含盐高湿环境沥青混合料力学特性的劣化*

张苛　张争奇

(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西 西安 710064)

含盐高湿环境沥青混合料力学特性的劣化*

张苛张争奇

(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西 西安 710064)

摘要：在纯水、5%和10%NaCl溶液中，采用持续浸泡、干湿循环和冻融循环3种不同方式加速模拟含盐高湿环境对沥青混合料的腐蚀，然后进行劈裂试验，以劈裂强度和氯盐腐蚀因子评价含盐高湿环境作用下沥青混合料性能的劣化情况，并研究了抗剥落剂、纤维、消石灰等对混合料力学性能的改善情况.结果表明：3种不同方式处理后，随着作用次数的增加沥青混合料的空隙率逐渐增大，劈裂强度逐渐减小；在氯盐溶液中干湿循环12次和冻融循环9次后，沥青混合料空隙率和劈裂强度的变化幅度较小；干湿循环方式最能体现氯盐溶液对沥青混合料性能劣化作用，建议在10%NaCl溶液中干湿循环12次来模拟含盐高湿环境的腐蚀作用；玄武岩纤维改善含盐高湿环境下沥青混合料力学性能的效果最好.

关键词：道路工程；沥青混合料；含盐高湿环境；劈裂试验

沥青混凝土由于具有优良的性能，在我国高等级公路的建设中得到了广泛的应用.沥青路面不但直接经受行车荷载的反复作用，还要承受大气、降水等外界环境的影响.尤其是在江苏沿海地区，沥青路面受到外界环境的不利影响更为严峻.沿海地区海雾频发，高浓度的海雾往往成为NaCl的载体[1]，当海雾在沥青路面上凝结时，水分及其内部含有的Cl-会渗入到沥青路面结构中腐蚀沥青混合料，降低沥青混合料的粘聚力，导致混合料整体强度下降，直接引起沥青路面松散、坑槽、开裂等病害的产生[2-4].沥青混合料发生松散、坑槽等病害最根本的原因是粘聚力不足，而粘聚力大的沥青混合料中结构沥青膜完整，且沥青膜越厚，可以更好地抵抗含盐高湿环境中水分和盐分的腐蚀，不易出现破损和剥落[5].

相关研究表明，沥青混合料的劈裂强度与粘聚力具有良好的相关性[6]，劈裂强度大的沥青混合料其粘聚力就大.目前，国内外关于含盐高湿环境对沥青混合料力学强度影响的研究并不多，大多是关于除冰盐、融雪剂等对沥青混合料的影响[7-10].为了更好地促进含盐高湿地区沥青路面的建设，应针对水分和盐分耦合作用下沥青混凝土力学特性的变化开展系统研究.文中采用在不同浓度的NaCl溶液中冻融循环、干湿循环和持续浸泡3种方式来模拟含盐高湿环境对沥青混凝土的腐蚀作用，通过对经历了不同作用次数的沥青混凝土试件进行劈裂试验研究含盐高湿环境下沥青混凝土力学特性的变化规律，并分析沥青混凝土力学强度变化的原因；同时，针对含盐高湿环境的特点，研究了抗剥落剂、纤维、消石灰等添加剂对沥青混合料劈裂强度的影响，以期为沿海含盐高湿地区沥青路面的建设提供一定的参考依据.

1原材料和试验方案

1.1　原材料

沥青采用SBS成品改性沥青，其主要技术指标如表1所示.

表1　SBS改性沥青技术指标Table 1　Main technical indexes of SBS modified asphalt

1)此指标表征贮存稳定性.

粗、细集料采用西安产玄武岩，矿粉为磨细的石灰岩，经检查集料和矿粉的各指标均满足规范要求.矿料级配采用工程中常用的AC-13级配，各档集料的通过率如表2所示，采用马歇尔法确定混合料的最佳油石比为5.1%.

表2　矿料级配组成Table 2　Gradation composition of aggregates

采用AMR型和TJ-066型两种非胺类抗剥落剂，AMR型外观为棕黄色固体颗粒，TJ-066型外观为黑褐色粘稠液体.采用的纤维为玄武岩纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维，3种纤维的主要技术性能指标如表3所示.消石灰为钙质消石灰，其中有效钙的含量在65%以上.各种添加剂的最佳掺量及掺有添加剂混合料的最佳油石比见表4.

1.2　试验方案

1.2.1含盐高湿环境腐蚀的模拟

在设计级配和最佳油石比条件下成型沥青混凝土马歇尔试件，在不同浓度的NaCl溶液中采取冻融循环、干湿循环和持续浸泡3种方式来模拟含盐高湿环境对沥青混凝土的腐蚀作用，其中NaCl溶液的质量分数分别为0%(纯水)、5%和10%.

表3　纤维的主要技术性能指标Table 3　Main technical indexes of fiber

表4　不同添加剂的最佳掺量及混合料的最佳油石比1)Table 4　Optimum dosage of different additives and optimal asphalt content of mixtures

1) 级配类型为AC-13.

(1)冻融循环

参考江苏沿海地区的年平均极端气温和我国的相关试验规程，确定沥青混凝土试件的冻融温度分别为-20 ℃和30 ℃.先将成型好的马歇尔试件置于0%、5%和10%的NaCl溶液中浸泡24 h，使试件内部充分饱水，然后将已饱水的马歇尔试件在-20 ℃~30 ℃的冻融温度下冻融循环3、6、9、12、15次，以加速模拟含盐高湿环境对沥青混合料的腐蚀作用，并设置未经冻融循环的对比组试件.其中规定1次冻融循环如下：将试件放入塑料袋中并注入30 mL一定浓度的NaCl溶液，置于-20 ℃的恒温冰箱中冷冻11~12 h，然后将试件从塑料袋里取出并置于30 ℃的NaCl溶液中浸泡12~13 h[11].

(2)干湿循环

将成型好的马歇尔试件置于质量分数为0%、5%和10%的NaCl溶液中干湿循环3、6、9、12、15次，以加速模拟含盐高湿环境对沥青混合料的腐蚀作用，其中以试件在30 ℃的NaCl溶液中浸泡12 h后在室温下放置12 h为一次干湿循环[12]，并设置未经NaCl溶液干湿循环的对比试件.

(3)持续浸泡

将成型好的马歇尔试件置于质量分数为0%、5%和10%的NaCl溶液中持续浸泡3、6、9、12、15次，以加速模拟含盐高湿环境对沥青混合料的腐蚀作用，其中以持试件在溶液中续浸泡24 h为1次，并设置未经NaCl溶液浸泡的对比组试件.

1.2.2试验方法

(1)空隙率测量

将经过不同处理的马歇尔试件置于空气中使其完全干燥，然后采用表干法分别测量经过不同处理的马歇尔试件的空隙率，并分析不同处理方式及作用次数对沥青混凝土空隙率的影响.

(2)劈裂试验

在劈裂试验模式下，马歇尔试件处于拉压双向受力状态，破坏时试件处于极限受拉状态[13-14].将经过不同处理的马歇尔试件置于25 ℃的水浴中保温2 h，采用SANS万能试验机作为加载设备进行劈裂试验，加载速率为50 mm/min，并按照公式计算试件的劈裂强度[15].

文中以劈裂强度、劈裂强度损失率和氯盐腐蚀因子评价氯盐溶液对沥青混凝土力学性能的影响，其中劈裂强度损失率为氯盐溶液冻融循环、干湿循环或持续浸泡作用前后试件劈裂强度的差值与未经氯盐溶液作用的劈裂强度的比值；氯盐腐蚀因子为试件经氯盐溶液冻融循环、干湿循环或持续浸泡不同次数后的劈裂强度与在纯水环境中按相同方式作用相同次数的劈裂强度的比值，氯盐腐蚀因子越大，表明沥青混合料抗氯盐腐蚀的能力越强.

2劈裂试验结果与分析

2.1　试验结果

在不同质量分数的氯盐溶液中按照冻融循环、干湿循环和持续浸泡的方式作用一定次数后，沥青混凝土试件的空隙率如表5所示，劈裂强度如表6所示.

采用SPSS软件对表5、6中的数据进行方差分析，结果见表7和8.从表7、8中可以看出，作用次数、处理方式和NaCl溶液质量分数对沥青混凝土的空隙率和劈裂强度有显著影响.根据统计量F值的大小，影响沥青混凝土空隙率的因素的显著程度排序为处理方式>作用次数>溶液质量分数，影响劈裂强度的几种因素的显著程度无明显差异.后面针对沥青混凝土的评价指标随影响因素的变化情况进行详细分析.

表5　不同方式处理后沥青混凝土的空隙率Table 5　Void ratio of asphalt concrete treated in different ways

表6　不同方式处理后沥青混凝土的劈裂强度Table 6　Splitting strength of asphalt concrete treated in diffe-rent ways

表7　不同影响因素与空隙率的方差分析Table 7　Analysis of variance for different factors and void ratios

表8　不同影响因素与劈裂强度的方差分析Table 8　Analysis of variance for different factors and splitting strength

2.2　试验结果分析

2.2.1空隙率变化分析

在不同浓度的氯盐溶液中冻融循环、干湿循环和持续浸泡处理后，试件空隙率的变化情况见图1.

图1　不同处理方式下试件的空隙率Fig.1　Void ratio of the specimens treated in different ways

从图1中可以看出，在不同质量分数的氯盐溶液中经过冻融循环、干湿循环和持续浸泡处理后，试件的空隙率均随着作用次数的增加逐渐增大，但氯盐溶液的质量分数和处理方式不同，空隙率的增长规律并不一致.在纯水中持续浸泡和干湿循环后，试件的空隙率随着作用次数的增加持续增大，增幅较小且变化不明显，而在纯水中冻融循环后，试件的空隙率先逐渐增大后趋于稳定，且在相同次数的冻融循环作用后试件的空隙率远大于持续浸泡和干湿循环作用的试件.

在5%、10%的氯盐溶液中经过相同次数的干湿循环和冻融循环后，试件的空隙率均随着作用次数的增加先迅速增大后逐渐趋于稳定.在氯盐溶液中干湿循环前12次，试件的空隙率逐渐增大，超过12次后试件的空隙率逐渐趋于稳定；在氯盐溶液中冻融循环前9次，试件的空隙率增幅较大，超过9次后空隙率增长趋势不明显.这是因为随着干湿循环、冻融循环作用次数的增加，仅依靠氯盐结晶或结冰膨胀产生的压力无法使混合料内部的空隙和微裂缝持续扩张，表现为混合料的空隙率逐渐趋于稳定.

在5%的氯盐溶液中经过15次干湿循环和冻融循环后，试件的空隙率分别增加38.8%、44.4%；在10%的氯盐溶液中经过15次干湿循环和冻融循环后，试件的空隙率分别增加51.7%、54.3%.在氯盐溶液中经过干湿循环和冻融循环后，试件的空隙率较纯水环境中有大幅度增加，盐分的腐蚀及氯盐晶体的膨胀或盐溶液的结冰膨胀作用加剧了沥青混合料空隙结构的衰变.

2.2.2劈裂强度变化分析

在不同质量分数的氯盐溶液中冻融循环、干湿循环和持续浸泡处理后，试件的劈裂强度及劈裂强度损失率随着作用次数的变化情况见图2(a)、2(b).

从图2(a)、2(b)中可以看出：

(1)在纯水、5%和10%的氯盐溶液中持续浸泡作用15次后，试件的劈裂强度分别下降12.98%、18.82%和29.43%；在纯水、5%和10%的氯盐溶液中干湿循环作用15次后，试件的劈裂强度分别下降9.76%、40.08%和46.04%；在纯水、5%和10%的氯盐溶液中冻融循环作用15次后，试件的劈裂强度分别下降29.95%、49.72%和54.89%.可见，在相同的处理方式和作用次数条件下，与纯水环境相比，经过氯盐溶液处理后沥青混合料的劈裂强度显著下降，且氯盐溶液的浓度越高劈裂强度的降幅越大.究其原因，是因为在氯盐溶液中，沥青混合料同时受到水分和盐分的耦合腐蚀作用，盐溶液中的Cl-和Na+加速沥青结合料的老化和乳化，更易侵入沥青与集料的界面中，降低沥青与集料的粘附能力.当溶液中的水分蒸发或温度降低时会析出氯盐晶体，氯盐晶体结晶膨胀后会在沥青混合料内部产生膨胀压力，导致混合料内部出现损伤，进而引起沥青混合料劈裂强度的降低.

(2)在纯水中，经过不同方式处理后沥青混合料的劈裂强度降幅排序为冻融循环>持续浸泡>干湿循环.在纯水环境中，在持续浸泡和干湿循环作用时水分对沥青混合料的影响较小，两种方式下沥青混合料劈裂强度相差不大，而在冻融循环时水分的结冰膨胀对沥青混合料内部造成损伤，引起劈裂强度大幅度下降.在5%和10%的氯盐溶液中，经过不同方式处理后混合料的劈裂强度降幅排序均为冻融循环>干湿循环>持续浸泡；分析氯盐溶液中几种不同的处理方式，持续浸泡方式下，氯盐溶液的腐蚀作用削弱了沥青与集料的粘附性，造成沥青混合料劈裂强度的下降；干湿循环作用下，氯盐溶液会削弱沥青与集料的粘附性，且氯盐晶体的结晶膨胀还会造成混合料内部的损伤；而在冻融循环作用下，沥青混合料受到氯盐的腐蚀、氯盐的结晶膨胀和水分的结冰膨胀多重作用，所处条件最为严苛，对混合料造成的损害最严重.

(3)经过不同浓度的氯盐溶液中冻融循环、干湿循环和持续浸泡处理后，沥青混合料的劈裂强度均随着作用次数的增加不断下降.在不同的盐溶液中，混合料的劈裂强度随着持续浸泡作用次数的增加基本呈线性逐渐降低；劈裂强度随干湿循环和冻融循环次数的增加先迅速下降后逐渐趋于稳定，二者的临界作用次数分别为12次和9次.劈裂强度的变化规律同混合料空隙率的变化情况基本一致，与以上介绍的不同处理方式对沥青混合料的作用机理有关.

2.2.3氯盐腐蚀因子变化分析

在不同浓度的氯盐溶液中冻融循环、干湿循环和持续浸泡处理后，氯盐腐蚀因子见表9.

从表9可以看出，在5%的氯盐溶液中持续浸泡不同的次数后，试件的氯盐腐蚀因子均在0.92以上，说明在持续浸泡的处理方式下5%的氯盐溶液对沥青混合料劈裂强度的损害程度与纯水相差不大，且由氯盐腐蚀引起的性能劣化随着作用次数的增加变化不明显.在5%的氯盐溶液中干湿循环和冻融循环后，氯盐腐蚀因子随着作用次数的增加逐渐减小；当盐溶液的浓度为10%时，3种不同方式处理后氯盐腐蚀因子均随着作用次数的增加逐渐下降.在10%的氯盐溶液中持续浸泡、干湿循环和冻融循环15次后，氯盐腐蚀因子较5%的氯盐溶液中分别下降13.1%、10.9%和9.8%，说明氯盐浓度的增加加剧了沥青混合料性能的劣化.在5%和10%的氯盐溶液中，不同方式处理后的氯盐腐蚀因子的排序为持续浸泡>冻融循环>干湿循环.氯盐腐蚀因子反映混合料抵抗含盐高湿环境腐蚀的能力，同时还能区分不同处理方式间的差异，在几种处理方式中最能体现氯盐溶液对沥青混合料性能劣化作用的方式是干湿循环，采用干湿循环方式模拟含盐高湿环境的腐蚀作用较为合适.

表9　不同处理方式下试件的氯盐腐蚀因子Table 9　Chloride corrosion factor of the specimens treated in different ways

结合前文的研究可知，在不同浓度的氯盐溶液中经过12次干湿循环处理后沥青混合料的劈裂强度基本趋于稳定，因此，建议在研究含盐高湿环境对沥青混合料性能的影响时，采用在10%的氯盐溶液中干湿循环作用12次来模拟含盐高湿环境的腐蚀作用.

3力学特性的改善措施

采用AMR和TJ-066两种非胺类抗剥落剂，玄武岩、聚酯和聚丙烯3种纤维以及消石灰共6种添加剂，在设计级配及各自的最佳油石比下生产马歇尔试件，并在10%的氯盐溶液中干湿循环12次以模拟含盐高湿环境的腐蚀作用，然后进行劈裂试验，试验结果见表10.图3为掺加不同类型添加剂后沥青混合料劈裂强度的增幅.

从表10和图3可以看出，在沥青混合料中掺加抗剥落剂、纤维和消石灰后，混合料的劈裂强度均有不同程度的提高，说明掺加这些添加剂可以改善含盐高湿环境下沥青混合料的劈裂性能.但添加剂的类型不同，劈裂强度增加的幅度并不一致，改善混合料力学特性效果最好的是玄武岩纤维，劈裂强度的增幅达到61.55%，改善效果最差的是抗剥落剂TJ-066，增幅仅为13.00%；掺有不同添加剂混合料的劈裂强度增幅排序为玄武岩纤维>聚丙烯纤维>消石灰>聚酯纤维>AMR>TJ-066.玄武岩纤维沥青混合料能够较好的抵抗含盐高湿环境的腐蚀作用，建议采用玄武岩纤维来改善含盐高湿地区沥青混合料的力学特性.

表10　掺有不同添加剂的混合料的劈裂强度Table 10　Splitting strength of mixtures mixed with different additives

图3　不同沥青混合料劈裂强度的增幅Fig.3　Increase amplitude of splitting strength of different asphalt mixtures

分析以上现象，主要是因为不同添加剂对沥青混合料的改善机理不同，导致劈裂强度的增幅存在差异.抗剥落剂AMR和TJ-066属于表面活性物质，其内部含有的活性基因可以改善沥青的极性，降低沥青的表面张力，从而增强沥青与集料的物理、化学吸附作用，使二者的粘附性得到改善.而在混合料中掺入纤维后，纤维的吸附作用使得集料表面的结构沥青膜变厚，改善了沥青与集料间的界面结合条件；均匀分散在混合料中的纤维起到桥接和加筋的作用，具有良好的传递和分散荷载的效果，进而提高混合料的整体强度.3种纤维中，玄武岩纤维具有较高的抗拉强度，掺有玄武岩纤维的混合料劈裂强度增幅最大.消石灰由于具有较大的比表面积，对自由沥青有较强的吸附作用，且能活化集料的表面，改善沥青与集料的粘附性，其作用机理同抗剥落剂差不多，但消石灰的耐久性能优于抗剥落剂，故其作用效果较抗剥落剂要好.

4结论

(1)在氯盐溶液中经过冻融循环、干湿循环和持续浸泡处理后，试件的空隙率均随着作用次数的增加逐渐增大，但氯盐溶液的浓度和处理方式不同，空隙率的增长规律并不一致，氯盐溶液的腐蚀作用加剧了沥青混合料空隙结构的衰变.

(2)在相同的处理方式和作用次数条件下，与纯水环境相比，经过氯盐溶液处理后沥青混合料的劈裂强度显著下降.在纯水中，经过不同方式处理后沥青混合料劈裂强度降幅排序为冻融循环>持续浸泡>干湿循环；氯盐溶液中混合料劈裂强度的降幅排序为冻融循环>干湿循环>持续浸泡.

(3)在5%和10%的氯盐溶液中，不同方式处理后氯盐腐蚀因子的排序为持续浸泡>冻融循环>干湿循环，干湿循环处理方式最能体现氯盐溶液对沥青混合料性能劣化作用，建议采用在10%NaCl溶液中干湿循环作用12次来模拟含盐高湿环境的腐蚀作用.

(4)掺加抗剥落剂、纤维和消石灰后，混合料的劈裂强度均有不同程度的提高，掺有不同添加剂混合料的劈裂强度增幅排序为玄武岩纤维>聚丙烯纤维>消石灰>聚酯纤维>AMR>TJ-066.在含盐高湿地区，建议采用玄武岩纤维来改善沥青混合料的力学特性.

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Deterioration of Mechanical Properties of Asphalt Mixture in Salty and Humid Environment

ZhangKeZhangZheng-qi

(Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education,Chang’an University,Xi’an 710064,Shaanxi,China)

Abstract:In pure water as well as 5% and 10% NaCl solutions, three ways of continuous immersion, dry-wet cycles and freeze-thaw cycles were adopted to speed up the corrosion of the asphalt mixture in salty and humid environment. Then, the split test was carried out, and the deterioration of the asphalt mixture performance was evaluated by using the splitting strength and the chloride corrosion factor. Moreover, the effects of anti-stripping agent, fiber and hydrated lime in improving the mechanical properties of the asphalt mixture were also investigated. The results show that (1) for the asphalt mixture treated in three different ways, with the increase of the action times, the void ratio increases while the splitting strength decreases;(2) after the asphalt mixture experiences twelve dry-wet cycles or nine freeze-thaw cycles in the chloride solution, the ranges of the void ratio and splitting strength changes both become narrow; (3) the way of dry-wet cycles displays the best performance in embodying the negative effect of the salty and humid environment on the asphalt mixture performance, and it is thus suggested that twelve dry-wet cycles in 10% NaCl solution should be used to simulate the corrosive effect of the salty and humid environment; and (4) the Basalt fiber achieves the best effect in improving the mechanical properties of the asphalt mixture in the salty and humid environment.

Key words:road engineering; asphalt mixtures; salty and humid environment; split test

中图分类号：U416.217

doi:10.3969/j.issn.1000-565X.2015.08.016

文章编号：1000-565X(2015)08-0106-07

作者简介：张苛(1989-)，男，博士生，主要从事沥青路面结构与材料研究.E-mail: zhangke_365@126.com

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51008031)；交通运输部应用基础研究项目(2014319812151)；陕西省交通科技项目(2014-01K)

收稿日期：2014-12-03

Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51008031),the Traffic Applied Basic Research Project of the Ministry of Transport of China(2014319812151)and the Scientific and Technological Project of Traffic of Shaanxi(2014-01K)