融雪鹽對瀝青混合料的腐蝕作用研究

張文剛，王 芳，丁龍亭

(1.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255000； 2.山東理工大學 物理與光電工程學院，山東 淄博 255000； 3.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

融雪鹽被廣泛應用于道路的除雪工作中[1-2]，主要成分為氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、氯化鉀等，以氯化鈉為主。融雪鹽具有可溶性、吸潮性、冰點低等特性[3]。融雪鹽溶于水后，水中離子濃度上升使水的液相蒸氣壓下降，但冰的固態(tài)蒸氣壓不變，達到冰水混合物固液蒸氣壓相等的狀態(tài)，冰便溶化，這對于道路行駛安全十分有利[4-5]。但氯化鈉本身是有腐蝕性的[6-7]，大量的氯化物殘留在瀝青路面的孔隙中，會對路面造成嚴重的腐蝕。Peng 等[8]指出，氯化鈉融雪鹽可以提高瀝青膠凝材料的高溫性能，但低溫下會變得更脆。Kalevi等[9]發(fā)現(xiàn)氯化鈉融雪鹽可以影響瀝青中芳香烴的數(shù)量和質量。黃民如等[10]通過室內試驗發(fā)現(xiàn)氯化鈉融雪鹽降低了瀝青混合料的高溫性及水穩(wěn)定性。 查湘義[11]對比了氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣等不同類型融雪劑，發(fā)現(xiàn)氯化鈉對瀝青延度的影響最大。曹恒濤等[12]通過體積濃度為0.25 g/mL的氯化鈉溶液對瀝青混合料進行浸泡試驗，檢測結果顯示瀝青混合料的各項路用性能均呈現(xiàn)出不同程度的下降。 劉寶奎[13]利用凍融循環(huán)試驗分析了多種融雪鹽對瀝青混合料性能的影響，發(fā)現(xiàn)氯化鈉融雪鹽對混合料凍融劈裂殘留強度百分比影響最大。 馬晨[14]認為氯鹽溶液濃度越高，瀝青混合料各類性能下降幅度越大。Tang等[15]發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)過程中融雪鹽的存在對瀝青混凝土腐蝕嚴重，鹽濃度影響顯著。Xu 等[16]發(fā)現(xiàn)含有氯化鈉的抑冰材料能夠降低瀝青混合料的抗車轍性能、水穩(wěn)定性和低溫彎曲性能。?zgan等[17]對不同鹽濃度腐蝕下的瀝青混合料馬歇爾試件進行測試，發(fā)現(xiàn)4、3、2 mmol/L的氯化鈉溶液對瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度的降低率分別為13.7%、11.22%和10.28%。

筆者利用氯化鈉融雪鹽制備了不同濃度的溶液，并對不同瀝青混合料進行了干濕循環(huán)腐蝕試驗。著重研究了融雪鹽濃度、干濕循環(huán)次數(shù)與瀝青混合料路用性能之間的關系，為降低融雪鹽腐蝕提供理論參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 原材料

采用的SBSI-C改性瀝青和TPS改性瀝青均為山東高速物資儲運有限公司生產(chǎn)，其技術指標見表1。集料采用玄武巖，礦粉采用石灰?guī)r，其技術指標見表2。

表1 瀝青技術性能Table 1 Performance of asphalts

表2 集料與礦粉主要技術指標Table 2 Performance of aggregate and mineral powder

利用SBSI-C改性瀝青、玄武巖和礦粉制備SMA-13及AC-13，級配均為規(guī)范中值；利用TPS改性瀝青、玄武巖和礦粉制備OGFC-13，級配曲線見圖1。3種瀝青混合料空隙率(VV)、動穩(wěn)定度(DS)、殘留穩(wěn)定度(MS′)、凍融劈裂殘留強度百分比(TSR)和破壞應變(εB)等技術指標見表3。

圖1 級配曲線Figure 1 Gradation curve

表3 瀝青混合料技術性能Table 3 Performance of asphalt mixtures

1.2 試驗方法

采用融雪鹽和純凈水配置氯鹽質量分數(shù)分別為0%、5%、10%、15%、20%的溶液備用，將待測試件分別置入25 ℃的不同質量分數(shù)溶液中浸泡12 h，取出后置于干燥箱中，常溫干燥12 h。完成上述一次過程為一個循環(huán)，試驗過程中循環(huán)次數(shù)分別為0、10、20、30、40次。圖2為瀝青混合料腐蝕前及20%氯鹽溶液干濕循環(huán)腐蝕40次后外觀形態(tài)對比圖。

圖2 腐蝕前及干濕循環(huán)腐蝕40次后瀝青混合料的外觀形態(tài)Figure 2 Photos of asphalt pavement before and after 40 times drying and watering cycle corrosion

從圖2可以看出，腐蝕后瀝青混合料變得暗淡，并在試件表面覆蓋了些許析出的晶體。

氯鹽溶液干濕循環(huán)試驗結束后，對待測試件分別進行DS、MS′、TSR和εB等指標的測試，探索氯鹽腐蝕對瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律。

2 融雪鹽對瀝青混合料路用性能的影響

2.1 高溫性能

高溫性能的優(yōu)劣直接影響到瀝青混合料抗車轍的能力，對經(jīng)歷不同融雪鹽質量分數(shù)及干濕循環(huán)腐蝕作用后的瀝青混合料進行車轍試驗，并將試驗結果匯總至圖3。

圖3 融雪鹽濃度、干濕循環(huán)腐蝕次數(shù)與動穩(wěn)定度關系曲線Figure 3 The relationship among DS, concentration of melting snow salt solution and drying-watering cycle times

從圖3可以看出，對于不同混合料類型(SMA-13、AC-13)，融雪鹽溶液腐蝕后的動穩(wěn)定度的變化規(guī)律相似:在相同干濕循環(huán)腐蝕次數(shù)下，融雪鹽質量分數(shù)越高，動穩(wěn)定度降低的程度越大；當融雪鹽溶液質量分數(shù)相同時，干濕循環(huán)次數(shù)越大，瀝青混合料的動穩(wěn)定度降低程度越大。

雖然TPS改性瀝青具有較好的耐腐蝕性，OGFC-13高溫性能受腐蝕的影響卻更明顯，在較低質量分數(shù)及較少的腐蝕次數(shù)下，動穩(wěn)定度的降低程度明顯高于SMA-13與AC-13。原因可能與OGFC-13空隙率較大、腐蝕物質滲透容易有關。

DS與瀝青質量及級配關系較大，由于腐蝕前后級配并未發(fā)生變化，其必然是瀝青遭受融雪鹽的侵蝕而造成的。 融雪鹽通過對瀝青的飛散作用劣化了其感溫性，且Na+一定程度上破壞了改性瀝青的網(wǎng)狀結構，降低了軟化點，從而使得瀝青混合料的高溫性能遭到了一定程度的破壞。

2.2 低溫性能

低溫性能主要反映瀝青混合料抵抗低溫裂縫的能力。對不同融雪鹽質量分數(shù)及干濕循環(huán)腐蝕后瀝青混合料進行低溫彎曲試驗，結果見圖4。

圖4 融雪鹽質量分數(shù)、干濕循環(huán)腐蝕次數(shù)與低溫破壞應變關系曲線Figure 4 The relationship among εB, concentration solution of melting snow salt solution and drying-watering cycle times

分析圖4發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)腐蝕次數(shù)增加，瀝青混合料破壞應變值越來越小；且隨著融雪鹽質量分數(shù)增大，瀝青混合料破壞應變值也越來越小。

造成低溫性能降低的原因有兩方面：一是試驗過程中NaCl晶體不斷析出，析出的晶體沿著瀝青混合料的內部空隙分布，最終產(chǎn)生混合料內部膨脹壓力，對瀝青混合料的力學性能產(chǎn)生了損害。 此外，殘存于瀝青混合料內部的水分由于蒸發(fā)作用不斷地沿孔隙向外遷移，加速了瀝青與集料的剝離，對瀝青混合料的水穩(wěn)定性產(chǎn)生了損害。 二是融雪鹽對瀝青具有侵蝕-飛散作用，當飛散力大于瀝青內部分子間作用力時，會產(chǎn)生絮狀物，劣化瀝青的感溫性，對低溫性能不利。 Na+與瀝青之間形成的化學吸附層，侵蝕著瀝青與集料界面，在一定程度上也造成了低溫性能的下降。

2.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是影響瀝青混合料耐久性的一項重要指標，對不同融雪鹽質量分數(shù)、干濕循環(huán)腐蝕作用次數(shù)下的瀝青混合料馬歇爾試件進行殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強度百分比的測試，結果見圖5。

從圖5看出，隨著干濕循環(huán)腐蝕次數(shù)增加，瀝青混合料的MS′和TSR越來越小；同時,隨著融雪鹽質量分數(shù)增大，瀝青混合料的MS′和TSR也越來越小。SMA-13與AC-13間未見有明顯區(qū)別，OGFC水穩(wěn)定性損失程度略高于另外兩種混合料。

造成瀝青混合料水穩(wěn)定性降低的主要原因是低價的Na+能夠與瀝青之間形成極不穩(wěn)定的化學吸附層，侵蝕瀝青與集料界面，引發(fā)瀝青薄膜局部脫落，顯著降低了瀝青與集料之間的黏附性，導致瀝青混凝土的水穩(wěn)定性降低。

在上述瀝青混合料高溫、低溫及水穩(wěn)定性等性能試驗中，空隙率的大小是瀝青混合料抵抗融雪鹽腐蝕的重要參數(shù)，空隙率越大，混合料的性能損失越大。其主要原因是空隙率決定著融雪鹽與瀝青混合料的接觸面積，空隙率越大，侵蝕-飛散作用更劇烈，侵蝕集料與瀝青界面也更容易；同時，Na+對瀝青的腐蝕及對改性瀝青網(wǎng)狀結構的破壞作用也越發(fā)嚴重。 因此，融雪鹽對空隙率大的瀝青混合料腐蝕更為嚴重。

3 瀝青混合料殘留路用性能預估

基于室內試驗數(shù)據(jù) ，分別對融雪鹽質量分數(shù)、干濕循環(huán)腐蝕次數(shù)與DS、εB、MS′、TSR之間的關系進行預估。

DS采用模型(1)，MS′和TSR采用模型(2)，εB采用模型(3)，分別對應式(1)、(2)、(3)：

P=aTb(c·C3+d·C2+f·C)+DS；

(1)

P=Te(a·C3+b·C2+c·C+d)；

(2)

P=aTb(c·C3+d·C2+f·C)+εB。

(3)

式中：P為腐蝕后殘留路用性能；C為融雪鹽質量分數(shù)；T為干濕循環(huán)腐蝕次數(shù);a、b、c、d、f為回歸系數(shù)。

按照式(1)～(3)對腐蝕后的各項路用性能進行擬合，結果見表4。上述公式可為制定減輕融雪鹽對路面的損害措施提供依據(jù)。

圖5 融雪鹽質量分數(shù)、干濕循環(huán)腐蝕次數(shù)與瀝青混合料水穩(wěn)定性關系Figure 5 The relationship among water stability, mass concentration solution of melting snow salt solution and drying-watering cycle times

表4 路用性能預估公式匯總表Table 4 The prediction of residual pavement performances after corrosion

4 結束語

隨著融雪鹽質量分數(shù)的增大與干濕循環(huán)腐蝕次數(shù)的增多，瀝青混合料的DS、εB、MS′、TSR均呈現(xiàn)出較大程度的減小，融雪鹽對瀝青混合料有較大的腐蝕作用。同等條件下，OGFC比SMA及AC更易遭受融雪鹽的腐蝕。