盐及环境耦合作用下沥青和混...性能劣化规律及机理研究进展_冯云霞.pdf
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1、2023,Vol.37,No.13wwwmater-repcom22050114-1基金项目:重庆市研究生科研创新项目(CYB20182);河南省交通运输厅科技项目(2017Z5)This work was financially supported by the Chongqing Postgraduate esearch Innovation Project(CYB20182)and Henan Provincial Department of Transporta-tion Science and Technology Project(2017Z5)m8353126comDOI:10.1
2、1896/cldb.22050114盐及环境耦合作用下沥青和混合料性能劣化规律及机理研究进展冯云霞1,罗钰鸿1,牛开民1,2,郭鹏3,41重庆交通大学土木工程学院,重庆 4000742交通运输部公路科学研究院,北京 1000883交通土建工程材料国家地方联合工程实验室,重庆 4000744重庆交通大学材料科学与工程学院,重庆 400074我国冬季普遍采用撒布盐化物的方式清除路面积雪结冰,盐侵蚀使沥青路面在复杂环境条件下面临更严峻的考验。本文梳理并阐明了盐对沥青基本性能指标、流变性及微观形貌的影响,分析了混合料路用性能、内部结构等变化规律,总结了盐侵蚀导致沥青混合料性能劣化的作用机制。盐侵蚀沥青
3、以物理侵蚀为主,沥青中轻组分向重组分转变,亚砜基指数增加,沥青变硬,表现出更好的高温性能和抗老化性能,但是其低温性能和疲劳性能降低。盐侵蚀加上外部环境的综合作用使沥青混合料路用性能及疲劳性能劣化明显,但是可以通过掺入纤维、消石灰等材料提高其性能。盐溶液的结晶压和膨胀压使沥青混合料在冻融过程中裂缝增多,空隙变大,单个空隙直径及平均直径增加;此外,盐溶液较小的表面张力和较大的渗透系数使其更容易进入沥青-集料界面,破坏沥青-集料间的粘附性,导致混合料性能衰减。基于当前对盐侵蚀及环境耦合作用下沥青混合料的研究成果,将 CT 技术和数值模拟结合建立 Cl、SO42等的扩散模型,并结合分子动力学理论,建立
4、盐溶液中沥青-集料界面模型,可从分子尺度进一步探究混合料性能劣化机理。关键词道路工程沥青混合料盐侵蚀冻融循环性能评价中图分类号:U414文献标识码:Aesearch Progress on the Deterioration Law and Mechanism of Asphalt andMixture Properties Under the Coupling Influence of Salt and EnvironmentFENG Yunxia1,LUO Yuhong1,NIU Kaimin1,2,GUO Peng3,41School of Civil Engineering,Chong
5、qing Jiaotong University,Chongqing 400074,China2esearch Institute of Highway Ministry of Transport,Beijing 100088,China3National Local Joint Engineering Laboratory of Transportation and Civil Engineering Materials,Chongqing 400074,China4School of Materials Science and Engineering,Chongqing Jiaotong
6、University,Chongqing 400074,ChinaSalt sprinkling is an efficient approach for melting snow accumulated on roads However,salt erosion and complex environmental conditionshave adverse effects on asphalt pavements This review clarifies the influence of salt on the conventional performance indicators,rh
7、eology,and microscopic morphology of asphalt Further,this review analyzes the variation laws of road performance and the internal structure of mixturesand investigates the mechanism of deterioration in mixture performance The results reveal that the process of salt erosion of asphalt is mainly aphys
8、ical reaction:in particular,the light components of asphalt become heavier,sulfoxide index increases,and asphalt hardens,leading to betterhigh-temperature and anti-aging performance and deteriorated low-temperature and fatigue performance The combined effect of salt and externalenvironment deteriora
9、tes the engineering performance of the asphalt mixture However,adding fibers,slaked lime,and other materials to the as-phalt mixture can improve this performance Notably,crystallization and expansion pressures lead to an increase in the scale and average diame-ter of voids in asphalt mixtures Additi
10、onally,lower surface tensions and higher permeability coefficients enable the salt solution to better permeatethe asphalt-aggregate interface compared to water,destroying the asphalt-aggregate adhesion properties and resulting in performance degrada-tions Given the current research results,it is nec
11、essary to combine the computed tomography technology with numerical simulations to evaluatethe diffusion models of Cl,SO42,etc Overall,an asphalt-aggregate interface model in salt solutions must be established based on the mole-cular dynamics theory,and the mechanism of deterioration in mixture perf
12、ormance must be analyzed from a molecular perspectiveKey wordsroad engineering,asphalt mixture,salt erosion,freeze-thaw cycles,performance evaluation0引言沥青路面作为我国路面的主要形式,受荷载和外部环境的直接作用,容易出现不同类型的损坏。我国大部分地区冬季出现积雪结冰现象,导致路面抗滑系数下降,极易引发交通事故,对人们的生命财产安全造成严重威胁。道路管养部门为了保证道路顺畅,确保人民安全及便捷出行,普遍采用撒布化学融雪除冰剂等方式清除路面积雪结冰
13、1。化学融雪除冰剂因其作用效果明显、价格低、易于储存等优点得到广泛应用。但研究表明,盐溶液污染周围的环境和水源,腐蚀道路附属结构物,此外,盐溶液造成沥青路面结构内部损伤,导致路面抗滑性能降低2。盐溶液对沥青路面的损伤高于仅有水存在的条件,加剧沥青路面性能劣化3-4。盐分进入沥青混合料内部,在温湿度、紫外光、荷载等耦合作用下,沥青路面的损坏更加严重5-6。Amini 等7 研究发现盐分和水的双重作用使马歇尔试件的强度和质量降低,进一步加剧了沥青混合料的性能劣化。Feng 等8 对冻融循环作用下三种类型沥青混合料的低温性22050114-2能进行研究,结果表明,当盐溶液的浓度大于 3%时,盐侵蚀作
14、用加速沥青混合料的损坏。Hassan 等9 通过间接拉伸强度实验研究冻融循环作用下盐溶液侵蚀和水侵蚀对沥青混合料的影响,发现盐溶液侵蚀后的沥青材料(集料和胶结料)的损伤更严重。Peng 等10 研究发现,氯化钠使沥青胶浆变硬,并降低沥青低温抗裂性能和疲劳性能。盐侵蚀对沥青和混合料性能的影响以及外部环境耦合作用下沥青混合料的性能损伤劣化规律和机理亟待了解。本文在系统调查了国内外盐侵蚀沥青及沥青混合料性能研究现状的基础上,详细讨论了盐分对沥青及沥青混合料性能的影响,总结分析了盐侵蚀后沥青和混合料性能劣化规律、机理及改善措施,同时指出存在的问题和进一步的研究方向。1沥青性能的影响沥青作为沥青混合料极
15、为重要的粘结材料,其性能直接影响沥青混凝土路面的耐久性,因此,探究沥青结合料的性能是研究沥青混合料性能的关键7。盐侵蚀沥青的形式主要可以分为以下两种:(1)盐溶液的外部侵蚀。将加热至流动状态的沥青(沥青胶浆)制成薄片,浸入不同浓度的盐溶液中进行浸泡11-12。(2)盐-沥青胶浆的内部侵蚀。将盐化物及含盐的融雪除冰剂替代矿粉加入到沥青中,按照一定的粉胶比制成沥青胶浆。表 1 列举了不同研究者开展的盐溶液侵蚀沥青性能的影响因素、盐溶液浓度及耦合作用下的参数设置。表 1沥青(沥青胶浆)干湿/冻融循环参数Table 1Dry-wet/freeze-thaw cycle parameters of as
16、phalt(asphalt mastic)研究者盐溶液浓度干湿/冻融循环步骤冻融循环次数崔亚楠等13 0、2%、4%、6%浓度的融雪剂将流动态的沥青倒入融雪剂溶液中水煮 3 min,然后20 的低温箱内冰冻 2 h,最后在 20 后再持续融化 2 h3、8、15、25乔宁14 0%、25%、5%、10%的 Na2SO4溶液0%、5%、10%、20%的 NaCl 溶液18 低温箱中持续冰冻 2 h;5 条件下继续融化 2 h7、14、21、28张勤玲15 5%的 NaCl 溶液和 5%的 Na2SO4溶液干湿循环:20 的盐溶液中保温 2 h,60 的烘箱中干燥 30 min,20 的盐溶液中浸
17、泡 30 min;冻融循环:10 的环境中冷冻30 min,15 的空气中干燥 30 min0+0、8+8、15+8、25+8郭学东等16 02 g/mL 浓度的融雪剂溶液15 的环境中浸泡试样 14 h;15 环境中冰冻 10 h10、20、3011基本性能影响韩吉伟等11,17 通过对盐溶液侵蚀后沥青针入度、延度、软化点的测试,发现盐侵蚀使沥青针入度和延度降低,软化点升高,沥青的感温性能增大。由于受盐溶液种类、浓度和沥青类型的影响,沥青基本性能指标的变化出现一定的差异,其中,沥青类型对沥青抗盐侵蚀性能的影响较为显著18-20。研究者们认为可以采用改性沥青16,21、高模量沥青22 来提高沥
18、青的抗侵蚀性能。此外,孟勇军等21、徐锐光19 研究发现三种钠盐对沥青的针入度和软化点的影响从大到小依次为硫酸盐、醋酸盐、氯盐,对延度的影响从大到小依次为醋酸盐、硫酸盐、氯盐。此外,与氯盐相比,有机盐对沥青针入度、延度、软化点的影响较小23。一些研究者们还开展了关于盐侵蚀对老化沥青三大指标的影响,韦耿平24 对比了盐溶液侵蚀下基质沥青和 TLA改性沥青长期老化与短期老化基本性能指标变化(见图 1),研究结果表明老化后沥青针入度降低,软化点升高;盐溶液侵蚀对沥青短期老化三大指标的影响大于长期老化。魏建国等25 对比了氯化钠和氯化钙侵蚀基质沥青和 SBS 改性沥青前后的三大指标,发现两种氯盐都可以
19、提高基质沥青和 SBS改性沥青的抗老化性能,且氯化钠的作用效果优于氯化钙。图 1沥青老化前后基本性能指标24 Fig1Properties of asphalt binder before and after aging24 张勤玲15 则对比了不同干湿-冻融循环 SBS 改性沥青胶浆和基质沥青胶浆的三大指标,发现 SBS 抗盐干湿-冻融循环的影响更小,硫酸盐的侵蚀作用强于氯盐。Starck 等26 研究发现盐侵蚀使沥青胶浆软化点温度升高和粘度增加。乔宁等14,27 分别制备了醋酸盐、硫酸盐、氯盐沥青胶浆,发现醋酸盐使沥青软化,氯盐和硫酸盐使沥青硬化。通过对上述学者的研究结论进行分析发现,盐侵
20、蚀导致沥青老化,使得针入度、延度降低,软化点升高,但是不同类型盐溶液侵蚀的性能劣化程度存在差异,对沥青各评价指标影响因素的显著性也存在一定的差异,主要表现为无机盐的侵材料导报,2023,37(13):2205011422050114-3蚀效果比有机盐更加明显,硫酸盐的侵蚀效果比氯盐更显著。12流变性能影响沥青作为一种粘弹性材料,仅采用三大指标表征沥青的性质无法模拟沥青材料在道路工程中的环境状态(荷载、温度、频率等),且三大指标与沥青混合料性能的关联性欠佳,采用流变性能模拟和探索不同环境条件下沥青的作用规律显得尤为重要28。通过 DS 和 BB 试验开展沥青流变性能研究来分析沥青及沥青胶浆的高低
21、温性能、疲劳性能。图 2为基于 DS 试验的沥青在盐溶液中的疲劳因子,图 3 为基于 BB 试验的沥青低温性能随盐溶液浓度变化的研究结果。图 2沥青在盐溶液中的疲劳因子19 Fig2Fatigue factor of asphalt binder in salt solutions19 图 3沥青低温性能随着盐溶液浓度变化研究结果27 Fig3esult of low-temperature performance with the salt concentrationchanging27 文献研究表明13,15,29,盐侵蚀沥青后,沥青的复数模量增大,相位角出现不同程度的减小,车辙因子增大;
22、重复蠕变得到的沥青平均蠕变回复率提升,沥青的抗车辙性能提高,其中盐侵蚀对沥青抗车辙性能的影响从大到小依次为硫酸盐、醋酸盐、氯盐19;基质沥青受盐侵蚀和冻融循环的影响较大,而 SBS 改性沥青和胶粉改性沥青受盐侵蚀和冻融循环的影响较小30-31。Yu 等32 分析了盐溶液浸泡对沥青 TFOT和 PAV 老化后流变性能的影响,研究结果表明老化后沥青的高温性能提高,低温性能和疲劳性能降低;老化沥青的疲劳温度随盐溶液浓度增大先升高后降低。崔亚楠等33 对比分析了基质沥青和 SBS 改性沥青的低温等级温度(TLC),发现高浓度的盐溶液对沥青的低温性能影响更大。Xiong 等34 通过 BB 试验分析硫酸
23、盐-沥青胶浆的低温性能,发现加入硫酸盐后沥青的劲度模量增大,蠕变速率降低,低温性能变差。Peng 等35 对含有氯化钠除冰剂的沥青胶浆进行 DS、BB 试验,发现含氯化钠除冰剂的沥青胶浆高温性能提高,低温敏感性更高,低温性能降低。通过流变学的研究发现盐侵蚀对老化前后的沥青均表现为高温性能提高、低温性能降低、疲劳性能降低。这与沥青三大指标的研究结果一致,由此可知,盐侵蚀造成沥青自身化学组成及性质发生改变,在一定程度上影响沥青混合料的性能。13微观分析随着现代测试技术的不断发展,扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、傅里叶红外光谱仪(FTI)、凝胶色谱分析仪(GPC)被研究者广泛应用于沥青微
24、观表征和结构分析。GPC 和四组分分析技术可以将复杂沥青分子中不同分子量的物质进行分离,用于分析盐侵蚀后沥青相对分子质量及各组分含量的变化。张勤玲等36 通过 GPC 分析干湿-冻融循环作用下沥青的相对分子质量,发现沥青中数均相对分子质量、重均相对分子质量、分散度及大分子区(LMS)含量均逐渐增大。张苛、黄新颜、Meng 等37-39 通过四组分试验分析沥青中组分含量变化,发现盐侵蚀后沥青中饱和分、芳香分略微减少,沥青质比例有所增加,含量逐渐增大,沥青变硬;基质沥青各组分含量的变化大于改性沥青。通过 SEM 和 AFM 分析沥青的表面形貌,经盐蚀后,沥青表面光泽消失、颜色变暗,并出现许多褶皱与
25、浅凹坑,沥青胶结料表面粗糙度和“蜂形”面积率减小;基质沥青在盐溶液冻融循环下“蜂形”结构变大变长,但是数量减少;SBS 改性沥青在盐溶液冻融循环下“蜂形”结构较为分散且形状变小,数量有所增加40;胶粉改性沥青在盐溶液冻融循环前后均没有出现明显的“蜂形”结构41。通过 FTI 微观方法对比盐侵蚀前后沥青中分子官能团的变化,探究盐侵蚀过程与沥青间的反应,并通过亚砜基指数探究沥青老化性能,研究结果表明:盐溶液侵蚀主要以物理侵蚀为主,盐侵蚀使沥青中亚砜基指数增加42-43。此外,盐溶液中的阳离子(如 Na+、K+等)可能与沥青发生化学反应44,徐锐光19 通过 FTI 分析钠盐溶液侵蚀沥青后的变化,发
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