盐蚀环境下沥青混合料耐久性劣化研究进展

熊 锐，王 璐，杨 发，关博文

(1.长安大学 材料科学与工程学院， 西安 710061； 2.陕西交通职业技术学院 经济管理系， 西安 710018；3. 云南省公路开发投资有限责任公司， 昆明 650200)



盐蚀环境下沥青混合料耐久性劣化研究进展

熊 锐1，王 璐2，杨 发3，关博文1

(1.长安大学 材料科学与工程学院， 西安 710061； 2.陕西交通职业技术学院 经济管理系， 西安 710018；3. 云南省公路开发投资有限责任公司， 昆明 650200)

盐蚀环境对沥青混合料耐久性的劣化作用具有普遍性和直接性。总结国内外关于沥青混合料盐蚀耐久性劣化的研究成果，阐述目前沥青混合料盐蚀劣化研究领域存在的问题，提出该领域待研究的方向及方法。

道路工程；沥青混合料；硫酸盐侵蚀；氯盐侵蚀；性能劣化

沥青混合料耐久性一直是国内外道路工程界关注的重要问题之一。无论是海雾频发、含盐高湿的沿海地区，还是深居内陆的盐湖、盐渍土地区，富集的氯盐和硫酸盐等侵蚀性介质往往使道路工程材料仅使用几年就遭受严重破坏，导致道路服役寿命大为缩短，不仅给国家造成巨大经济损失，而且还严重威胁道路行驶安全。为此，国内外每年都会投入大量资金进行路面的养护与翻修，以延长其服役寿命。然而，在富盐地区的特殊环境下，沥青混合料的设计理念并未纳入盐蚀的不利影响，从而难以从根本上解决其耐久性问题。

近年来，随着除冰盐、融雪剂等含盐类物质广泛使用于冬季道路雪害的防治，由此带来的一系列问题亦日渐引起国内外道路工作者的关注，并成为一个重要的研究课题。但该研究才刚刚起步，故亟需开展该领域的研究工作，以填补相应空白。

1 国外研究概况

1.1 盐蚀环境下沥青混合料性能劣化研究

国外针对沥青混合料在湿度、温度与荷载等作用下性能变化的研究始于20世纪90年代。美国SHRP研究计划建立了环境条件系统ECS，对野外环境进行了实际模拟，即在施加900 N动荷载时，通过对试件进行多次冻融循环来分析沥青路面受到温度、湿度与荷载共同作用的效果[1-2]。在盐蚀方面，美国联邦公路局1996年的研究报告显示，除冰盐会降低沥青混凝土路面的抗滑性能[3]。Hassan等[4]对氯盐影响下矿料和沥青混合料的性能变化展开研究，测定指标包括沥青混合料的质量变化、间接拉伸强度、弹性模量变化等，研究结果表明石灰岩和石英岩在氯盐作用下会产生明显的侵蚀破坏，沥青混合料经多次冻融循环作用后，其间接拉伸强度和弹性模量减小。Behnam等[5]对冻融循环作用下盐(乙酸钙和除冰盐)与动水作用对沥青混合料性能的影响进行了研究，认为盐的存在加剧了沥青混合料性能的损伤。

1.2 不同因素条件下沥青混合料损伤机理研究

Davide等[6]研究认为，高温、氧气、辐射等是引起沥青混合料松散破坏的主要因素，其导致沥青路面在低温下不能适应交通荷载引起的微应变，从而发生脆性破坏。Wang L B等[7]将CT断层扫描技术应用于路面沥青混合料的细观结构性能评价中，根据数学模型及CT扫描图像的相关参数定量表征了沥青混合料的损伤过程参数，并对沥青混合料试样进行了三维重建。Hassan 等[8]利用CT扫描技术对间接拉伸试验和疲劳试验过程中沥青混合料空隙和裂缝的细观特性进行了定量研究，并利用相关逻辑运算提取空隙与裂缝图像，对其细观特征进行了定量表达，且利用空隙形状特性来表征混合料性能的衰减程度。

2 国内研究概况

2.1 盐蚀环境下沥青混合料性能劣化研究

在国内，随着除冰盐在道路融冰除雪中的大量应用，针对氯盐劣化沥青混合料性能的研究成果较为丰硕。傅广文[9]认为经氯盐作用后，沥青-集料体系粘附能力降低，沥青混合料的高低温性能及水稳定性均有所下降，且NaCl的影响程度超过CaCl2。郑建华[10]通过NaCl溶液浸泡试件的方法模拟了实际沥青路面受氯盐侵蚀情况，并认为氯盐的侵蚀降低了沥青混凝土受荷时抵抗变形的能力及其低温抗裂性能。丛培良等[11]研究了氯化钠、氯化镁、氯化钙和醋酸钾4种除冰盐对沥青混凝土性能的影响，指出氯盐可以增加沥青混合料的拉伸破坏强度和常规劈裂强度，但也会致使沥青混合料的断裂能降低；在冻融循环条件下，除冰盐会明显降低沥青混合料的劈裂强度。张争奇等[12-14]研究了含盐(NaCl)高湿环境对沥青混合料内部形态、力学特性及耐久性的影响，认为高温、盐分、水分及其耦合效应是引起沥青混合料耐久性降低的主要原因。

虽然，国内外对严酷的硫酸盐侵蚀环境造成沥青混合料性能劣化的研究甚少，但其亦逐渐引起道路工作者的关注与探索。张俊等[15]通过自行设计的沥青灌缝试块抗剪强度试验，探讨了试块在不同氯化钠、硫酸钠溶液浓度下的抗剪强度变化规律，认为盐分的存在不利于路面加铺及路面裂缝修补。任传军等[16]针对东部沿海地区盐侵蚀环境下的SBS改性沥青混合料开展了沥青混合料耐海水腐蚀性能研究，认为海水、硫酸盐溶液对混合料的水稳定性有一定程度劣化，通过掺加纤维能够有效改善其水稳定性。此外，笔者对硫酸盐-干湿循环/冻融循环协同作用下沥青混合料盐蚀劣化效应进行了较为系统的试验研究，采用干湿/冻融循环加速侵蚀方式，多角度评估了盐蚀作用对沥青混合料耐久性的影响，并提出掺加矿物纤维可以有效改善沥青混合料在硫酸盐腐蚀环境下的使用性能[17-24]。

2.2 不同因素条件下沥青混合料损伤机理研究

在国内，肖庆一等[25]基于表面能理论研究了沥青结合料与集料界面间的粘结性能，并推导出沥青与矿料表面的粘附模型以及水损坏模型。潘宝峰[26]提出以松弛模量作为沥青混合料动水压力损伤的宏观力学指标，并结合三轴试验研究了三向应力条件下路面材料在水与荷载藕合重复作用下的损伤过程。张鹏[27]针对夏季高温多雨地区沥青混合料在水-温-光(紫外线)耦合作用下的损伤特性开展了系统研究，阐明了不同级配沥青混合料在水-温-光循环中的损伤特性和演化规律。

3 国内外研究概况评述

3.1 盐蚀环境下沥青混合料性能劣化研究

由于除冰盐、融雪剂等含盐类物质在世界范围内的使用，国内外在该领域的研究多集中在氯盐对沥青混合料宏观性能的劣化方面，而在室内外试验层面上尚未形成统一的测试装置、试验方法与评价指标，难以对研究成果进行有效关联，且研究成果的适用性亦有待评判。

与氯盐相比，硫酸盐在道路工程中造成的损害更为严重。然而国外对硫酸盐侵蚀环境下沥青混合料耐久性劣化研究未见报道；在国内，也仅有笔者与极少数研究者在沥青混合料硫酸盐侵蚀损伤方面开展了初步试验研究，其评价体系亟需完善。

3.2 盐蚀条件下沥青混合料损伤机理研究

在沥青混合料损伤机理研究方面，国内外多集中于水-温-热-光-力单因素或多因素共同作用下的机理探讨，鲜有考虑盐蚀与其他因素耦合作用下沥青混合料的损伤演化机制，亦无法阐明盐蚀地区沥青混合料的工作本质。

沥青混合料是一种典型多相复合材料，其内部细观结构在很大程度上决定其宏观力学行为。传统采用经验和试验相结合的沥青混合料设计方法属于偏重于宏观角度的范畴，其忽略了沥青混合料材料内部的复杂细观结构，难以揭示材料的每一组分在整体材料中所起到的作用，更无法解决盐蚀环境下沥青路面出现的各类损坏。因此，唯有采用宏细观相结合的方法，明确沥青混合料内部结构与宏观特性之间的相互关系，才能合理优化沥青混合料的材料设计。

4 结论

1) 纵观近年来与盐蚀环境下沥青混合料耐久性劣化相关的研究，可以发现：(1) 尚未形成统一的盐蚀(以硫酸盐和氯盐为代表)作用下的沥青混合料性能劣化测试装置、试验方法与评价指标；(2) 鲜有针对盐蚀条件下水-温-热-光-力多因素耦合作用下的沥青混合料耐久性劣化机制研究；(3) 已有研究多集中于宏观层面，鲜有细观层面或微观层面分析；(4) 鲜有针对硫酸盐侵蚀条件下沥青混合料耐久性劣化进行的研究。

2) 目前，基于数字图像技术的沥青混合料计算机辅助设计是一种前瞻性技术，在美国被预测为“下一代基础设施材料研究”“基于系统的分析建模和设计方法”。同时，应用工业计算机断层扫描获取沥青混合料结构组成数字图像信息的技术不断取得新的进展，从而为材料细观结构的精确量测和数字表述提供了有效手段。为此，可借助计算机断层扫描技术和数字图像处理技术，并结合数值模拟方法，捕捉宏观层次、室内试验无法获取和测量的沥青混合料各相介质间的细观响应。

3) 为从根本上提高富盐环境下沥青混合料耐久性，延长其服役寿命，系统开展宏-细观层次上盐-水-温-热-光-力多因素耦合作用下沥青混合料耐久性劣化研究十分必要。

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Progress of Study on Degradation of Durability of Asphalt Mixture under Saline Corrosion Environment

XIONG Rui1, WANG Lu2, YANG Fa3, GUAN Bowen1

The salt corrosion environment has popular and direct degradation to durability of asphalt mixture. This paper summarizes domestic and overseas study results regarding degradation of salt corrosion durability of asphalt mixture, and illustrates the problems existing in asphalt mixture saline corrosion degradation research and suggests direction and method in studies in this field.

road project; asphalt mixture; sulphate corrosion; chloride corrosion; performance degradation

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.009

国家自然科学基金项目(51608046);中国博士后科学基金项目(2014M550476)；青海省重大科技专项(2014-GX-A2A)

2016-07-07

熊 锐(1982-)，男，河南省罗山县人，博士，讲师。

1009-6477(2016)05-0032-04

U416.217

A