青和集料之间的粘附性，包括由于 SK90#基质沥青、SBS 和 SBR 改性沥青在改善沥青的黏结性方面具有潜力，特别是在潮湿条件下。通过深入地探讨沥青性质、集料性质以及外界环境对沥青与集料粘附性的影响，并提出一些优化选择原则，以及适用于这种特殊环境的沥青混合料组成材料。关键词：关键词：含盐高湿环境；沥青混合料；组成优化；效果分析 中图分类号：中图分类号：TU318 0 引言 近年来我国建筑行业发展迅速，沥青混合料在我国新建、改建、扩建公路项目中的应用规模越来越大，可以说沥青路面是我国道路的主要类型之一。因此，建筑企业必须要重点考量如何提升沥青路面的施工质量，从而科学延长沥青道路的使用寿命。工程实践结果表明，由于地区、气候以及土壤环境不同，去对沥青混合料的性能要求也各不相同。在一些特殊环境下，沥青路面的早期病害发生频率较高，尤其在含盐高湿环境中，空气中的水分和盐分会不断渗入沥青混合料内，在行驶荷载引起的动水压力作用下，对沥青混合料的侵蚀作用会加大，从而导致沥青路面出现早期病害。因此，为了更好地应对含盐高湿环境对沥青路面耐久性的不利影响，施工单位必须要采取措施，提升我国滨海地区沥青路面的使用寿命。在含盐高湿环境中，选择合适的路面材料是确保沥青路面长期耐久性的关键因素之一，但目前还没有明确的指导原则来帮助我们在这种具有挑战性的条件下进行材料选择。在这种情况下，需要考虑一系列因素来制定合理的路面材料选择策略。1 沥青与集料的粘附性试验 1.1 粘附性试验方法的改进 传统的水煮法通常只关注试验结束后的结果，即在高湿环境下沥青与集料的粘附性表现，这种方法无法提供有关粘附性变化的详细信息，也无法量化评估粘附性的稳定性。因此，我们采用了更为综合的方法，将集料和沥青按照标准程序混合，并将其置于高湿含盐环境中进行水煮。然后，在水煮结束后，我们测量集料的质量变化情况，通过计算沥青的剥落率，可以较好地表示沥青在高湿含盐环境下与集料的粘附性能力，从而克服传统水煮试验结果受人为因素影响较大的不足；其次，延长传统水煮法的水煮时间，使沥青从集料表面的剥落情况更明显，从而可以更好的区别不同改性沥青与集料粘附性的差异；再次，通过对比NaCl 溶液和淡水的水煮试验，发现传统的 5 级分级指标存在一定的粗糙性，难以准确区分不同粘附性等级的沥青。因此，我们提出采用更细致的10级分级指标，以更精确地评估沥青的性能，这个改进有助于区分粘附性等级相差不大的沥青，从而更好地预测它们在实际高湿环境中的性能。水煮法沥青与集料粘附性的 10级制分级指标如表 1 所示。表 1 沥青粘附性分级指标 剥落面积（%）粘附等级 集料表面沥青剥落情况描述 5 10 沥青膜完好 510 9 沥青膜完好，边角有极少量剥落 1015 8 沥青膜基本完好，部分表面有少量剥落 1520 7 沥青膜部分剥落，集料裸露面积为15%30%2030 6 3040 5 沥青膜大量剥落，集料裸露面积为30%60%4050 4 5060 3 6070 2 沥青膜大面积剥落，集料裸露面积超过 60%70 1 沥青膜大面积剥落，集料裸露面积达到 70%以上 1.2 沥青与集料的粘附性试验结果 中国科技期刊数据库 工业 A-123-本研究采用不同种类的沥青和集料，利用改进后的水煮法进行沥青与集料的粘附性试验。为了模拟含盐高湿环境对沥青与集料粘附性的影响，分别在淡水和 5%的 NaCl 溶液中进行 3min、6min、15min 的延时称重水煮法试验。结果表明：1）在水煮 6 分钟和 15 分钟后，SBS 改性沥青与 SBR 改性沥青之间的粘附性差异逐渐显现，SBS改性沥青表现最佳，SBR改性沥青次之，SK90#基质沥青则表现最差。这表明，水煮时间的延长有助于更准确地评估改性沥青的性能。此外，延长水煮时间还揭示了不同集料与同种沥青之间的粘附性变化。石灰岩表现出最强的粘附性，其次是玄武岩，而花岗岩的粘附性最弱。这意味着在实际工程中，选择合适的集料和改性沥青组合对于确保道路耐久性至关重要；2）在不同改性沥青中，SBS 改性沥青表现出最佳的粘附性，其次是 SBR 改性沥青，而 SK90#基质沥青则表现最差。这可能是因为 SBS 改性沥青具有更好的抗水分和抗盐分侵蚀性能。此外，不同类型的集料在含盐高湿环境中也表现出不同程度的粘附性降低。研究结果显示，花岗岩是最受影响的，其粘附性下降最为严重，其次是玄武岩，而石灰岩受影响较小。因此，在含盐高湿环境中，不建议使用花岗岩集料用于沥青路面的建设，而可以考虑使用玄武岩或石灰岩作为更可靠的选择；3）在 5%的 NaCl 溶液中，随着水煮时间的延长，SBS 改性沥青和 SBR 改性沥青与石灰岩、玄武岩、花岗岩等不同种类的集料的粘附性逐渐减弱。其中，SBS 改性沥青在与同种集料的粘附性方面表现出更好的性能，这可能是因为 SBS 改性沥青与相同类型的集料更加相容。2 含盐高湿环境沥青混合料材料优化选择 沥青与集料的粘附性会直接影响着道路的质量和耐久性，不同种类的集料具有不同的矿物成分，而沥青也有不同的性质，如 SBS 改性沥青、SBR 改性沥青以及 SK90#基质沥青，这些差异导致了不同的粘附性表现。研究结果显示，石灰岩、玄武岩和花岗岩在与 SBS 改性沥青的粘附性方面表现出色，优于 SBR 改性沥青和SK90#基质沥青。另外，不同类型的沥青之间也存在显著的粘附性差异。SBS 改性沥青、SBR 改性沥青和 SK90#基质沥青与石灰岩的粘附性较好，这可能是因为它们在化学性质上更适合与石灰岩相互粘附。然而，花岗岩与 SK90#基质沥青之间的粘附性最差，这可能是由于它们的化学特性不太相容。根据本文的研究成果，要想提高沥青混合料的水稳定性，应从沥青和集料等原材料的选择方面入手。原状沥青的 135黏度同其与集料的粘附性相关性较好，即原状沥青的 135黏度越大，沥青与集料的粘附性越好。在基质沥青中加入改性剂，由于改性剂微粒的溶胀、分散作用可以提高基质沥青的黏度。集料的碱值、表面电位越高，集料表面的微裂缝、微孔隙越多，集料表面含泥量越低，其与沥青的粘附性越好。尤其是集料的含泥量与沥青的粘附性密切相关，在集料生产环节，施工单位应当对集料的含泥量进行控制，提升集料的清洁度。重点检查沥青混合料的水稳定性，建议选用 135黏度较高的原状沥青和表面清洁、微裂缝和微孔隙发育的碱性集料。结合相关研究表明，要想提高沥青混合料的水稳定性，需要综合考虑多个因素。首先，选择具有较高135黏度的原状沥青是关键之一，高黏度的沥青有助于提升其与集料的粘附性，这对于混合料的水稳定性至关重要。通过确保原状沥青的质量，可以在一定程度上提高混合料的性能。其次，添加适量的改性剂能够增加基质沥青的黏度，从而增强混合料的水稳定性。通过选择适当的改性剂类型和比例，可以根据具体需求来调整混合料的性能。同时，选择具有高碱值和表面电位的集料有助于提高混合料的水稳定性，集料表面的微裂缝和微孔隙越多，含泥量越低，粘附性也越好。另外，控制集料的含泥量以提升集料的清洁度也是关键之一，含泥量较高的集料可能会影响混合料的水稳定性，因此需要确保集料的质量符合要求。在江苏境内，高速公路面层的选材和规范要求显得尤为重要，尤其是在含盐高湿地区，这种地区的特殊环境条件要求公路表面层具备卓越的抗滑性、耐磨性和水稳定性。为了满足这些要求，首先需要考虑了集料的硬度，石灰岩集料因其相对较高的硬度而具备较好的耐磨性，这使其成为了一个合适的选择。然而，在抗滑性方面，玄武岩表现更为出色，根据不同的需求，从而提出了一个建议：对于粒径 2.36mm 以上的集料，推荐采用玄武岩，以确保公路表面具备卓越的抗滑性。而对于粒径 2.36mm 及以下的细集料，我们建议选用石灰岩，以增强路面的耐磨性。从上述的研究结果可知，在含盐高湿地区，沥青混合料的水稳定性是至关重要的性能指标，对于集料中国科技期刊数据库 工业 A-124-的选择，建议尽量使用粒径在 2.36mm 以上的玄武岩。另外，对于细集料的选择，建议使用石灰岩，石灰岩在高湿度地区具有良好的抗水分侵蚀性能，并且能够与玄武岩等较大粒径的集料协同工作，形成更加坚固的混合料结构。3 沥青混合料材料优化选择效果的验证 为了进一步验证研究成果的可靠性，本研究从沥青与集料的黏结性和沥青混合料的水稳定性两个方面展开研究。3.1 沥青与集料的黏结性 Vialet 试验方法是一种用于评估不同沥青与集料之间粘结性的重要工具，这项试验通常在巴黎路桥中心实验室进行，使用试验架和钢球等设备，试验的核心目标是确定沥青与碎石集料之间的粘附性，这对于道路建设和维护至关重要。试验的具体过程包括将不同类型的沥青与碎石集料混合，并在试验架上施加一定的力量，模拟交通载荷。随后，通过测量集料的残留率和分析试验结果，可以得出关于不同沥青与集料粘结性的结论。这些结论对于材料优化至关重要。通过了解不同沥青类型与集料的粘结性表现，道路建设者和工程师可以选择最适合特定项目需求的材料，以确保道路的耐久性和性能。本节的主要研究方向聚焦于三种不同类型的沥青，并旨在深入探究它们与不同种类骨料之间的粘附性，以便更好地优化材料性能。通过在实验室中进行一系列粘结性试验，得到了关于不同沥青与集料之间相互作用的重要数据，这些数据在下表 2 中得以清晰呈现。表 2 不同沥青与集料黏结性试验结果 沥青种类 集料种类 集料残留率（%）SK90#石灰岩 66.0 玄武岩 59.2 花岗岩 52.4 SBR 石灰岩 81.6 玄武岩 76.9 花岗岩 72.8 SBS 石灰岩 89.8 玄武岩 85.7 花岗岩 83.7 通过分析上表结果可以知道，含盐高湿环境下不同沥青和集料之间的黏结性各不相同。当 5%NaCl 溶液侵蚀后，SBS 改性沥青和石灰石的集料残留率高达89.8%，居于首位，SBS 改性沥青和玄武岩集料的集料残留率为 85.7%，处于第二，最低的是 SK90#基质沥青和玄武岩集料的集料残留率，其值为 52.4%。试验结果与含盐高湿环境下沥青和集料沸腾试验结果相同。3.2 沥青混合料的水稳定性 为了评估经过材料优化选择后的沥青混合料在水稳定性方面的性能，特别是在含盐高湿环境下，通过选择了两种不同的沥青混合料，一种是经过优化选择的，另一种是未经处理的。在优化选择的混合料中，确定了最佳的级配和沥青用量条件。然后，使用这两种混合料制备了马歇尔试件，分别进行了 50 次和 75次的双面击实，以确保试件的一致性。接下来，研究者将这些试件置于 5%的 NaCl 溶液中进行干湿循环 21天，模拟了含盐高湿环境下的实际条件，如海岸地区或盐碱地带。在干湿循环之后，对试件进行了浸水马歇尔和冻融劈裂试验，以评估其水稳性和劈裂强度。图 1 和图 2 展示了经过含盐高湿环境侵蚀后的两种不同材料沥青混合料的稳定度和劈裂强度。通过比较这些结果与材料优化前的试验数据，研究者能够直观地看出材料优化选择对水稳性的改善效果。图 1 浸水马歇尔试验结果 图 2 冻融劈裂试验结果 020406080100优化前优化后024681012141618稳定度/kN混合料类型 稳定度（30min）稳定度（48h）残留稳定度残留稳定度/%0102030405060708090100优化前优化后0.00.20.40.60.81.01.2劈裂强度比/%劈裂强度/MPa混合料类型 冻融前 冻融后 劈裂强度比 中国科技期刊数据库 工业 A-125-从图1可以看出，经过材料优化和性能改善研究，沥青混合料在各种条件下表现出卓越的性能。首先，选择了中性玄武岩作为粗集料，这有助于提高混合料的抗滑耐磨性能，确保道路安全。同时，石灰岩作为细集料的使用显著改善了混合料在 60水浴条件下浸泡 48 小时后的稳定度，增加了 19.3%。这意味着在高温湿润环境下，混合料的性能更为稳定。由图 2 可知，材料优化后，石灰岩的加入还提高了混合料的残留稳定度，增加了 8.8%。冻融前劈裂强度也得到了 7.0%的提高，冻融后劈裂强度则显著增加了 14.0%，冻融劈裂残留强度比增加了 5.3%。这些结果表明，在含盐高湿环境下，采用石灰岩作为细集料可以显著提高混合料的水稳定性，减少了在极端气候条件下的损耗。4 结语 本文研究含盐高湿环境沥青路面材料优化选择与效果，得出以下结论：盐分的存在降低了沥青与集料的粘附性，在评价不同沥青与同种集料粘附性的好坏时，关键的考虑因素包括 135的黏度指标和沥青剥落率，这两个指标在确定沥青与集料之间的粘附性能时起到了至关重要的作用，黏度指标是一种度量沥青流动性和粘附性的重要参数，而沥青剥落率则反映了沥青与集料之间的结合强度。通过低温粘结试验、浸水马歇尔试验以及冻融劈裂试验可以证明优化后的混合料在含盐高湿环境下的水稳定性较为突出。参考文献 1 张 争 奇,王 志 祥,李 志 宏,郭 寒 萍.含 盐 高 湿 环 境 下 沥 青 混 合 料 耐 久 性 J.北 京 工 业 大 学 学报,2015,41(9):1365-1374.2王义忠.含盐高湿环境对沥青混合料的侵蚀机理研究J.公路工程,2015,40(5):250-254.3高明明,李新贺.滨海高湿环境沥青混合料材料选择J.华东公路,2016(4):80-83.4孟滔.含盐高湿环境对沥青混合料的侵蚀J.交通世界,2020(23):13-14,19.5张争奇,王志祥,李志宏,郭寒萍.含盐高湿环境下沥青路面耐久性检测方法及标准J.武汉大学学报:工学版,2015,48(5):666-672,679.