冻融腐蚀共同作用下浇注式沥青混凝土劈裂抗拉强度演化规律研究

姜明阳，张　彬

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，阜新　123000)



冻融腐蚀共同作用下浇注式沥青混凝土劈裂抗拉强度演化规律研究

姜明阳，张彬

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，阜新123000)

为分析冻融和腐蚀共同作用下浇注式沥青混凝土劈裂抗拉强度的演化规律，采用两种浓度的NaCl和Na2SO4溶液对浇注式沥青混凝土进行了冻融腐蚀试验并在各个冻融腐蚀循环后进行劈裂试验，在试验数据基础上分析了试验现象的机理，建立了劈裂抗拉强度比的演化方程。研究结果表明：在冻融腐蚀共同作用下，浇注式沥青混凝土劈裂抗拉强度出现了降低现象，且下降幅度与腐蚀溶液浓度正相关， Na2SO4溶液比Nacl溶液造成的劈裂抗拉强度损失更大；冻融腐蚀现象的机理是沥青混凝土冻胀、沥青老化、化学腐蚀以及盐分结晶产生的体积膨胀共同作用的结果，建立的演化方程与试验数据高度吻合，能够反映冻融腐蚀共同作用下浇注式沥青混凝土的强度演化规律。

浇注式沥青混凝土； 冻融腐蚀； 劈裂抗拉强度； 演化规律

1　引　言

浇注式沥青混凝土具有优良的力学性能，近年来在钢桥面铺装中被广泛使用[1-3]。浇注式沥青混凝土在我国北方地区长期的使用过程中，会受到冻融循环的影响，同时在盐渍土地区或者在冬季使用除冰盐的情况下会受到化学盐分的侵蚀，而NaCl和Na2SO4等盐分对建筑材料存在明显的腐蚀作用，会导致其劈裂抗拉强度的降低，因此冻融和腐蚀共同作用下浇注式沥青混凝土的劈裂抗压强度演化规律是浇注式沥青混凝土路面研究领域亟待解决的重要问题。

在沥青混凝土受冻融循环和腐蚀共同作用方面，秦凯等[4]对沥青混凝土在冻融和NaCl溶液腐蚀共同作用下的冻融劈裂抗拉强度演化规律进行了研究；熊锐等[5,6]探索了沥青混凝土在冻融和Na2SO4溶液腐蚀共同作用下性能的变化；康诚等[7]探索了NaCl溶液腐蚀与冻融共同作用对沥青混凝土疲劳性能的影响；冯超[8]研究了三种融雪剂腐蚀和冻融循环共同作用对沥青混凝土性能的影响；马芹永等[9]研究了氯盐腐蚀作用对沥青混凝土冻融劈裂抗拉强度的影响；Shi等[10]研究了除冰剂影响沥青混凝土性能的损伤演化机理；周金枝等[11]采用低温弯曲试验方法研究了氯盐腐蚀后的低温抗裂性能；从培良等[12]探索了除冰盐种类对沥青混凝土性能的影响并提出采用改性SBS沥青能够降低除冰盐的影响；王明等[13]研究了不同掺量的四种融雪剂对沥青混凝土性能的影响。这些研究从现象、规律和机理多个角度对腐蚀和冻融共同作用下沥青混合料的性能变化进行了深入的分析，加深了对该问题的认识和理解，但这些沥青混凝土都是普通沥青混凝土和改性沥青混凝土，对浇注式沥青混凝土在冻融和腐蚀共同作用下的劈裂抗拉强度变化未作研究。

本文采用两种浓度的NaCl溶液和Na2SO4溶液对浇注式沥青混凝土开展冻融和腐蚀共同作用试验，同时选取清水作对比，并在冻融腐蚀后开展劈裂试验，探索冻融腐蚀共同作用下浇注式沥青混凝土的劈裂抗拉强度演化规律，为浇注式沥青混凝土路面的应用提供指导。

2　试　验

2.1试验材料

(1)沥青：沥青为TLA湖沥青与SBS改性沥青掺配而成，其中湖沥青占30%，SBS改性沥青占70%，沥青的三大指标如表1所示。(2)粗集料：石灰岩碎石；(3)细集料：天然砂;(4)填料:石灰岩矿粉。沥青混凝土配合比如表2所示，试件制成标准的马歇尔试件，试件直径为(101.6±0.25) mm，试件高度为(63.5±1.3) mm。(5)腐蚀溶液：配制两种浓度的NaCl溶液和Na2SO4溶液，浓度分别为13%和饱和溶液，并选取清水作对比。

表1　沥青性能指标

表2　沥青混凝土配合比

2.2试验方法

将制成的马歇尔标准试件进行真空饱水，饱水后对部分试件进行劈裂试验，测试其未经冻融腐蚀时的劈裂抗拉强度，试验采用平行试验的方式进行，每组三个试件，取三个试件劈裂抗拉强度平均值作为平均劈裂抗拉强度。将其余试件至于-15 ℃的冰箱中放置12 h，然后取出后分别放置于两种浓度的NaCl溶液和Na2SO4溶液或清水中融化12 h，此为一个冻融腐蚀循环的完成，并分别在完成每个冻融腐蚀循环后进行劈裂试验，试验共进行8个冻融腐蚀循环。

为更好地分析冻融和腐蚀共同作用对浇注式沥青混凝土性能的影响，引入劈裂抗拉强度比的概念，其计算公式为[11]：

(1)

3　结果与讨论

3.1试验结果

将试验获得的劈裂抗拉强度比的平均值填写到表3中,并绘制劈裂抗拉强度比演化规律曲线图如图1所示。

表3　试验结果

图1　劈裂抗拉强度比演化规律Fig.1　Spitting tensile strength ratio eolution law

3.2试验结果分析

从腐蚀溶液种类上来看，NaCl溶液腐蚀后早期劈裂抗拉强度降低更快，而Na2SO4溶液后期造成的劈裂抗拉强度降低更大，这是由于NaCl溶液的渗透性比Na2SO4溶液强，因而更快渗入到浇注式沥青混凝土内部，因而腐蚀产生的更早；而Na2SO4物理结晶的产物Na2SO4·10H2O结合了更多的结晶水，因而体积膨胀更大，产生了更大的膨胀应力，因而造成了更大的强度损伤。

浇注式沥青混凝土在冻融和腐蚀共同作用下劈裂抗拉强度虽然呈现下降趋势，但其下降幅度较之普通沥青混凝土明显小，文献[9]研究的AC-16型沥青混凝土在13%NaCl溶液浸泡后冻融循环8次劈裂抗拉强度下降了41.03%。而浇注式沥青混凝土在13%NaCl溶液中冻融腐蚀循环8次劈裂抗拉强度仅下降了24.2%；文献[6]研究的SBS改性沥青混凝土在10%Na2SO4溶液中冻融腐蚀循环3次劈裂抗拉强度下降了28.3%，而浇注式沥青混凝土在饱和Na2SO4溶液中冻融腐蚀循环3次后劈裂抗拉强度仅下降了8.9%。产生如此之大的差异固然有试验方法和试验条件上的差异，但根本的原因是浇注式沥青混凝土的抗冻性和抗腐蚀能力明显高于普通沥青混凝土，分析其机理主要是由于其内部空隙率较小，真空饱水后其含水率依然不大，这增加了其抵抗冻融循环的能力，同时由于孔隙小，盐溶液很难深入到材料内部，因此冻融腐蚀共同作用下浇注式沥青混凝土劈裂强度下降幅度较低。

3.3劈裂抗拉强度比演化方程的建立

针对试验数据进行一元非线性回归，拟合浇注式沥青混凝土冻融腐蚀共同作用下的劈裂抗拉强度比演化方程。

(2)

式中：n为冻融腐蚀循环的次数，p1、p2、p3和p4为与材料有关的参数。

现在进行参数拟合，将拟合获得参数汇总到表4中。

表4　拟合参数

将回归分析获得的方程曲线与试验数据进行对比分析，如图2所示。

图2　试验曲线与计算曲线对比Fig.2　Comparision of test curves and caculated curves(a)water(b)NaCl solution(c)NaCl solution

4　结　论

(1)浇注式沥青混凝土受到冻融和腐蚀共同作用时，劈裂抗拉强度降低且下降速率不断增加，下降速率与腐蚀溶液浓度呈现正相关的趋势，产生这样现象的机理是沥青混凝土冻胀、沥青老化、化学腐蚀以及盐分结晶产生的体积膨胀共同作用的结果；与其他类型沥青混凝土相比，劈裂抗拉强度下降幅度更低，这是由于浇注式沥青混凝土内部空隙率低，渗透性小，因而其抗冻融和腐蚀的能力更强；

(2)前三个冻融腐蚀循环时NaCl溶液腐蚀后劈裂抗拉强度降低更快，此后Na2SO4溶液造成的劈裂抗拉强度降低更大，这是由于NaCl溶液的渗透性比Na2SO4溶液强，因而更快渗入到浇注式沥青混凝土内部，腐蚀产生的更早；而Na2SO4物理结晶的产物Na2SO4·10H2O结合了更多的结晶水，因而体积膨胀更大，产生了更大的膨胀应力，因而造成了更大的强度损失；

(3)建立了冻融和腐蚀共同作用下浇注式沥青混凝土的劈裂抗拉强度演化方程，该方程计算获得的数据与试验数据高度吻合，验证了该方程的合理性。

[1] Eulitz H J,Damm K W,Amm adim.Erweiterte eignungsprüfungen für brückenbel?ge aus gussasphalt[J].Bitumen,2004,66(4):150-154.

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[3] 张华，钱觉时，吴文军，等.浇注式沥青混凝土疲劳损伤分析[J].建筑材料学报，2011,14(6):771-775.

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[5] 熊锐，陈拴发，关博文，等.冻融腐蚀作用下沥青混合料耐久性影响因素的灰熵分析[J].公路交通科技，2013，30(1): 28-32.

[6] 熊锐，陈拴发，关博文，等.冻融与腐蚀耦合作用下沥青混凝土性能研究[J].武汉理工大学学报，2011,33(2)：72-76.

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Evolution Rules of Gussasphalt Concrete Splitting Tensile Strength under the Action of Freeze Thaw Corrosion

JIANGMing-yang,ZHANGBin

(College of Civil & Transportation Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

In order to analyze the evolution rules of gussasphalt concrete splitting tensile strength under the action of freeze thaw corrosion coupling,doing freeze thaw corrode coupling experiments on gussasphalt concrete by using two kinds of concentration solution of Nacl and Na2SO4,and do splitting experiment after freeze thaw corrode circulation, then analyze mechanism of the experimental phenomena.Based on experimental data,evolution equations about splitting tensile strength ratio are established.The results prove that and the decline was positively related to the corrosion solution concentration, the strength damage in Na2SO4solution is bigger than in Nacl solution; Freeze-thaw erosion mechanism of asphalt concrete is frost heave, asphalt aging, chemical corrosion and salt crystallization volume expansion of the result of joint action.The evolution equations that have been established highly coincides with the experimental data and shows out the evolution rules of gussasphalt concrete splitting tensile strength under the action of freeze thaw corrosion.

gussasphalt concrete;freeze thaw corrosion;splitting tensile strength;evolution rule

国家自然科学基金(51504125)；辽宁省教育厅一般项目(L2014136)

姜明阳(1985-)，女，博士研究生，讲师.主要从事建筑材料等方面研究.

TU521

A

1001-1625(2016)03-0743-05