凍融、鹽蝕對(duì)多孔瀝青混凝土的損傷機(jī)理研究

鄧歡

摘要：冬季雨雪天氣路政部門(mén)經(jīng)常使用除冰鹽來(lái)減輕冰雪對(duì)交通的影響，但傳統(tǒng)的除冰鹽對(duì)路面性能會(huì)產(chǎn)生不利影響。而多孔瀝青排水路面受到影響程度更甚。本文從物理、化學(xué)兩方面研究了冬季常見(jiàn)的凍融、鹽蝕過(guò)程對(duì)多孔瀝青混凝土的損傷機(jī)理，并探討了除冰鹽對(duì)其他交通設(shè)施以及周?chē)h(huán)境的影響。

關(guān)鍵詞：多孔瀝青混凝土;排水路面;除冰鹽;凍融;鹽蝕。

一、引言

多孔瀝青混凝土路面憑借較大的空隙率能夠快速排除路表水，具有非常好的防滑、防水漂、降噪、抑制水霧、減少眩光的功能，因此有著非常好的應(yīng)用前景。其主要的應(yīng)用范圍包括：多雨地區(qū)的高等級(jí)公路及其橋面鋪裝;對(duì)安全性、舒適性要求較高的城市道路;生態(tài)景區(qū)、園區(qū)道路等。此類(lèi)路面在國(guó)外已經(jīng)得到了大量應(yīng)用，近年來(lái)其材料、結(jié)構(gòu)一直在持續(xù)發(fā)展更新。我國(guó)工程界也已逐漸認(rèn)識(shí)到排水性路面優(yōu)秀的路用性能，在一些地區(qū)已有使用排水路面的工程實(shí)例[1] 。

冰雪無(wú)疑是交通安全的大敵，路面積雪結(jié)冰導(dǎo)致的重大交通事故不可勝數(shù)，給社會(huì)造成了巨大損失。為了防止路面結(jié)冰、積雪引發(fā)安全事故，路政部門(mén)往往會(huì)在冰雪路面上撒除冰鹽以加速融化冰雪。這種做法固然可以加速融雪、除冰，但也會(huì)在無(wú)形之中對(duì)道路及附屬設(shè)施造成負(fù)面影響。

現(xiàn)在廣泛使用的除冰鹽主要是氯鹽，經(jīng)過(guò)調(diào)查了解到，市場(chǎng)上的除冰鹽主要化學(xué)成分為MgCl2、NaCl和CaCl2。這些成分溶于水形成鹽溶液，可能會(huì)對(duì)道路路面性質(zhì)產(chǎn)生影響。由于多孔瀝青混合料的空隙較多，外部鹽溶液很容易進(jìn)入路面內(nèi)部，在低溫天氣容易結(jié)成冰而無(wú)法及時(shí)排出，水分和鹽分與瀝青混凝土接觸面積更大、接觸時(shí)間更長(zhǎng)，故多孔瀝青混合料更容易受到此種損害。

二、凍融、鹽蝕破壞機(jī)理研究

凍融、鹽蝕作用對(duì)多孔瀝青混合料性能影響可分為物理、化學(xué)兩方面，過(guò)程涉及水、鹽等多種成分的復(fù)合作用。

從物理變化方面，首先由于除冰鹽降低了冰雪的熔點(diǎn)使之更易熔化成水，鹽類(lèi)溶解于水中形成較高濃度的鹽溶液并進(jìn)入路面的空隙內(nèi)部。不同空隙中的鹽溶液濃度很可能是不均勻的，因此導(dǎo)致的滲透壓力長(zhǎng)期作用下脆弱部位容易產(chǎn)生損壞。

當(dāng)溫度低于熔點(diǎn)，空隙中的溶液結(jié)成冰體積增大產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，可能導(dǎo)致空隙被擴(kuò)大。在馬歇爾試件凍融循環(huán)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷凍融后的試件體積有所膨脹，尤其徑向有明顯增長(zhǎng)，佐證了這一觀點(diǎn)。而當(dāng)溫度高于熔點(diǎn)，內(nèi)部的冰會(huì)融化，體積減小，空隙內(nèi)失去支撐變得脆弱[2] 。并且在不同深度鹽溶液濃度往往不同所以熔點(diǎn)不同，空隙內(nèi)部水結(jié)冰情況也不同。在低溫環(huán)境，孔隙水并不是均勻、同時(shí)結(jié)冰，而是按照由外及內(nèi)、由大孔隙向小孔隙的順序，內(nèi)部孔隙水的冰點(diǎn)一般比正常冰點(diǎn)低。假如僅有上層結(jié)冰則會(huì)阻礙下層空隙中的水流出，在車(chē)輛碾壓時(shí)造成內(nèi)部巨大的壓力。水經(jīng)歷的這種結(jié)冰和融化交替往復(fù)過(guò)程使混合料的空隙成為受力薄弱部位，內(nèi)部損傷逐漸積累，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

除此之外，鹽類(lèi)的溶解是一個(gè)吸熱過(guò)程，而這些熱量大部分都來(lái)源于覆蓋在冰雪之下的瀝青路面，這會(huì)使瀝青混凝土內(nèi)部溫度不均，引發(fā)一定的溫度應(yīng)力，產(chǎn)生不利影響。

化學(xué)變化方面，由于溶解后的鈉離子的乳化反應(yīng)和氯離子的腐蝕作用，鹽溶液本身對(duì)于瀝青混合料就有一定的侵蝕作用[3] 。此外由于表面張力作用，水侵入瀝青與集料界面后會(huì)造成瀝青逐漸脫離集料，這種表面張力在高濃度鹽溶液中更加顯著 [4] [5] ，所以鹽溶液比純水侵入礦料與瀝青的接觸界面速度更快。當(dāng)鹽溶液與多孔瀝青混合料接觸，由于溶液中的氯離子和鈉離子具有強(qiáng)極性，會(huì)降低瀝青與集料之間的黏附力，使瀝青和集料之間的粘結(jié)作用變?nèi)酰瑥亩铀倭藶r青的老化剝離，使瀝青混凝土的強(qiáng)度逐漸降低。

三、結(jié)語(yǔ)

本文研究和探討了冬季多孔瀝青混合料受到凍融、鹽蝕影響下受到損傷的機(jī)理，而除冰鹽對(duì)路面性能的長(zhǎng)期損害只是其不利影響的一個(gè)方面。除此之外，鹽類(lèi)對(duì)汽車(chē)輪胎壽命也有影響，輪胎由橡膠制成，接觸鹽溶液會(huì)造成橡膠的老化、韌性降低。道路橋梁的附屬設(shè)施，如排水系統(tǒng)、護(hù)欄、交通標(biāo)識(shí)牌的金屬部分，在接觸了氯鹽溶液后也會(huì)加速銹蝕，增加運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。一部分鹽溶液經(jīng)由排水系統(tǒng)匯入地下水源，引起部分區(qū)域地下水鹽含量升高，同時(shí)這些鹽分在一定程度上還會(huì)使排水管道加速銹蝕。這些鹽溶液也將影響附近的土壤環(huán)境，使土壤鹽漬化。高鹽濃度的土壤環(huán)境會(huì)搶奪水分，導(dǎo)致植物枯竭死亡。故使用氯鹽除冰鹽對(duì)周邊土壤環(huán)境和植物的影響也是不可忽視的危害之一。

由于傳統(tǒng)除冰鹽對(duì)于路面、交通附屬設(shè)施和環(huán)境有以上不利影響，許多國(guó)家已經(jīng)不使用傳統(tǒng)的除冰鹽[6] ，如比利時(shí)、意大利、澳大利亞、荷蘭等國(guó)家道路除冰作業(yè)使用液體融雪劑。我國(guó)一些地區(qū)也在研究、試用新型除冰鹽，這將對(duì)道路養(yǎng)護(hù)和設(shè)施保養(yǎng)工作帶來(lái)幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈金安. 瀝青及瀝青混合料路用性能[M]. 人民交通出版社， 2001.

[2] 吳釗.凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料性能的影響研究[D].武漢理工大學(xué)，2011.

[3] 熊 銳，陳拴發(fā)，關(guān)博文， 等.凍融與腐蝕耦合作用下瀝青混凝土性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，（02 ）.

[4] 馬芹永，吳金榮，秦凱.氯鹽對(duì)瀝青混凝土凍融劈裂抗拉強(qiáng)度影響的試驗(yàn)與分析[J].冰川凍土，2013，35（5）：1202-1208. DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2013.0135.

[5] 秦凱.鹽分對(duì)瀝青混合料凍融劈裂性能影響的試驗(yàn)研究[D].安徽理工大學(xué)，2013.

[6] Aikaterini Varveri，Stavros Avgerinopoulos，Athanasios Scarpas.Experimental evaluation of long- and short-term moisture damage characteristics of asphalt mixtures[J].Road Materials and Pavement Design，2016，17（1）：168-186.

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