酸雨对沥青及沥青混合料的性能影响研究.pdf

摘要 近二十多年来，由于硫的氧化物和氮的氧化物排放量日益增多，酸雨问题越来越严 重。沥青路面长期暴露于自然环境中，经常会受到酸雨的腐蚀，导致路面强度降低，出 现松散、开裂、坑槽等病害。因此，开展酸雨对沥青路面的腐蚀研究有着重要的意义。 本文通过人工配制不同溶度酸雨溶液，进行不同干湿循环周期下对沥青、矿质集料 以及沥青混合料的室内实验，来研究酸雨对沥青及沥青混合料性能的影响。 ( 1 ) 通过沥青三大指标、布氏黏度、d s r 、沥青组分分析等试验对酸雨影响前后的 沥青性能变化进行了对比和分析。试验结果表明，经酸雨溶液影响后，沥青的性能均降 低，沥青组分明显发生改变。其中酸雨溶液对沥青的影响程度为p h = 2 p h = 4 p h 7 。 ( 2 ) 对酸雨浸泡前后的石灰岩、玄武岩和花岗岩粗集料进行了质量变化、表观相对 密度、毛体积相对密度、集料压碎值、洛杉矶磨耗值试验以及沥青及沥青胶浆粗集料 黏附性试验。试验结果表明，在p h = 2 和p h = 4 酸雨浸泡腐蚀下矿质集料的物理力学性 能都发生了明显的下降，其中酸雨溶液对沥青的影响程度为p h = 2 p h = 4 。在p h = 7 的水 溶液浸泡下并未有明显的变化。 ( 3 ) 通过测定马歇尔试件密度、马歇尔稳定度、劈裂强度、剪切强度等试验，研究 了酸雨对沥青混合料物理力学性能的影响。经过p h = 2 和p h = 4 的酸雨溶液腐蚀影响后， 沥青混合料物理力学性能明显下降，其中酸雨溶液对沥青混合料的影响程度为 p h = 2 p h = 4 。经过p h = 7 水溶液影响后，沥青混合料物理力学性能也有一定的下降。建 立了线性模型以及提出酸雨腐蚀下的衰减系数毛的概念来评价酸雨对沥青混合料的影 响，提出对腐蚀周期的新评价指标。 ( 4 ) 通过冻融劈裂、小梁低温弯曲、高温车辙等试验，研究了酸雨对沥青混合料路 用性能的影响。结果表明，经p h = 2 和p h = 4 的酸雨影响后，沥青混合料的路用性能指 标均有所下降。经过p h = 7 水溶液影响后，沥青混合料路用性能也有一定程度的下降。 综上所述，经过酸雨的影响之后，沥青、矿质集料以及沥青混合料的各项性能受到 明显的影响，其危害程度随着酸雨p h 值的降低而增大。因此通过研究酸雨对沥青及沥 青混合料的侵蚀破坏机理，可为沥路面设计提供新的理论依据，适当选择改性沥青种类 以及控制路面设计指标来增强沥青混凝土路面抵抗酸雨影响的能力。 关键词：酸雨；腐蚀；周期循环；沥青；矿质集料；沥青混合料；物理力学性能；路用 性能； a b s t r a c t i nr e c e n tt w od e c a d e ，s i n c et h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fs u l f u ro x i d e sa n dn i t r o g e no x i d e e m i s s i o n s ，t h ea c i dr a i np r o b l e mi sg e t t i n gw o r s e t h ea s p h a l tp a v e m e n tl o n g t e r me x p o s u r et o t h en a t u r a le n v i r o n m e n to f t e nc o r r o s i o nb ya c i dr a i n ，r e s u l t i n gi ns t r e n g t hd e c r e a s e d ，a p p e a r e d t h el o o s e ，c r a c k i n g ，p i t sa n do t h e rd i s e a s e s i tw a ss i g n i f i c a n tt oc a r r yo nt h er e s e a r c ho nt h e a s p h a l tp a v e m e n tc o r r o d e db ya c i dr a i n t h i sp a p e rl e a m e dt h ei n f l u e n c eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n tc o r r o s i o nb ym a nm a d ea c i d r a i ns o l u t i o n ，t h r o u g hl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t st oe x p l o r et h ei m p a c to fa c i dr a i no nt h ea s p h a l t ， m i n e r a la g g r e g a t ea n da s p h a l tm i x t u r eb yd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fa c i dr a i na n dd i f f e r e n t c o r r o s i o ns t a g e s ，t o e x p l o r et h ei m p a c to fp e r f o r m a n c eo fa s p h a l ta n da s p h a l tm i x t u r e c o r r o d e db ya c i dr a i n ( 1 ) t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fa s p h a l tw e r ep e r f o r m e db e f o r ea n da f t e ri n f l u e n c eo f a c i dr a i ns o l u t i o nt h r o u g ht h et e s t so f p e n e t r m i o n ，s o f t e n i n gp o i n t ，l o wt e m p e r a t u r ed u c t i l i t y ， b r o o k f i e l dr o t a t i o nv i s c o s i t y ，d s ra n dt h ec o n s t i t u e n to fa s p h a l ta n a l y s i s t h ee x p e r i m e n t r e s u l ts h o w s ：a f t e rt h ei n f l u e n c eo fa c i dr a i n ，i t st e m p e r a t u r es u s c e p t i b i l i t y ，h i g ht e m p e r a t u r e a n dl o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e sa r ea l ld e c r e a s e d ，a n dt h ec o n s t i t u e n to fa s p h a l th a s c h a n g e d a c c o r d i n gt ot h ed e g r e eo fi n f l u e n c e ，t h er a n k i n gi sp h = 2 p h = 4 p h = 7 ( 2 ) t h el i m e s t o n e ，b a s a l ta n dg r a n i t ew e r ep e r f o r m e db e f o r ea n da f t e ri n f l u e n c eo fa c i d r a i ns o l u t i o nt h r o u g ht h et e s t so fm a s sl o s s ，a p p a r e n tr e l a t i v ed e n s i t y ，b u l kr e l a t i v ed e n s i t y ， c r u s h i n gv a l u e s ，l o sa n g e l e sa b r a s i o nv a l u ea n da d h e s i v e n e s sa b i l i t yo fa s p h a l ta n di t s m u c i l a g ew i t hc o a r s ea g g r e g a t e t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w s ：a l o n gw i t ht h es o a kt i m e e x t e n d i n gt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a la b i l i t yo fm i n e r a la g g r e g a t ei sr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y ， a n dt h er a n k i n go fi n f l u e n c ed e g r e ei sp h = 2 p h = 4 t h e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a la b i l i t yo f c o a r s ea g g r e g a t ei na q u e o u ss o l u t i o nh a v e n tc h a n g e ( 3 ) t h el i m e s t o n e ，b a s a l ta n dg r a n i t ea s p h a l tm i x t u r ew e r ep e r f o r m e db e f o r ea n da f t e r i n f l u e n c eo fa c i dr a i ns o l u t i o nt h r o u g ht h et e s t so fm a s sl o s s ，b u l kr e l a t i v ed e n s i t y ，v o i dr a t i o ， m a r s h a l ls t a b i l i t y ，s p l i ts t r e n g t ha n ds h e a r i n gs t r e n g t ht h ei n f l u e n c eo fa c i dr a i ns o l u t i o nt o i i i a s p h a l tm i x t u r ep a v e m e n tp e r f o r m a n c ew a sr e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w s ：a l o n g w i t ht h es o a kt i m ee x t e n d i n gt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a la b i l i t yo fa s p h a l tm i x t u r ei s r e d u c e ds i g n i f i c a n t l y ，a n dt h er a n k i n go fi n f l u e n c ed e g r e ei sp h = 2 p h - 4 t h ep h y s i c a la n d m e c h a n i c a la b i l i t yo fa s p h a l tm i x t u r ei na q u e o u sr e d u c e dt o o e s t a b l i s h e dal i n e a rm o d e l ，a s w e l la st op r o p o s et h ed e c a yc o e f f i c i e n t 亏c o n c e p tt oe v a l u a t et h ei m p a c to fa c i dr a i no nt h e a s p h a l t ，p r o p o s e dn e w e v a l u a t i o no fc o r r o s i o nc y c l e ( 4 ) t h r o u g ht h et e s t s o ff r e e z e t h a w s p l i t t i n g ，h i g ht e m p e r a t u r er u t t i n ga n dl o w t e m p e r a t u r eb e n d i n g ，t h ei n f l u e n c eo fa c i d r a i n s o l u t i o n t oa s p h a l tm i x t u r ep a v e m e n t p e r f o r m a n c ew a sr e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w s ：a f t e rt h ei n f l u e n c eo fp h = 2a n d p h = 4 a c i dr a i ns o l u t i o n ，a l lp e r f o r m a n c ei n d e x e so fa s p h a l tm i x t u r ea r ed e c r e a s e d i nc o n c l u s i o n ，t h ei n f l u e n c eo fa c i dr a i nt o a s p h a l t ，a g g r e g a t ea n da s p h a l tm i x t u r e p e r f o r m a n c e si so b v i o u s ，t h ee x t e n to fi t sd a m a g ei n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s ei np ho fa c i d r a i n r e s e a r c ho nt h ee r o s i o nd a m a g em e r c h a n i s mo ft h ea c i dr a i no nt h ea s p h a l tp a v e m e n t c a np r o v i d et h en e wt h e o r e t i c a lb a s i sf o ra s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n td e s i g n ，s e l e c t i n gp r o p e r l y c a t e g o r yo fm o d i f i e da s p h a l t ，a n dc o n t r o l l i n gp a v e m e n ti n d e x sc a ni n c r e a s er e s i s t a n ta b i l i t y f o rt h ei n f l u e n c eo fa c i dr a i nt oa s p h a l tp a v e m e n t k e yw o r d s ：a c i dr a i n ；c o r r o s i o n ；c y c l e ；a s p h a l t ；m i n e r a la g g r e g a t e ；a s p h a l tm i x t u r e ； p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论 1 1 问题的提出1 1 2 国内外研究概况3 1 3 主要研究内容8 第二章酸雨对沥青性能影晌 2 1 人工酸雨的配置和周期循环浸泡试验方法1l 2 2 沥青试件制备方法12 2 3 酸雨对沥青常规性能的影响1 2 2 4 酸雨对沥青微观性能的影响1 7 2 5 本章小结2 1 第三章酸雨对矿质集料性能影响 3 1 试验现象与分析2 3 3 2 酸雨对矿质集料力学性质的影响2 6 3 3 酸雨对沥青和沥青胶浆与集料黏附性影响3 6 3 4 本章小结3 9 第四章酸雨对沥青混合料物理力学性质影响 4 1 配合比设计4l 4 2 酸雨对沥青混合料腐蚀现象观察4 7 4 3 酸雨对沥青混合料毛体积密度、空隙率及质量影响5 2 4 4 酸雨对沥青混合料马歇尔稳定度影响6 0 4 5 酸雨对沥青混合料劈裂强度影响6 4 4 6 酸雨对沥青混合料剪切强度影响6 6 4 7 本章小结7 l 第五章酸雨对沥青混合料路用性能影响 5 1 酸雨对沥青混合料水稳定性的影响7 3 5 2 酸雨对沥青混合料低温抗裂性能的影响7 5 5 3 酸雨对沥青混合料高温性能的影响8 0 5 4 本章小结8 4 结论与展望 主要研究结论8 7 进一步研究展望8 8 参考文献9 0 致谢9 4 附录a 攻读硕士期间发表的论文9 5 附录b 攻读硕士期间参与的科研项目9 6 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着我国工业化进程的加快，燃烧煤、石油、天然气数量日益猛增，在燃烧过程中 中排放的酸性气体s 0 2 急剧增加，燃烧产生的高温还能促使助燃的空气发生部分化学变 化排放酸性气体n o x ，这些气态化合物在大气中反应生成硫酸和硝酸，随雨、雪、雾从 大气层降落，形成的p h 值 7 么7n 钐 对比经酸雨影响分析经酸雨影分析酸雨影响前 前后沥青宏观性响前后沥青各后矿料物理力学 能的变化及原因组成成分变化性能变化及原因 图1 4 主要技术结构流程图 9 硕士学位论文 1 0 第二章酸雨对沥青性能影响 第二章酸雨对沥青性能影响 沥青在沥青混合料中的作用是填充矿料之间空隙，把矿料粘结成一个整体，使沥青 混合料具备一定的结构强度。沥青的性能对沥青混合料的整体性能有着很大的影响。目 前国内外有关酸雨对沥青性能产生影响的研究很少，对于沥青试件的制备、性能以及组 成成分的变化等问题都有待研究。因此，本章通过现行的试验规程，利用现有各种试验 仪器和试验方法来测定被酸雨影响前后沥青各项性能以及组成成分产生的变化。 2 1 人工酸雨的配置和周期循环浸泡试验方法 2 1 1 人工酸雨的配置 根据我国酸雨实际情况，北方 幂j 8 0 4 2 “ 与n 0 3 “ 的浓度比为2 6 ：1 ，南方为1 2 ：1 ，呈现明 显的硫酸型酸雨。模拟我国硫酸型降雨的酸性溶液组成比例，选择摩尔比c ( 8 0 4 2 - ) ： c ( n 0 3 。) = 9 ：1 的比例来配制人工酸雨，并选择溶液浓度9 h = 2 、p h = 4 和p h = 7 来作为本文 试验模拟的酸雨溶液。 实际配制溶液时计算如下： p h = 2 ：p h = 2 ：p h = - l g c ( h + ) ；c ( h + ) = 1 0 屯m o l l 设1 l 酸雨溶液含有x m o l 的h 2 s 0 4 平l j y m o l 的h n 0 3 ，则有： 1 2 x + y = 0 0 1 【x ：y = 9 ：1 x = 0 0 0 4 7 3 m o l l ，尸o 0 0 0 5 2 6 m o l l m ( h 2 s 0 4 ) 2 0 4 6 4 9 l ，m ( h n 0 3 ) = 0 0 3 3 9 l 同理可计算p h = 4 时1l 酸雨溶液中所含h 2 s 0 4 和h n 0 3 的质量： m ( h 2 s 0 4 ) = 4 6 4 x 1 0 一g l ，m ( h n 0 3 ) = 0 3 3 x 1 0 。g l 根据计算结果，使用图容量为3 0 l 的白色塑料容器进行酸雨溶液的配置，根据塑料 容器的容量以及实际配比要求，每个容器配置1 5 l 酸雨溶液，即p h = 2 酸雨溶液中需要 h 2 s 0 4 共6 9 6 9 ，h n 0 3 共0 4 9 5 9 ；p h = 4 酸雨溶液中需要h 2 s 0 4 共0 0 0 6 9 6 9 ，h n 0 3 共 0 0 0 0 4 9 5 9 。在试验过程中每天用精密p h 试纸测定模拟溶液的酸度，发现酸度下降时仍 将h 2 s o4 和h n o3 按摩尔比9 ：l 加入，将溶液调至初始p h 值。 硕士学位论文 2 1 2 周期循环浸泡试验方法 本文采用干湿循环周期浸泡加速腐蚀方法来对沥青路函实际使用情况进行模拟。将 试验所需试件浸泡于模拟酸雨溶液中，经过7 天浸泡后取出让其自然干燥1 天后再浸泡， 即浸泡一干燥浸泡周期反复进行，共进行五个周期。在试验过程中每天用精密p h 试纸 测定模拟溶液的酸度，发现酸度下降时加入硫酸和硝酸混合溶液将p h 值调至试验初始 值，严格控制酸雨溶液的酸度。 2 2 沥青试件制备方法 本文采用高富a 级5 0 号沥青，通过公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t g e 2 0 2 0 11 ) 中的试验方法对沥青各项原始技术性质进行测定。结果见表2 1 ，试验结果表 明，该沥青各项性能满足规范的要求。 表2 1 基质沥青的主要技术性质 技术指标单位试验结果技术要求 针入度( 2 5 ) 0 1 m m5 0 74 0 - 6 0 软化点 5 4 8 4 9 1 0 “ c 延度 c m 1 6 81 5 1 5 延度 c m 1 0 0 8 0 密度 g c m 3 1 0 1 6 将装有沥青的盛样器带盖放入恒温烘箱中，加热沥青至熔融状态( 基质沥青加热温 度为1 5 5 1 6 5 ) ，待沥青熔化并搅拌均匀后缓缓倒入底部涂有甘油滑石粉隔离剂( 甘 油与滑石粉的质量比为2 ：1 ) 的浅盘当中制作成沥青薄膜，待浅盘底面上的沥青充分均 匀，放置冷却后将沥青薄膜取下，表面洗净，分成小片放入不同浓度的酸雨溶液中浸泡 不同的周期，然后根据不同实验的要求取出制备。这样做的目的是让憎水性材料沥青能 全方面的受到酸雨溶液的作用，避免因受酸雨溶液腐蚀不均匀产生试验误差。 2 3 酸雨对沥青常规性能的影响 虽然沥青混合料中沥青的质量比例极小，但是沥青的性质对于沥青混合料具有着重 大的影响，沥青的延度、针入度、软化点被称为三大指标，与路面的使用性能有着密切 的联系。s h r p 沥青试验方法以流变学为基础，使用d s r 动态剪切流变仪、b b r 弯曲 梁流变仪和b r o o k f i e l d 旋转粘度计，用于测定改性及非改性沥青的流变指标，且各指标 1 2 第二章酸雨对沥青性能影响 与沥青路用性能有直接关联【2 9 】。 2 3 1 酸雨对沥青感温性影响 本试验按照规范中沥青针入度试验所规定的方法，测定沥青试件在温度为2 5 “ c 条件 下的针入度。酸雨影响前后沥青针入度试验结果见表2 2 。酸雨影响前后沥青针入度变 化见图2 1 。 表2 2 沥青经不同浓度酸雨腐蚀后的针入度变化 溶液类型浸泡前一周期二周期三周期四周期五周期 p h = 2 4 9 8 34 8 9 l4 9 0 25 0 1 95 0 4 l5 0 8 4 p h = 4 4 9 8 35 0 6 34 9 7 85 0 0 65 0 1 85 0 6 3 p h 2 7 4 9 8 34 8 7 6 4 9 0 3 4 8 8 l4 9 6 14 8 9 0 p h = 2 浸泡下沥青针入度变化p h = 4 浸泡下沥青针入度变化p h = 7 浸泡下沥青针入度变化 y ：0 12 8 4 x2 0 ： ：1 5 7 x + 图2 1 沥青经酸雨溶液浸泡后针入度的变化 从表2 2 和图2 1 中可以看出，在对酸雨腐蚀前后沥青进行针入度试验，结果显示 在五个周期浸泡下，在p h = 2 和p h = 4 的酸雨溶液中的针入度值都有一定的上升，但是 其上升幅度较小，说明在酸雨腐蚀情况下，沥青的黏度略有下降。针入度与沥青中沥青 质的含量相关，通过本章沥青四组分分析来确定沥青质的变化。 2 3 2 酸雨对沥青高温性能影响 在行车荷载反复作用下会产生永久变形的累积，导致路面出现车辙。通过s h r p 研 究表明3 0 1 ，沥青在抗车辙能力的贡献方面占了4 0 ，因此研究沥青的高温性能，对沥青 混凝土结构的高温稳定性有重要的意义。本节通过研究经酸雨溶液腐蚀前后沥青试验的 软化点、布洛克菲尔德黏度以及沥青流变性质的对比分析，考察酸雨对沥青高温性能的 影响。 ( 1 ) 对软化点影响 本试验按照规范中沥青软化点试验( 环球法) 所规定的方法，测量沥青试样的软化 1 3 硕士学位论文 点。酸雨影响前后沥青软化点试验结果见表2 3 和图2 2 。 表2 3 沥青经不同浓度酸雨腐蚀后的软化点变化 溶液类型 浸泡前一周期 二周期 三周期四周期五周期 p h = 2 5 4 1 5 5 2 3 8 5 1 3 8 5 2 1 95 1 4 14 9 8 5 p h = 4 5 4 1 5 5 1 6 6 5 0 8 35 2 4 7 5 1 6 45 0 6 3 p h = 7 5 4 1 55 4 6 45 4 9 85 5 0 45 4 1 85 5 1 2 p h = 2 浸泡下沥青软化点变化 bl l l 。 023 浸泡周期 p h = 4 浸泡下沥青软化点变化 p h = 7 浸泡下沥青软化点变化 y = o 1 3 2 1x2 1 1 1 8 4 x + 5 34 8 l 图2 2 沥青经酸雨溶液浸泡后软化点的变化 从表2 3 和图2 2 中可以看出： 1 1 从整体变化趋势来看，在p h = 2 和p h = 4 的酸雨溶液浸泡下，沥青的软化点呈明 显下降趋势；在p h = 7 的水溶液浸泡下，沥青的软化点变化很小，可以认为是试验误差 造成的。 2 ) 经五个周期p h = 2 和4 的酸雨溶液影响后，软化点分别降低了7 9 4 、6 5 0 。 产生该变化的原因是，酸雨中的酸性离子h + 、s 0 4 二对沥青中的活性基团产生了影响， 使得分子键断裂与破坏，分子间相互作用力减小。因此在温度升高时，沥青吸收热量的 速度加快，从而使沥青的软化点减小，高温性能降低。 ( 2 ) 对黏度影响 黏度是由流体内部分子结构之间的引力形成内摩擦，从而在外部抵抗流体流动的能 力。它间接地反映了流体分子结构及其分布状态3 1 1 。沥青是有各种分子量不同的分子组 合形成的，其流动性受分子的结构以及分子间的引力影响，因此通过测定布氏黏度来分 析酸雨对沥青高温流动性的影响。 本试验按照规范中沥青旋转黏度试验( 布洛克菲尔德黏度计法) 所规定的方法，测 定沥青试样在1 3 5 时的表观黏度，分析酸雨对沥青高温抗流动性能带来的影响。试验 所采用的布洛克菲尔德黏度计如图2 3 所示。为了测定沥青在高温状态下的黏度，采取 控制试验温度在1 3 5 * c 、转子型号2 1 号以及转子速率为2 0 r m i n 。 1 4 第二章酸雨对沥青性能影响 图2 3 布洛克菲尔德黏度计 酸雨影响前后沥青布洛克菲尔德黏度试验结果见表2 4 和图2 4 所示。 表2 4 沥青经不同浓度酸雨腐蚀后的布氏黏度变化 溶液类型浸泡前 一周期二周期三周期 四周期 五周期 p h 2 2 0 5 6 30 5 3 80 5 4 30 5 3 l0 5 2 90 5 2 6 p h = 4 0 5 6 30 5 5 00 5 3 50 5 4 30 5 4 00 5 3 8 p h = 7 0 5 6 30 5 6 30 5 6 30 5 6 60 5 6 80 5 6 6 p h = 2 浸泡下沥青布氏黏度变化 图2 4 沥青经酸雨溶液浸泡后布氏黏度的变化 从表2 4 和图2 4 中可以看出： 1 ) 从整体变化趋势来看，在p h = 2 和p h = 4 的酸雨溶液浸泡下，沥青的布氏黏度呈 明显降低，其变化曲线近似拟合二次抛物线，其拟合程度随着p h 值的降低而升高；在 p h = 7 的水溶液浸泡下，沥青布氏黏度数值变化不大，总体呈上升趋势。 2 ) 经五个周期p h = 2 和4 的酸雨溶液影响后，布氏黏度分别降低了6 5 7 矛d4 4 4 ； 经五个周期p h = 7 水溶液影响后，布氏黏度上升了1 7 6 。产生该现象的原因是，一方 面由于酸雨中的酸性物质对沥青进行了腐蚀，使得沥青内部分子之间的结构发生了破坏 和断裂，分子间相互作用力减小，导致克服的扭矩减小，即布氏黏度值的减小。 ( 3 ) 对沥青流变性质的影响 s h r p 的沥青p g 分级是一种典型的沥青性能标准。通过动态剪切流变仪( d s r ) 测量 1 5 硕士学位论文 沥青的抗车辙因子g * s i n6 来评价沥青高温特性。本论文试验中所有沥青都能通过温度 7 0 。c ，因此选择7 0 。c 时的抗车辙因子来评价沥青材料抗永久变形能力。试验所采用的 d s r 动态剪切流变仪如图2 5 所示。酸雨影响前后d s r 试验结果见表2 5 和图2 6 所示。 图2 6d s r 动态剪切流变仪 表2 5 沥青经不同浓度酸雨腐蚀后的7 0 1 2 时抗车辙因子变化 溶液类型浸泡前一周期二周期三周期四周期五周期 p h = 2 1 6 91 3 21 3 21 2 71 2 31 2 2 p h = 4 1 6 91 4 71 4 71 3 21 3 21 2 7 p h = 7 1 6 91 6 91 5 21 6 4 1 6 9 1 7 l 抗车辙因子经不同溶液浸泡后的变化 234 浸泡剧期 图2 6 沥青经酸雨溶液浸泡后7 0 “ 1 2 时抗车辙因子的变化 从表2 5 和图2 6 中可以看出，在五个周期的不同溶液浸泡后，抗车辙因子发生了 显著的变化，其中p h = 2 和p h = 4 的酸雨溶液中，抗车辙因子有明显的下降，且在浸泡 腐蚀初期下降较快，后期趋于平稳。抗车辙因子g * s i n i 表示沥青材料抵抗永久变形的 能力，其值越大表示沥青的流动变形越小，则越有利于抵抗高温车辙的产生。说明在酸 16 第二章酸雨对沥青性能影响 雨溶液的浸泡腐蚀作用下，沥青材料的抵抗永久变形的能力有明显的下降，随着p h 值 的减小，下降趋势越明显，高温性能下降的越快。经p h = 7 的水溶液浸泡后，沥青的抗 车辙因子g * s i n 5 基本无变化，这与沥青的针入度试验结果基本相同。 2 3 3 酸雨对沥青低温性能影响 低温开裂是沥青路面面层破坏的主要形式之一，低温缩裂主要是温度下降时内部应 力小于抗拉强度的情况下产生的。s h r p 研究表明【3 2 1 ，9 0 的低温抗裂性是由沥青提供 的。本节通过在1 0 条件下的延度试验来研究酸雨对沥青低温开裂性能的影响。 延度是表示沥青在一定温度下断裂前的扩展或伸长的能力，在一定程度上反映了沥 青的变形能力和抗裂性能3 3 1 。本试验按照规范沥青延度试验所规定的方法，测定沥青试 件在温度为1 0 条件下的延度。酸雨影响前后沥青延度的试验结果见表2 6 和图2 7 所 示。 表2 6 沥青经不同浓度酸雨腐蚀后的延度变化 溶液类型浸泡前一周期二周期三周期四周期五周期 p h = 2 1 6 8 2 51 5 8 9 31 5 3 7 61 4 6 9 31 6 2 3 91 3 8 7 4 p h = = 4 1 6 8 2 51 6 2 1 21 4 3 2 51 5 9 0 21 5 1 5 81 4 1 6 3 p h = 7 1 6 8 2 51 6 2 5 51 7 3 3 31 7 0 1 71 5 9 0 31 6 0 5 9 p h = 2 浸泡下沥青延度变化p h ：4 浸泡下沥青延度变化 p h = 7 浸泡下沥青延度变化 y = 一0 14 8 6 x + 1 6 9 3 7 图2 7 沥青经酸雨溶液浸泡后延度的变化 从表2 6 和图2 7 可以看出基质沥青经p h = 2 、4 、7 的酸雨溶液影响后，在1 0 。( 2 条 件下的延度分别降低了1 7 5 4 、1 5 8 2 、4 5 5 。这些数据说明在酸雨腐蚀下，沥青的 塑性明显降低，影响沥青塑性的主要是胶质，这些组分当中的活性基团易产生键的断裂， 导致化学性质发生变化，从而使得沥青的弹塑性性能降低，即沥青延度的降低。 2 4 酸雨对沥青微观性能的影响 沥青是石油中分子量最大3 4 1 ，组成与结构具有复杂性和不确定性的混合物，影响沥 1 7 硕士学位论文 青性质的内在因素是沥青的化学组成。石油沥青的化学组成在多年的研究之下至今仍没 有明确的结论。沥青的常规指标具有很大的局限性，不能完全的反应沥青的使用性能， 因此 2 。4 ，l 沥青四组分的基本特征 沥青是复杂烃材料的胶体体系，由沥青质、胶质、芳香分和饱和分构成【3 5 】。各组分 性质如下： ( 1 ) 沥青质是高分子化合物，也是沥青中分子量最高的组分，没有固定的熔点。沥青 质的存在对沥青的感温性的影响极大，决定着粘结力以及温度稳定性。随着沥青质含量 的增加，沥青的黏度会增大。 ( 2 ) 胶质又称为树脂或极性芳烃，其特点是化学稳定性很差，在温度升高时易转化成 沥青质。胶质的存在使沥青具有一定的可塑性、粘结性和流动性，胶质的含量直接决定 着沥青延度的变化。 ( 3 ) 饱和分和芳香分一起构成油分，主要影响沥青流动性。油分能使胶质一沥青质胶 团能稳定分散在其中，饱和分和芳香分的比例影响了沥青胶体的结构稳定性。其含量越 高，软化点越低。 综上所述，胶质与沥青质构成了沥青的骨架，油分是沥青的软化剂，充当着软化和 润滑的作用。四种组分各自有其功能，共同影响着沥青的性能。 2 4 2 试验方法 本节通过沥青化学组分试验( 四组分法) ，采用溶剂沉淀以及色谱柱法来测量沥青的 组分。沥青四组分分析流程图如图2 8 所示。 1 8 第二章酸雨对沥青性能影响 2 4 3 试验结果与讨论 图2 8 沥青四组分分析流程图 经酸雨影响前后的沥青试件四组分分析结果如表2 7 所示。经酸雨影响前后的沥青 试件四组分成分变化如图2 9 。 表2 7 经不同浓度酸雨影响前后沥青的四组分成分变化 原样 p h = 2 p h 2 4p h = 7 组分 未浸泡一周期三周期五周期一周期 三周期五周期一周期五周期 饱和分s ( ) 1 3 9 21 6 3 l1 9 8 31 9 9 21 4 6 31 8 7 61 9 3 81 2 6 l1 2 9 l 芳香分a t ( ) 4 7 - 2 54 6 6 34 5 2 14 6 1 14 6 9 94 7 3 84 6 6 1 4 8 9 14 9 1 9 胶质r ( 呦 2 4 5 l2 2 ，1 62 0 6 91 8 1 12 3 8 11 8 6 71 9 3 8 2 4 0 02 3 0 2 沥青质a s ( ) 1 4 3 21 4 9 01 4 2 71 5 8 61 4 5 7 1 5 1 91 4 6 31 4 4 81 4 8 8 饱和分+ 芳香分 6 1 1 76 2 9 46 5 0 46 6 0 36 1 6 26 6 1 4 6 5 9 96 1 5 26 2 1 0 沥青质+ 胶质 3 8 8 33 7 0 6 3 4 9 63 3 9 73 8 3 83 3 8 63 4 0 13 8 4 83 7 9 0 1 9 硕士学位论文 经p h = 2 酸雨溶液影响后沥青组分变化 i 里堕塑坌! ! 兰! ! 董重坌! ! ! 兰! 里堕堕! ! 苎! 里塑童垦! ! ! 苎! 】 l 匪孰| 郭 浸泡周期 经p h = 4 酸雨溶液影响后沥青组分变化 日勤| 勤f |勤 k 。 浸泡周期 浸泡周期 图2 9 经不同浓度酸雨影响前后沥青的四组分成分变化图 由表2 7 和图2 9 试验数据对比与分析发现： 1 ) 在p h = 2 和p h = 4 的酸雨溶液影响下，胶质含量明显下降，饱和分含量有一定的 上升，沥青质含量变化不明显，芳香分含量少量减少。以上这些数据说明，沥青在酸雨 溶液腐蚀过程中，沥青的塑性能力明显的下降，高温性能和低温性能也受到一定程度的 影响。沥青中的胶质在酸性溶液的腐蚀下会发生磺化、氧化和缩合等反应，使得活性基 团中的键发生了断裂，从而导致沥青的塑性以及粘弹性的降低。沥青质并没有发生显著 变化，说明在酸雨的腐蚀下，胶质并没有蜕变成沥青质，沥青质本身也未受酸雨的影响。 胶质的含量影响着沥青塑性与粘弹性，其值的降低使得沥青的塑性与粘弹性能变差，与 前文中研究的内容基本相符。沥青质的含量影响着针入度的变化，针入度在酸雨的影响 下并没有发生太大变化，与沥青质含量的分析一致。 2 ) 在p h = 7 的水溶液浸泡下，沥青各组分成分变化很小，芳香分含量有少量增加， 胶质含量有一定的减小，说明在水溶液的浸泡下，沥青发生了老化现象，从而导致组分 2 0 _ u ? f r 凰斛1 1 1 0 )l瞪 j 。 | | | | | ?| | | | 第二章酸雨对沥青性能影响 含量的变化。 2 5 本章小结 本章主要对酸雨影响前后的基质沥青进行了一系列的室内试验，通过分析和研究经 过酸雨影响前后的试验数据得到以下主要结果和结论： 1 ) 经三种溶液影响后的沥青2 5 针入度并没有发生太大变化；经五个周期p h = 2 和4 的酸雨溶液影响后，沥青软化点分别降低了7 9 4 、6 5 0 ；经五个周期p h = 2 和4 的酸雨溶液影响后，布氏黏度分别降低了6 5 7 并1 ：i4 4 4 ；经五个周期p h = 2 和4 的酸 雨溶液影响后，在1 0 。c 条件下的延度分别降低了1 7 5 4 、1 5 8 2 ；经五个周期p h = 2 和4 的酸雨溶液影响后，7 0 。c 时抗车辙因子分别降低了2 7 8 1 、2 4 8 5 。说明在酸雨 溶液腐蚀下，沥青的高温性能和低温性能降低。 2 ) 经p h = 7 的水溶液影响后的沥青仅延度发生了明显变化，说明在水溶液五个周期 的影响下，沥青发生了老化现象，从而导致延度的降低。 3 1 在p h = 2 和p h = 4 酸雨溶液的腐蚀下，沥青的各组分发生了变化，胶质含量明显 下降，沥青质含量变化不明显，油分含量有一定的增多，沥青组分的变化影响了沥青 的各项指标。经过对比，组分的变化规律基本与各项性质的变化规律相符。 综上所述，酸雨对沥青的性能有较大影响。在酸雨溶液长期浸泡后，沥青的高温性 能与低温性能明显降低，且随着p h 值的减小影响增大。沥青发生氧化和缩合，导致化 学性质不稳定。 2 l 硕士学位论文 _ _ - - _ _ _ i i _ _ _ _ l _ _ _ _ _ l _ - l i _ _ _ _ _ l l l _ _ _ - _ _ _ _ 一 第三章酸雨对矿质集料性能影响 第三章酸雨对矿质集料性能影响 沥青混合料是通过沥青粘结矿质集料形成的一个相对稳定的整体。矿质集料在其中 担当骨架的作用，因此其力学性能对于整个沥青混合料的结构稳定有着重要的影响。矿 质集料被沥青粘结成为一个整体，其黏附性对于沥青路面抗水损害能力有着重要的意 义。而酸雨作为一种酸性降水，对矿质集料与沥青的黏附性有着极大的影响，易通过沥 青路面的空隙进入沥青路面内部，与矿质集料中的碱性物质发生化学反应导致沥青与集 料吸附作用降低。本文通过研究和分析酸雨浸泡前后矿质集料的力学性能和集料与沥青 的黏附性，来评价酸雨对矿质集料性能的影响。 3 1 试验现象与分析 不同矿质集料在不同酸雨腐蚀作用下出现了不同的现象，大致可分为集料浸泡后外 观发生的变化和酸雨溶液在浸泡时发生的变化两方面。 ( 1 ) 石灰岩 受五个周期p h = 7