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乳化沥青路面水损害机理分析


随着公路交通建设的迅速发展与道路性能要求的提高,沥青材料在国内的需求量急速上升。据调查,2010年国内用于道路建设的沥青的消耗量达1600万t。目前,热拌沥青混合料铺筑是国内外最主要的铺筑方法。每生产1t热拌沥青混合料需消耗柴油6.5~7.2kg、电能2.5~3.0kW·h;且在集料加热、沥青融化、沥青混合料热拌及热铺过程中,会释放出一些有害气体,给施工人员的生命健康带来严重的威胁;此外,由于沥青自身的融化温度与老化温度接近、加热温度较难控制,所以常用的热拌合方法通常会加剧沥青的老化速度,降低了沥青路面的使用性能。
近年来,为了适应公路建设的高速发展,响应绿色节能的可持续发展要求,交通部门大力推广使用乳化沥青。如今乳化沥青已在透层油和透层油封层、撒布封层、防尘处理、表层补强、稳定作用、冷再生、改性封层、冷拌坑槽修补、粘结封层、预涂层(预拌)、道路裂缝修补、防护层等方面有了很广泛的应用。使用乳化沥青较之于热拌沥青,其有着节约沥青、降低能耗、改善施工条件、提高劳动效率、延长施工季节、降低工程造价等综合社会效益、经济效益的优势。
由于沥青路面长期暴露的周围环境中,其早期损害现象引起了人们的广泛关注,其中水损害是首要的、危害最大的损害形式之一。CaroSilvia等学者指出沥青混合料路面水损害既降低了集料表面与沥青结合料的粘结力,又降低了沥青自身内聚力(粘性),随着水损害逐渐深入与发展,继而影响沥青混合料路面的整体性能。
乳化沥青路面常见的水损害形式
CaroSilvia等学者在研究沥青水损害机理时,提出沥青损害机理可分为粘结损害(adhesivedamage)和粘性损害(cohesivedamage),其中:1)粘结损害:2)粘性损害:。在研究乳化沥青路面水损害机理是,本文提出将损害机理分为:浸入型水损害和浸出型水损害2大类型;其中,(1)浸入型水损害是指在有孔隙水的工作条件下,由于交通动荷载和温湿胀缩的反复作用,进入路面孔隙的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的循环作用,致使水分逐渐侵入沥青与集料的界面,造成沥青膜从集料表面剥落、沥青混合料内部逐渐丧失粘结力、路面结构使用性能下降,并伴随麻面、松散、掉粒、坑槽、车辙、网裂等病害发生,同时诱发其他路面病害的损坏现象;(2)浸出型水损害:即在雨水及路表径流水的工作条件下,由于乳化沥青中残余的乳化剂溶入径流水后,降低沥青与水表面的表面能,致使部分沥青组分溶入水中,并随径流水流出沥青路面,从而造成沥青组分比例变化,使沥青逐步丧失粘结性,而引起麻面、松散、掉粒等病害的现象。
以下将从不同角度对乳化沥青混合料路面水损害机理进行简单分析、讨论。
乳化沥青混合料水损害机理分析
粘结损害
乳化沥青混合料粘结损害机理与热拌沥青混合料路面类似,其损害机理可从动力学、化学机制、润湿机制等角度分析。
首先从动力学角度来看:当雨水渗入路面裂缝,车轮轧过裂缝前,在轮胎前产生一个高水压区,将水压入路面,离开时由于轮胎变形会在轮胎后面产生一个负压区,会将路面内部的水泵吸出来。在这种情况下,高速高压水在混合料裂缝或大的路面空隙里来回冲刷,破坏沥青混合料结构及结构沥青膜;此外冰冻地区或季节性冰冻地区,由于水结冰时体积膨胀,在沥青混合料内部产生很大的膨胀力,致使混合料粘结力下降,从而使沥青膜从集料表面剥离。
从化学角度来看,由于孔隙水及地表径流水对沥青的长期浸泡使得沥青组分有所改变,降低沥青膜在集料表面的粘附性能,从而造成沥青路面的水损害。赖国华指出:沥青所含各种化学成分的多少会对沥青与石料的粘附性能产生显著影响,并最终影响沥青路面的抗水损害性能。沥青组分中,羧酸类组分和酚类组分的含量决定着沥青对集料的吸附性能,张倩等人在文章中指出:石油沥青组分中的羧酸类组分与酚类组分遇水会溶解和电离,使沥青丧失与集料粘附的部分物质基础。
此外,其他学者研究表明,沥青组分中的其它极性物质也会溶于水或在水中发生电离,改变沥青粘附物质的存在形式,降低沥青与集料的粘附性能。最后从表面自由能角度解释水损害的机理,根据经典的润湿理论,在无水且温度较高的情况下,在沥青-集料-空气三相界面上会产生三种表面张力,其中沥青-集料体系的表面张力小于集料-空气体系的表面张力和沥青-空气体系的表面张力,此时沥青可以在集料表面铺展为薄层;当沥青与集料粘结后遇水时,在沥青-集料-水三相界面上也会产生三种表面张力,沥青-集料体系的界面张力总是大于集料-水体系的界面张力,此时沥青易于剥落。沥青与集料的粘附过程,表面自由能的变化为正值,而沥青膜的剥落过程,表面自由能的变化为负值,整个系统从在不同状态下转化的能量的变化情况分为两种情况,即沥青具有能自发的润湿集料的能力和沥青遇水后从集料表面剥落。
粘性损害
乳化沥青混合料浸出型水损害是乳化沥青的特有的水损害类型。
张倩等在研究降水对沥青组分影响时指出:沥青的羧酸类物质在雨水中会与集料表面的碱金属化合物发生复分解反应,生成具有乳化作用的物质,这类乳化剂会增加沥青在水中的溶解度,促使沥青从矿料表面解吸附,从而使沥青膜被水剥离。乳化沥青中乳化剂远多于非乳化沥青反应生成的,所以乳化沥青由于内部乳化剂造成的浸出型水损害应引起关注。
大多数学者认为沥青路面之所以使用寿命较短,其主要原因之一为沥青在拌合、施工及使用过程中沥青的老化。Vallerga和Finn等人指出沥青的老化主要由于以下6种因素:
①氧化作用;②挥发作用;③聚合作用;④分离和析出作用;⑤触变作用;⑥胶体的脱水收缩作用。
沈金安指出沥青在路面使用过程中的老化主要是由于水、紫外线、氧气的作用而引起的,同时沥青老化过程中其化学成分也随之改变,如:低分子油分含量减少、沥青化学结构发生改变、分子间形成可导致触变效应的结构。
目前,关于沥青的老化机理尚无统一的定论,但各学者的研究成果表明:沥青老化前后,沥青的组分比例发生了明显的变化,主要表现为沥青质增加,芳香分减小,沥青的粘附性能也随之大幅降低。
马济飞等人在研究中指出沥青各类组分的界面张力的高低是决定乳化难易的主要依据,通过研究发现沥青四组分乳化能力由大到小的顺序为:芳香分>胶质>饱和分>沥青质。
综上述沥青在乳化剂剂量不足,乳化条件不佳(如浸于水中的乳化沥青路面)时,沥青四组分中芳香分会优先浸出,胶质次之,沥青质浸出量最小。由于沥青组分浸出量不协调,致使路表沥青四组分比例失调,即沥青质比例增加,芳香分比例减小,从而加速沥青老化,降低了沥青膜的粘附性能,对路面造成不良影响。
结合上述理论乳化沥青浸出型水损害可如下解释:
乳化沥青浸出型水损害主要体现在暴露在周围环境中的沥青路面受到雨水及其它水流的长期浸泡,残留于沥青内部的乳化剂会溶于水中,使得覆盖于沥青表层的水膜成为沥青(油类)的良好溶剂,使得部分沥青组分(芳香分为主)溶于水膜,并随路表水流流失,造成起粘附作用的沥青膜组分比例改变(芳香分比例减小,沥青质比例增加),加速沥青老化,降低其在集料表面的粘附性能,从而使沥青路面发生水损害。
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