盐蚀作用下沥青混合料路用性能劣化规律研究

徐 霈， 吴 强， 李婵婵， 杨旭东

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.招商局公路网络科技控股股份有限公司， 北京 100022；3.招商中铁控股有限公司， 南宁 530000)

我国沿海地区沥青路面长期受到盐雾作用的影响，不可避免地会造成其耐久性变差，由于外部多种因素的耦合作用，沿海沥青路面往往在通车后短期就会发生严重的破坏[1-2]。当盐雾凝结于沥青路面，在车辆荷载作用下盐分进一步渗入沥青路面内部，加之动水压力作用，最终导致沿海沥青路面更易出现早期病害[3]。因此，盐雾侵蚀作用不仅会降低沥青混合料的黏聚作用，导致整体强度下降，且更易出现早期病害，如松散、坑槽等也会极大影响路面的服役寿命及服务水平。

目前，关于盐蚀作用对于沥青路面影响的研究多是从融雪和除冰盐的角度进行考虑的。Wang等[4-5]研究了盐蚀条件下冻融循环对沥青-集料界面粘附力的影响，结果表明随着冻融循环和盐浓度的增加，沥青-集料界面间的黏附功减小。熊锐等[6-7]采用干湿循环条件下加速沥青混合料在硫酸盐溶液中的侵蚀，发现硫酸盐溶液相比于纯水更易浸入沥青与集料界面，进而削弱了沥青混合料的水稳定性及结构稳定性，而水镁石纤维的掺加可起到良好的稳定、增强和补强作用，进而提高了沥青混合料的耐久性。Shi等[8]探究了在非氯化物除冰剂侵蚀条件下，纳米粘土对沥青混凝土性能劣化的影响，认为使用少量纳米粘土可提高沥青混合料的抗剥落性和水稳定性[9]。Cui等[10-11]研究了盐溶液中冻融循环对沥青结合料常规性能、流变性能和微观结构的影响，发现经过冻融循环后沥青的高低温性能都有不同程度的下降。

然而，目前对于沿海环境对沥青路面影响的考虑可参考的资料较少，沥青路面的设计理念并没有考虑盐蚀环境的影响，使其难以从根本上解决沿海地区沥青路面的耐久性问题。虽然已有学者模拟沥青路面所处的盐蚀环境，也对盐蚀及环境耦合作用下沥青混合料的性能演化进行了研究[12-13]，但多是考虑了融雪盐、除冰盐等的影响，缺乏对沿海含盐高湿环境的模拟及相应研究。因此，本文充分考虑沥青路面在干湿循环作用下的盐蚀环境，对盐蚀作用下沥青混合料路用性能演化规律进行研究。

1 原材料与试验设计

1.1 原材料及其技术性质

依据公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)[14]以及《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[15]，本文采用3% SBS改性沥青制备沥青混合料试件，其技术性质如表1所示。选择密级配沥青混合料AC-13作为集料级配类型，集料和矿粉均为石灰岩，级配组成如表2所示。以4%作为设计孔隙率制备成型3组试件：标准马歇尔试件、车辙板试件以及小梁试件，以测试沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性[14]。

表1 SBS沥青结合料技术性质Table 1 Properties of SBS asphalt binder

表2 集料的级配组成Table 2 Gradation of aggregates

1.2 试验方案及相应指标

1.2.1 盐蚀环境模拟及试验条件

为模拟临海盐蚀环境，考虑海盐中氯盐占比80%以上，硫酸盐占比10%以上，采用NaCl与NaSO4配比8.5∶1.5制备浓度为0%(纯水)、5%、10%、15%的混合盐溶液以模拟盐蚀环境。

1.2.2 盐蚀环境下沥青混合料路用性能试验与相应指标

1) 干湿循环

将每组试件置于4种浓度的混合溶液中分别进行0、4、8、12、16次干湿循环，其中设定一次循环的程序为：将待测试试件置于30 ℃混合溶液中12 h充分饱水，然后将试件置于30 ℃恒温烘箱中干燥12 h。其中30 ℃参考我国沿海地区年平均极端温度。

2) 冻融循环

将每组试件置于4种浓度的混合溶液中并用塑料袋密封，分别进行0、4、8、12、16次冻融循环，其中设定一次循环的程序为：将待测试试件连同塑料袋置于-20 ℃冰箱中12 h充分冷冻，然后将试件连同塑料袋置于30 ℃恒温烘箱中12 h。其中-20 ℃ 和30 ℃参考我国沿海地区年平均极端温度。

3) 性能测试

将上述受盐蚀-干湿循环及盐蚀-冻融循环作用的试件分别进行以下性能测试：(1) 车辙板试件采用车辙试验测试其高温稳定性能；(2) 小梁试件采用低温弯曲试验测试其低温抗裂性能；(3) 标准马歇尔试件采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验测试其水稳定性能。

车辙板试件、小梁试件以及马歇尔试件分别进行车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。

2 测试结果与分析

2.1 盐蚀作用下沥青混合料高温性能变化规律

沥青混合料的高温性能变化规律如图1所示。

图1 沥青混合料高温性能随干湿循环及冻融循环作用次数的变化规律Fig.1 Variation of high-temperature performance of asphalt mixture with the dry-wet cycles and freeze-thaw cycles

由图1(a)可以看出，随着干湿循环作用次数的增大，沥青混合料的动稳定度降低；经16次干湿循环作用后，动稳定度最终下降11%～16%；此外，随着盐溶液浓度的增大，动稳定度呈下降趋势，当浓度达到10%时，动稳定度下降幅度最大，浓度达到15%时，动稳定度下降幅度逐渐趋于平缓；相较于纯水环境，15%盐溶液条件下沥青混合料的动稳定度最终下降18%～24%。由图1(b)可以看出，在冻融循环作用下，动稳定度显示出相似的规律，且随着干湿及冻融循环作用次数的增大，动稳定度下降幅度减小；相较于未经冻融循环作用的沥青混合料，经16次冻融循环作用后，动稳定度最终下降15%～18%；相较于纯水环境，15%盐溶液条件下沥青混合料的动稳定度最终下降达18%～22%。因此，盐溶液对沥青混合料的高温性能有不利影响，由于盐晶体在沥青混合料内部结晶膨胀产生压力，导致内部损伤。损伤逐步累积破坏了沥青混合料的结构，导致整体强度下降。此外，盐晶体在60 ℃高温条件下融化，相当于其作为润滑剂降低了沥青混合料颗粒间的摩擦阻力，也进一步降低了沥青混合料的结构强度，导致其高温性能下降。

2.2 盐蚀作用下沥青混合料低温性能变化规律

沥青混合料的低温抗裂性能变化规律如图2所示。

图2 沥青混合料低温性能随干湿循环及冻融循环作用次数的变化规律Fig.2 Variation of low-temperature performance of asphalt mixture with the dry-wet cycles and freeze-thaw cycles

由图2(a)可以看出，随着干湿循环作用次数的增大，沥青混合料的破坏应变有所降低；经16次干湿循环作用以后，破坏应变最终下降25%～33%；此外，随着盐溶液浓度的增大，破坏应变降低，当浓度达到10%时，破坏应变下降幅度最大，浓度达到15%时，破坏应变下降幅度逐渐趋于平缓；相较于纯水环境，15%盐溶液条件下沥青混合料的破坏应变最终下降26%～31%。由图2(b)可以看出，在冻融循环作用下，破坏应变呈现出相似的规律，且随着干湿及冻融循环作用次数的增大，破坏应变的降低趋于稳定；相较于未经冻融循环作用的沥青混合料，经16次冻融循环作用以后，破坏应变最终下降33%～45%；相较于纯水环境，15%盐溶液条件下沥青混合料的动稳定度最终下降达23%～35%。因此，盐溶液对沥青混合料的低温抗裂性具有消极影响。由于盐蚀作用会加速沥青混合料中沥青的老化，导致沥青的刚度模量增大，沥青变脆、变硬，抗变形能力降低，且由于沥青的老化，致使沥青与集料间的粘附力降低，破坏应变降低。此外，由于盐结晶的膨胀压力，沥青混合料内部产生微裂纹，致使破坏应变减小。

2.3 盐蚀作用下沥青混合料水稳性能变化规律

沥青混合料的水稳定性能变化规律如图3所示。

图3 沥青混合料水稳定性随干湿循环及冻融循环作用次数的变化规律Fig.3 Variation of water stability of asphalt mixture with the dry-wet cycles and freeze-thaw cycles

由图3(a)、(b)可知，未经盐蚀作用的沥青混合料经干湿循环及冻融循环作用，其残留稳定度及劈裂强度比TSR下降幅度较小，其水稳定性仍满足规范要求。然而，在16次干湿循环作用后，盐蚀条件下的沥青混合料的残留稳定度及劈裂强度比降低了10%～20%及20%～30%，已不能满足规范不低于80%及75%的最低要求；由图3(c)、(d)可以看出，在16次冻融循环后，盐溶液侵蚀的沥青混合料的残留稳定度及劈裂强度比较纯水组分别下降20%～25%和37%～36%，也无法满足规范不低于80%及75%的最低要求。由于冻融循环环境恶劣，盐蚀-冻融循环作用的沥青混合料水稳定性下降幅度大于盐蚀-干湿循环作用的沥青混合料；随着盐溶液浓度的增加，各项水稳定性能指标均呈下降趋势，当浓度为10%时，水稳定性能指标下降幅度最大。

因此，盐溶液对沥青混合料的水稳定性能具有不利影响。由于Na+与石灰岩碱性骨料反应生成硅酸盐凝胶，显著降低了沥青与骨料间的附着力。相较于水分，盐溶液更易于侵入沥青与集料间的界面，这将加速沥青与集料界面的剥离。而冻融作用下，冰冻膨胀导致沥青-集料界面强度降低。此外，沥青混合料内部的微裂纹加剧了盐分的侵蚀，最终导致了沥青混合料水稳定性的大幅削减。

3 结论

本文采用室内加速盐蚀试验模拟临海区域盐蚀环境，将沥青混合料试件置于NaCl与NaSO4不同浓度混合溶液中进行干湿循环及冻融循环，以研究盐蚀作用下沥青路面的性能劣化规律，得到如下主要结论：

1) 随着干湿循环及冻融循环作用次数的增大，沥青混合料的路用性能均出现不同程度的劣化，尤其是低温抗裂性及水稳定性下降严重。然而，随着循环作用次数的增大，沥青混合料的路用性能劣化幅度趋于减缓。

2) 相较于纯水环境条件下，沥青混合料在盐溶液中的性能劣化加速，当盐溶液浓度为10%时，沥青混合料各项性能指标下降幅度最大。因此，考虑最不利因素情况，推荐在浓度为10%的NaCl与NaSO4混合溶液中进行干湿及冻融循环，以加速模拟沿海地区沥青路面在盐蚀环境下的状态。