氯鹽腐蝕對(duì)密級(jí)配石灰?guī)r瀝青混凝土水穩(wěn)定性影響規(guī)律研究

■沈 智

（南平市公路事業(yè)發(fā)展中心浦城分中心，南平 353400）

中國(guó)大部分地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候區(qū)，具有四季分明的特點(diǎn)。 冬季降雪在瀝青路面會(huì)經(jīng)歷積雪，在此期間由于溫度驟降及車輛的碾壓，積雪會(huì)在路表形成結(jié)冰，進(jìn)一步降低路面與輪胎的摩擦力引起車輛的滑行，極易誘發(fā)安全事故，嚴(yán)重威脅了瀝青道面的使用性和安全性。 為應(yīng)對(duì)降雪結(jié)冰影響瀝青路面，融雪劑成為目前解決這一問題的最常用手段。 融雪劑主要包括醋酸鹽及氯鹽兩大類，醋酸類融雪劑是一種環(huán)境友好型除冰鹽類型，尤其對(duì)于鋼筋的腐蝕性較小，但由于成本價(jià)格等因素，無法得到大面積的使用。 氯鹽類融雪劑（除冰鹽）同樣具有較好的融雪性，易于實(shí)施且價(jià)格低廉，一般僅為醋酸類融雪劑的1/10， 因此在實(shí)際的應(yīng)用過程中，選擇性更高[1]。 但在使用過程中發(fā)現(xiàn)此類除冰鹽使用過的路面往往會(huì)出現(xiàn)一些開裂、 松散坑槽等病害，造成了瀝青路面功能性甚至結(jié)構(gòu)性的衰減[2-4]。

除冰鹽（氯鹽）的作用機(jī)理是將鹽溶于雪（水）后，使溶液的冰點(diǎn)下降，從而降低了雪水的凝固，阻礙了路面結(jié)冰[5]。但同時(shí)鹽溶液會(huì)沿著路面的孔隙及裂縫深入路面結(jié)構(gòu)中， 從而降低了瀝青路面的穩(wěn)定性。 密級(jí)配瀝青路面是我國(guó)常用的上面層類型。 因此，以室內(nèi)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，基于改進(jìn)的水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法， 研究不同類型的除冰鹽對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土水穩(wěn)定性能， 有助于認(rèn)識(shí)并選用合適的材料及方法，以減少氯鹽對(duì)密級(jí)配瀝青面層的潛在危害。本研究選取多種濃度（0、0.2、0.4、0.6 g/mL）常用的Ca-Cl2、NaCl 和MgCl2除冰鹽，研究其侵蝕下對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土（AC-13、AC-16）的水穩(wěn)定性影響規(guī)律。

1 原材料和混合料設(shè)計(jì)

1.1 集料

本試驗(yàn)集料分別采用0 ～3、3 ～5、5 ～10、10 ～15 mm 共4 檔類型的石灰?guī)r和玄武巖集料，填料采用磨細(xì)的石灰?guī)r礦粉，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范中使用要求，其相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)均滿足使用規(guī)范要求。

1.2 瀝青結(jié)合料

由于SBS 良好的高低溫性能，目前道路一般多采用SBS 改性瀝青作為結(jié)合料使用。本研究采用殼牌SBS 改性瀝青，進(jìn)行瀝青混凝土的制備，其主要性能指標(biāo)見表1。

表1 SBS 改性瀝青性能

1.3 除冰鹽

選用目前市面上應(yīng)用最為廣泛的CaCl2、NaCl和MgCl2作為除冰鹽的溶劑成分。 其中CaCl2為白色立方體硬質(zhì)碎塊，易溶于水同時(shí)大量放熱，水溶液呈微酸性。NaCl 為白色晶體粉末，穩(wěn)定性較好，水溶液呈中性。 MgCl2呈無色片狀晶體，溶于水，在空氣中易潮解。 所選用的三種溶劑均為分析純（AR）。在常溫下分別制備0 （純水溶液）、0.2、0.4、0.6、0.8 g/mL 的3 種除冰鹽溶液用以后續(xù)性能試驗(yàn)。

2 瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選用AC-13 和AC-16 作為主要密級(jí)配級(jí)配代表類型。 依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中對(duì)AC-13 級(jí)配范圍上下限的規(guī)定，設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)的級(jí)配曲線分別見圖1、2。

圖1 AC-13 級(jí)配曲線

圖2 AC-16 級(jí)配曲線

2.2 最佳油石比確定

為制備性能檢測(cè)用瀝青混凝土，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中最佳油石比確定方法， 以4%作為目標(biāo)空隙率， 制備AC-13和AC-16 級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾瀝青混凝土試件。 按照馬歇爾設(shè)計(jì)法確定AC-13 和AC-16 最佳油石比分別為5.2%（石灰?guī)r）、5.3%（玄武巖） 和4.8%（石灰?guī)r）、4.9%（石灰?guī)r）。

3 瀝青混凝土水穩(wěn)定性

瀝青混凝土可以看作是三相體結(jié)構(gòu)，分別由粗集料、瀝青結(jié)合料（或砂漿）及孔隙構(gòu)成，其中瀝青結(jié)合料覆蓋在松散的顆粒表面從而將原本松散的顆粒粘結(jié)形成具有一定強(qiáng)度的骨架結(jié)構(gòu)。 由于集料的親水性， 當(dāng)水滲入原本穩(wěn)定的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)后，會(huì)逐漸剝離瀝青裹附集料的狀態(tài)，尤其是在鹽溶液狀態(tài)下更為嚴(yán)重，導(dǎo)致瀝青膜喪失粘結(jié)力從而脫落以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，誘發(fā)路面開裂、松散、坑槽等一系列病害。 因此有必要對(duì)氯鹽侵蝕下，密級(jí)配瀝青混凝土的水穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3.1 循環(huán)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

傳統(tǒng)浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)步驟中規(guī)定將最佳油石比條件下制備的馬歇爾試件分位兩組，一組在（60±1）℃條件下浸水30～40 min，另一組在同樣溫度條件下浸水48 h 后取出，以兩者的強(qiáng)度比作為殘留穩(wěn)定度值。 為研究氯鹽對(duì)瀝青混凝土的影響，以制備的多種濃度氯鹽溶液代替規(guī)范中高溫浸水保溫過程的水浴環(huán)境， 此外還考慮單濃度（0.4 g/mL）多循環(huán)下馬歇爾穩(wěn)定度變化。 殘留穩(wěn)定度為48 h 后試件的穩(wěn)定度與30 min 穩(wěn)定度的百分比，其計(jì)算公式如式（1）所示：

試中：MS0為試件殘留穩(wěn)定度（%）；MS1為浸水（鹽溶液）48 h 穩(wěn)定度（kN）。

圖3 和圖4 分別為氯鹽溶液濃度和循環(huán)次數(shù)對(duì)AC-13 和AC-16 兩種級(jí)配殘留穩(wěn)定度的影響規(guī)律曲線。由圖3、圖4 可知，對(duì)于加入氯鹽后，AC-13瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度下降非常明顯，降低幅度8.7%～13.3%， 之后每增加0.2 g/mL 鹽溶液濃度，殘留穩(wěn)定度下降程度在2.5%～6.9%。 圖3 為AC-16瀝青混合料殘留穩(wěn)定度變化規(guī)律， 鹽溶液侵蝕下AC-16 的結(jié)果與AC-13 相似， 均存在一個(gè)跳躍性下降，之后隨著濃度的增加穩(wěn)步下降。

圖3 AC-13 單循環(huán)瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度結(jié)果

圖4 AC-16 單循環(huán)瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度結(jié)果

考慮在原有標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)基礎(chǔ)上，多循環(huán)鹽侵蝕作用對(duì)單一濃度（0.4 g/mL）下密級(jí)配瀝青混合料殘留穩(wěn)定度影響規(guī)律。 由圖5 和圖6 可知，循環(huán)次數(shù)的增加降低了密級(jí)配瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度，其下降的趨勢(shì)接近線性。

圖5 AC-13 多循環(huán)瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度結(jié)果

圖6 AC-16 多循環(huán)瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度結(jié)果

通過馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，無論是單循環(huán)還是多循環(huán)鹽溶液侵蝕，氯鹽溶液的加入顯著降低了密級(jí)配瀝青混凝土馬歇爾殘留穩(wěn)定度。 鹽溶液濃度的增加，會(huì)進(jìn)一步降低瀝青混凝土的穩(wěn)定度，表明侵蝕更為嚴(yán)重。 類似的，增加鹽溶液循環(huán)條件后也會(huì)顯著降低馬歇爾殘留穩(wěn)定度的值。 玄武巖相對(duì)石灰?guī)r性能略優(yōu)，這可能是由于石灰?guī)r具有更多的氣孔導(dǎo)致的。 根據(jù)鹽溶劑類型對(duì)穩(wěn)定度的影響程度可知，存在NaCl＞CaCl2＞MgCl2的規(guī)律。

3.2 多循環(huán)凍融劈裂強(qiáng)度

本文主要通過凍融劈裂試驗(yàn)，以不同鹽凍循環(huán)后凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）值評(píng)價(jià)鹽溶液種類及濃度對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性影響程度。 該部分方法參考馬歇爾穩(wěn)定度部分試驗(yàn)的方法， 分別在飽水、 凍結(jié)及水浴過程中均采用制備的鹽溶液代替水溶液。 此外，作為有無鹽溶液侵蝕效果的比較，采用水溶液循環(huán)作為對(duì)照組。 其余操作均按照規(guī)范中進(jìn)行。圖7 和圖8 分別為AC-13 和AC-16 兩種級(jí)配多循環(huán)下氯鹽對(duì)瀝青混凝土TSR 的影響規(guī)律。

圖7 不同氯鹽溶液種類（濃度）下AC-13 瀝青混凝土TSR 結(jié)果

圖8 不同氯鹽溶液種類（濃度）下AC-16 瀝青混凝土TSR 結(jié)果

由圖7 和圖8 可知，鹽溶液的增加顯著降低了瀝青混凝土的TSR 值， 將試驗(yàn)全過程中水溶液改為鹽溶液后， 單次凍融循環(huán)下，TSR 下降幅度為7.5%～12.3%，鹽溶液濃度越大，降低的幅度也越大。循環(huán)次數(shù)對(duì)TSR 結(jié)果影響顯著，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，TSR 下降幅度明顯增加， 這表示實(shí)際鹽凍循環(huán)下，如果不及時(shí)清理路面的鹽溶液會(huì)導(dǎo)致路面加速破壞。 3 種氯鹽溶液中，NaCl 對(duì)混凝土的TSR 值影響最大，損害最為嚴(yán)重。 CaCl2和MgCl2對(duì)混凝土TSR 值的影響基本相同。在不同于溶劑濃度對(duì)瀝青混凝土的影響中，氯鹽類型對(duì)瀝青混凝土的影響程度更為明顯。

3.3 漢堡車轍試驗(yàn)

漢堡車轍試驗(yàn)室國(guó)外常用的水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，用來評(píng)估一些交通量較大的行車道路的車轍和抗剝落性能。 試驗(yàn)選用水域環(huán)境為50℃，本試驗(yàn)中以氯鹽代替水域環(huán)境。 最終以20 000 次碾壓后車轍深度作為評(píng)價(jià)的主要標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2 AC-13 和AC-16 的漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果可知，氯鹽水浴環(huán)境下會(huì)加深路面的車轍深度，鹽濃度的增加降低了試件的強(qiáng)度，從而造成了更大的車轍深度。3 種鹽溶液對(duì)車轍深度的影響大小依次是NaCl、CaCl2、MgCl2。

通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)改進(jìn)的水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果可知，鹽溶液的加入對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能影響顯著。 這可能是因?yàn)槁塞}溶液的Na+、Ca2+、Mg2+以及Cl-具有較強(qiáng)的極性，鹽溶劑溶于水后發(fā)生電離，從而產(chǎn)生大量的極性離子，它們對(duì)于集料的吸附能力大于瀝青對(duì)于集料的吸附能力[6]，從而導(dǎo)致了集料與瀝青表面的分離剝落，使得原本穩(wěn)定的瀝青混合料失去了瀝青的裹附粘結(jié)， 從而喪失了原有的穩(wěn)定性和強(qiáng)度， 最終導(dǎo)致一系列病害的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

本研究采用3 種常用除冰鹽類型，基于改進(jìn)的非標(biāo)準(zhǔn)水穩(wěn)定性能試驗(yàn)方法，研究了常用除冰氯鹽類型及濃度對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土的水穩(wěn)定性影響規(guī)律， 在原有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)范基礎(chǔ)上替換溶液類型，得到了以下結(jié)論：（1）相較于普通的浸水，受到鹽溶液侵蝕的密級(jí)配瀝青混凝土水穩(wěn)定性能存在著明顯的下降，殘留穩(wěn)定度及單次凍融循環(huán)結(jié)果表明在鹽溶液條件下， 兩種強(qiáng)度的降幅在8.7%～13.3%（0.2 g/mL 梯度）。 相同濃度下3 種氯鹽對(duì)水穩(wěn)定性影響從大到小依次是NaCl、CaCl2、MgCl2。 （2）鹽溶液種類對(duì)水穩(wěn)定性的影響程度要大于溶液濃度對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土水穩(wěn)定性的影響程度。 （3）多循環(huán)凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，密級(jí)配瀝青混凝土的TSR 會(huì)加速下降，即表明水穩(wěn)定性將加速降低。 因此，應(yīng)及時(shí)通過清掃及排水設(shè)施將路面范圍內(nèi)殘留的鹽溶液清除，避免二次侵蝕破壞。 （4）漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果表明氯鹽溶液會(huì)降低瀝青混凝土的抗車轍性能， 加深路面的車轍，容易誘發(fā)交通事故。