鹽霧環(huán)境作用周期變化對瀝青混合料性能影響研究

趙麗華，曾勇銀，高 亮

（1.北京交通大學(xué) 軌道工程 北京市重點(diǎn)實驗室，北京 100044； 2.大連交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 3.成都地鐵運(yùn)營有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

我國的道路設(shè)施存在過度使用、養(yǎng)護(hù)不足，在設(shè)計年限內(nèi)較早破壞的情況。據(jù)調(diào)查，在濱海地區(qū)由于受到高鹽、高濕以及凍融循環(huán)等多重影響，道路設(shè)施的早期破壞現(xiàn)象尤為突出［1］。因此，研究濱海鹽霧環(huán)境作用周期變化對瀝青混合料性能侵蝕的影響具有現(xiàn)實意義。

在鹽霧環(huán)境作用下，路表面的濕度呈現(xiàn)周期變化，隨著水分子的蒸發(fā)，鹽分逐漸集聚并不斷浸入瀝青-骨料界面，對瀝青混合料性能造成不可恢復(fù)的影響。國內(nèi)外學(xué)者主要針對海洋環(huán)境侵蝕水泥混凝土性能方面開展了大量研究［2-3］，而對瀝青混合料性能影響的研究主要集中在融雪劑、除冰鹽及鹽漬土等含鹽類物質(zhì)侵蝕方面。王嵐［4］分析了除冰鹽-凍融循環(huán)耦合作用對瀝青混合料抗裂性的影響，獲得了影響瀝青混合料抗裂性的主要因素為膠凝材料種類、凍融循環(huán)次數(shù)和鹽液濃度。張苛［5］通過對比試驗得出，干濕循環(huán)方式最能體現(xiàn)鹽溶液對瀝青混合料的性能劣化作用。王璐軍［6］等人比較了3種除冰鹽 （CaCl2、MgCl2、NaCl）的除冰效果，并分別測定了凍融循環(huán)前后瀝青混合料劈裂強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，研究表明3種除冰鹽對瀝青路面性能的影響程度為：MgCl2最強(qiáng)，NaCl最弱。崔亞楠［7］利用掃描電子顯微鏡和單軸動態(tài)模量試驗對自融雪瀝青混合料凍融前后的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及高溫穩(wěn)定性進(jìn)行研究，結(jié)果表明凍融循環(huán)后自融雪瀝青混合料的界面結(jié)構(gòu)比普通瀝青混合料致密，同時具有良好的高溫穩(wěn)定性。馮新軍［8］等采用兩種pH的酸雨溶液浸泡試件，測試瀝青混合料的路用性能，研究表明酸性溶液會加速瀝青混合料的破壞。孫國紅［9］通過對河套鹽漬土地區(qū)公路服役狀況分析，認(rèn)為鹽漬土的鹽脹作用引起了公路的沉陷、車轍、溶洞等病害。綜上所述，瀝青混合料的耐鹽腐蝕研究得到了一定開展，但鹽漬土或除冰鹽所含鹽分的組成、濃度、作用于瀝青混合料的方式與濱海鹽霧環(huán)境均有較大差別，鹽霧對瀝青混合料性能的影響研究還處于起步階段。本文在前期研究［10］基礎(chǔ)上，設(shè)計室內(nèi)鹽霧侵蝕環(huán)境，分析經(jīng)歷一定周期鹽霧環(huán)境作用后，瀝青混合料的水穩(wěn)定性、低溫抗裂性和耐久性變化規(guī)律，為濱海地區(qū)合理選擇瀝青混合料類型及確定養(yǎng)護(hù)時機(jī)提供建議。

1 試驗方案設(shè)計

通過調(diào)研季凍氣候區(qū)的濱海鹽霧環(huán)境，借鑒中性鹽霧試驗條件［11-14］，設(shè)計室內(nèi)鹽霧試驗環(huán)境。本研究的室內(nèi)鹽霧試驗環(huán)境為：配置5%的NaCl溶液噴灑鹽霧，溶液p H為7.0，鹽霧噴灑過程中，保持噴射速率穩(wěn)定、適中。設(shè)定試驗箱內(nèi)的鹽霧恒定溫度為35℃，恒定濕度為95%，試件與垂直方向角度為20°。為了研究鹽霧環(huán)境作用時間變化對瀝青混合料性能的影響，檢測瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性能前，試件首先在鹽霧養(yǎng)護(hù)箱中放置5、10、15、20、25 d。檢測瀝青混合料耐久性時，養(yǎng)護(hù)環(huán)境設(shè)計為：35℃的鹽霧環(huán)境放置12 h，之后放入-18℃冰柜冷凍12 h，循環(huán)次數(shù)為5、10、15、20、25次。經(jīng)過鹽霧環(huán)境作用后的試件按照標(biāo)準(zhǔn)試驗方法開展低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及耐久性試驗。

本試驗以工程中常用的瀝青混合料：改性瀝青SMA-13、改性瀝青AC-13、基質(zhì)瀝青AC-13為研究對象，采用小梁彎曲試驗測試3種瀝青混合料的低溫抗裂性能，采用凍融劈裂試驗測試鹽霧環(huán)境對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，采用凍融循環(huán)劈裂試驗測試鹽霧環(huán)境對瀝青混合料耐久性的影響，并設(shè)置未經(jīng)鹽霧環(huán)境作用的試件進(jìn)行對比。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 鹽霧環(huán)境作用周期變化對瀝青混合料低溫性能影響

3種瀝青混合料試件在鹽霧養(yǎng)護(hù)箱 （35℃）中放置5、10、15、20、25 d后，在-10℃環(huán)境下做低溫彎曲試驗，并設(shè)置未經(jīng)鹽霧環(huán)境作用的小梁試件做對比，研究瀝青混合料在鹽霧環(huán)境下隨著作用時間的增長其低溫性能的變化規(guī)律。試驗結(jié)果如表1所示。

試驗結(jié)果分析：

a.隨著鹽霧作用天數(shù)的增加，3種瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度都呈現(xiàn)不同程度的下降。與對比試件比較，鹽霧作用周期從5、10、15、20和25 d的變化過程中，基質(zhì)瀝青AC-13的低溫抗彎拉強(qiáng)度分別下降：12.2%、17.7%、23.1%、32.7%、40.8%；改性瀝青AC-13的低溫抗彎拉強(qiáng)度分別下降：13.7%、18.6%、21.1%、26.1%、33.5%；改性瀝青SMA-13的低溫抗彎拉強(qiáng)度分別下降：7.0%、12.5%、17.2%、21.1%、25.0%。經(jīng)歷鹽霧環(huán)境作用后，改性瀝青SMA-13的低溫抗彎拉強(qiáng)度降低幅度最小。

表1 不同鹽霧作用時間的小梁彎曲試驗結(jié)果Table 1 Test results of small beam bending test with different action time in salt spray environment

b.在鹽霧環(huán)境下，隨著作用時間的增加，3種瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變都呈現(xiàn)下降趨勢；比較三者最大彎拉應(yīng)變值，改性瀝青SMA-13降低幅度最小，表現(xiàn)出良好的低溫韌性。

c.3種瀝青混合料在鹽霧環(huán)境作用時間較短時，其低溫性能均能滿足規(guī)范要求。

為了研究鹽霧環(huán)境作用時間對瀝青混合料低溫彎拉應(yīng)變的影響，對試驗結(jié)果進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如表2、圖1所示。

由回歸曲線和擬合方程可知，改性瀝青AC-13、基質(zhì)瀝青AC-13低溫彎曲試驗的最大彎拉應(yīng)變與鹽霧環(huán)境作用時間成線性相關(guān)，改性瀝青SMA-13的回歸曲線更接近二次拋物線，但都隨鹽霧環(huán)境作用時間增加，瀝青混合料的低溫最大彎拉應(yīng)變降低，表明隨著鹽霧環(huán)境作用時間延長，瀝青混合料的低溫韌性逐漸降低，抵抗低溫性能能力逐漸減弱。3種瀝青混合料相比，改性瀝青SMA-13回歸曲線下降的速率趨緩，表明其對鹽霧環(huán)境作用時間敏感性較低。

表2 低溫試驗結(jié)果的回歸方程Table 2 Regression equation for low temperature test results

圖1 低溫試驗結(jié)果的回歸曲線Figure 1 Regression curve of low temperature test results

2.2 鹽霧環(huán)境作用周期變化對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

3種瀝青混合料試件在鹽霧養(yǎng)護(hù)箱中放置5、10、15、20、25 d后，做凍融劈裂試驗，并設(shè)置未經(jīng)鹽霧環(huán)境養(yǎng)護(hù)的凍融劈裂試件做對比，研究瀝青混合料在鹽霧環(huán)境下隨著作用時間的增加其水穩(wěn)定性能的變化規(guī)律。試驗結(jié)果如表3所示。

試驗結(jié)果分析：

a.在35℃鹽霧環(huán)境作用不同時間后，3種瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度都明顯降低。與對比組試件相比，經(jīng)過鹽霧環(huán)境作用5、10、15、20和25 d后，基質(zhì)瀝青AC-13的凍融劈裂強(qiáng)度分別下降了4.0%、11.9%、22.5%、31.1%、35.1%；改性瀝青AC-13的凍融劈裂強(qiáng)度分別下降了2.3%、11.0%、20.3%、27.3%、30.8%；改性瀝青SMA-13的凍融劈裂強(qiáng)度分別下降了5.5%、14.5%、17.9%、21.4%、26.9%。3種瀝青混合料比較，改性瀝青SMA-13經(jīng)歷鹽霧作用后其凍融劈裂強(qiáng)度下降幅度略小。

b.中性鹽霧環(huán)境作用15 d后，瀝青混合料的水穩(wěn)定性已經(jīng)不能滿足規(guī)范要求。

為了研究鹽霧環(huán)境作用周期對瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度的影響趨勢，對上述試驗結(jié)果進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如表4、圖2所示。

表3 不同鹽霧作用時間的凍融劈裂試驗結(jié)果Table 3 Test results of freeze-thaw splitting test with different action time in salt spray environment

表4 水穩(wěn)定試驗結(jié)果的回歸方程Table 4 Regression equation for water stability test results

圖2 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果的回歸曲線Figure 2 Regression curve of water stability test results

由回歸曲線和擬合方程可知，3種瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度與鹽霧環(huán)境作用時間成線性相關(guān)，且都隨鹽霧環(huán)境作用時間增加，其凍融劈裂強(qiáng)度降低，表明瀝青混合料抵抗水損害的能力逐漸減弱。3種瀝青混合料相比，改性瀝青SMA-13回歸曲線下降的速率更趨平緩，表明其對鹽霧環(huán)境作用時間敏感性略低。

2.3 鹽霧環(huán)境作用周期變化對瀝青混合料耐久性的影響

鹽環(huán)境對瀝青混合料耐久性的劣化作用具有直接性和普遍性［15］。3種瀝青混合料試件在鹽霧養(yǎng)護(hù)箱中固定作用溫度為35℃保溫12 h，放入-18℃冰柜冷凍12 h，凍融次數(shù)分別為5、10、15、20、25次。凍融循環(huán)后的試件，按照試驗規(guī)程做凍融劈裂試驗，并設(shè)置與未經(jīng)鹽霧環(huán)境作用的凍融劈裂試件做對比，評價瀝青混合料受鹽霧侵蝕的耐久性，試驗結(jié)果如表5所示。

試驗結(jié)果分析：

a.在鹽霧環(huán)境下，隨著凍融次數(shù)的增加，3種瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度在初期有一定程度的上升，凍融循環(huán)10次后劈裂強(qiáng)度開始不斷降低。3種混合料相比，改性瀝青AC-13具有略高的凍融劈裂強(qiáng)度。

b.與對比組試件相比，經(jīng)歷鹽霧-凍融作用5、10、15、20和25次后，基質(zhì)瀝青AC-13凍融劈裂強(qiáng)度比分別為：102%、73%、63%、52%和37%；改性瀝青AC-13凍融劈裂強(qiáng)度比分別為：102%、80%、69%、58%和49%；改性瀝青SMA-13凍融劈裂強(qiáng)度比分別為：106%、86%、76%、68%和54%。3種混合料對比，改性瀝青SMA-13的凍融劈裂強(qiáng)度比下降幅度小。

c.瀝青混合料隨著凍融次數(shù)的增加，由于鹽霧的侵蝕作用，鹽溶液不斷向混合料內(nèi)部滲透，隨著鹽溶液濃度的增加，在混合料孔隙內(nèi)不斷有NaCl晶體析出，減小了瀝青混合料的空隙率，從一定程度上提升了瀝青混合料抵抗劈裂破壞的能力。凍融5次時，3種瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比分別為102%、102%和106%。隨著結(jié)晶作用的加強(qiáng)，對瀝青混合料產(chǎn)生正應(yīng)力，隨著應(yīng)力的增加導(dǎo)致瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的下降，在凍融循環(huán)10次以上3種瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度明顯下降。

d.鹽霧與溫度耦合作用后，為保證路面的正常使用，在凍融循環(huán)10次左右宜加強(qiáng)濱海地區(qū)瀝青路面的維護(hù)和保養(yǎng)工作。

為研究鹽霧環(huán)境下隨著凍融循環(huán)次數(shù)的的增加，3種瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度的長期變化趨勢，結(jié)合現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)結(jié)果做回歸分析如表6、圖3所示。

表6 耐久性試驗結(jié)果的回歸方程Table 6 Regression equation for durability test results

圖3 耐久性試驗結(jié)果的回歸曲線Figure 3 Regression curve of durability test results

由回歸曲線和擬合方程可知，3種瀝青混合料凍融循環(huán)后的劈裂強(qiáng)度與鹽霧環(huán)境凍融循環(huán)次數(shù)成線性相關(guān)，且都隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度降低，3種瀝青混合料相比，改性瀝青SMA-13回歸曲線下降的速率更趨平緩，其耐久性能略好。

3 鹽霧環(huán)境對瀝青混合料侵蝕作用的機(jī)理分析

瀝青混合料在高濃度腐蝕環(huán)境下，短時間內(nèi)，其浸水殘留穩(wěn)定度略有提高，但隨著凍融次數(shù)的增加高濃度鹽環(huán)境將加速瀝青混合料的侵蝕作用［16］。劈裂試驗后，從試件斷口處取代表性試樣進(jìn)行SEM觀測，細(xì)觀形貌如圖4所示?？梢钥闯?，在試件斷口處聚集了鹽分并產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象，劈裂斷口從此處開始并向內(nèi)部擴(kuò)展，表明濱海鹽霧環(huán)境服役的瀝青混凝土表面及開口空隙中會有鹽分聚集，從而影響材料強(qiáng)度和耐久性。耐久性試驗時，瀝青混合料在經(jīng)過凍融循環(huán)后析出了白色晶體，這些白色晶體存在于瀝青混合料裂縫處，表明在凍融循環(huán)作用下，鹽溶液聚集并沿著裂縫進(jìn)入到了混合料孔隙中，給周圍施加結(jié)晶壓作用。瀝青混合料內(nèi)部一方面受到來自溶液結(jié)冰體積膨脹的壓力，另一方面受到鹽溶液結(jié)晶的結(jié)晶壓力，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的耐久性降低，使用壽命變短，將加速瀝青混合料的侵蝕破壞。建議在濱海地區(qū)宜定期灑水以降低路面鹽分含量來提高路面耐久性。

圖4 細(xì)觀形貌照片F(xiàn)igure 4 The photos of Mesoscopic morphology

4 結(jié)論

本文通過對比試驗，分析了經(jīng)歷一定周期鹽霧環(huán)境作用后，改性瀝青SMA-13、改性瀝青AC-13、基質(zhì)瀝青AC-13這3種瀝青混合料的水穩(wěn)定性、低溫抗裂性和耐久性變化規(guī)律，結(jié)論如下：

a.經(jīng)歷不同時間的鹽霧環(huán)境作用后，3種瀝青混合料的低溫抗拉強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度均明顯降低，且隨著鹽霧作用時間增長、凍融循環(huán)次數(shù)增加，瀝青混合料的強(qiáng)度降低明顯。研究表明，高溫、高濕鹽霧環(huán)境對瀝青混合料的低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和耐久性影響顯著。

b.3種瀝青混合料在不同鹽霧作用周期后的性能對比，改性瀝青AC-13具有更高的低溫抗拉強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度；改性瀝青SMA-13的強(qiáng)度比降低幅度最小，對鹽霧作用周期的敏感性最低，具有更穩(wěn)定的耐鹽霧侵蝕能力。

c.鹽霧環(huán)境作用時間超過15 d后，瀝青混合料試件的凍融劈裂強(qiáng)度比降幅超過規(guī)范限值，3種瀝青混合料的水穩(wěn)定性已不滿足規(guī)范要求。凍融循環(huán)超過10次后，3種瀝青混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比接近規(guī)范限值。在夏熱冬冷濱海地區(qū)應(yīng)開發(fā)耐鹽霧侵蝕能力更好的瀝青混合料。

d.分析鹽霧侵蝕機(jī)理認(rèn)為：鹽溶液滲入混合料孔隙不斷積累和冰凍作用，形成結(jié)晶壓和結(jié)冰膨脹壓，導(dǎo)致瀝青混合料破壞。結(jié)合濱海地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，宜加強(qiáng)道路路面的日常養(yǎng)護(hù)工作。