鹽蝕條件下瀝青混合料路用性能及表面功能演化規(guī)律研究

吳 強, 徐 霈

(1.招商局公路網(wǎng)絡科技控股股份有限公司, 北京 100022; 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司, 重慶 400067)

撒布氯化鈉(NaCl)融雪鹽是冬季道路除冰最常用的方法之一,但融雪鹽會對瀝青路面的長期性能產(chǎn)生影響[1-3]。特別當鹽分滲入瀝青路面內(nèi)部,且受行車荷載造成的動水壓力作用,會進一步加劇鹽分的侵蝕,從而降低瀝青路面服役壽命[4]。實際路面的鹽蝕損傷受多種作用影響,如瀝青膜中的水分置換、寒冷季節(jié)的冰凍膨脹作用等,這些都會加速鹽分的侵蝕。

目前,已有學者研究了鹽蝕作用對瀝青路面的損害,并對其性能損傷演化進行了研究[5-8]。Xiong等[9-10]基于自主開發(fā)的動態(tài)水鹽侵蝕儀,研究了瀝青混合料在氯鹽-水-溫度-載荷耦合作用下的力學性能變化規(guī)律,并采用CT掃描技術研究了其性能劣化與空隙率間的相關關系,研究結果指出,動態(tài)水加速了氯鹽對瀝青混合料的侵蝕,鹽溶液滲入瀝青混合料的空隙及裂縫中引起了結晶侵蝕,且沖刷時間是影響性能劣化進程的最重要因素。張苛等[11]分析了瀝青結合料鹽蝕前后的4組分及表面微觀形貌的變化,認為導致瀝青結合料在鹽蝕環(huán)境下性能劣化的主要原因是其化學組分發(fā)生了變化。崔亞楠等[12-14]研究了鹽凍循環(huán)條件下瀝青及瀝青砂漿的微觀形貌及流變性能,指出瀝青經(jīng)鹽凍循環(huán)后發(fā)生不同程度的“水老化”,相較SBS改性瀝青的薄膜明顯被鹽晶粒破壞,膠粉改性瀝青中的膠粉顆粒能顯著抑制鹽晶粒生長,表現(xiàn)出較好的形態(tài)。此外,瀝青與骨料間的接觸界面損傷受融雪鹽濃度的影響較大,鹽凍環(huán)境對瀝青砂漿的初期彈性變形影響顯著,而對其粘性變形影響較小。Luis等[15]對熱拌瀝青混合料和多孔瀝青混合料直接浸入鹽溶液,并將鹽作為細骨料摻入混合料以及將骨料浸鹽后再制備混合料等3種情況下的性能進行了對比,研究結果表明,傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料的力學性能、水穩(wěn)定性、高溫性能及粘聚性能等幾乎不受鹽分影響,但多孔瀝青混合料的各項性能受到鹽蝕作用的影響較為顯著。Guo等[16]采用拉拔試驗研究了瀝青-集料在融雪鹽和凍融循環(huán)作用下的界面損傷狀態(tài),研究結果表明,相較純水浸泡環(huán)境,鹽溶液浸泡和凍融循環(huán)作用下的拉伸強度損失較為顯著。綜上研究結果可知,鹽凍條件下瀝青混合料的性能劣化誘因主要分為2部分:一是水凝結成冰時的膨脹作用力,二是瀝青-骨料界面間的破壞以及砂漿斷裂。在此過程中,水分滲透、鹽化學腐蝕和凍脹作用導致瀝青與骨料間的粘附作用下降。

綜上所述,瀝青路面長期處于鹽蝕、有水以及冰凍等復雜環(huán)境下,其內(nèi)部以及表面都會發(fā)生不同程度的加速損傷,但目前瀝青路面的設計理念并沒有考慮鹽蝕環(huán)境的影響,使其難以從根本上解決高鹽區(qū)路面的耐久性問題。雖已有學者試圖模擬瀝青路面所處的鹽蝕環(huán)境,也對鹽蝕及環(huán)境耦合作用下瀝青混合料的性能演化進行了研究,但所得研究結論存在部分矛盾的情況:有研究認為鹽蝕作用對瀝青混合料的高溫、低溫以及水穩(wěn)定性等具有顯著影響,但也有研究認為鹽溶液對熱拌瀝青混合料的影響不明顯,而對多孔瀝青混合料的路用性能影響顯著。已有研究中,鹽分對路面表面功能的影響研究鮮有報道。為此,本文充分考慮瀝青路面在干濕循環(huán)、干濕-凍融循環(huán)作用下的鹽蝕環(huán)境,對瀝青混合料鹽蝕作用下的路用性能及表面抗滑降噪功能演化規(guī)律進行探究。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料及其技術指標

采用SK 90#基質(zhì)瀝青制備瀝青混合料試件,其技術性質(zhì)如表1所示。集料級配選擇AC-13密級配,設計空隙率為3%,如表2所示。在此基礎上成型標準馬歇爾試件、車轍板試件以及小梁試件用于高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及表面抗滑性能的室內(nèi)試驗測試[17]。

1.2 試驗方案設計

為模擬融雪鹽對瀝青路面的侵蝕作用,采用NaCl制備濃度為0%(純水)、5%、10%、15%和20%的鹽溶液,將所需測試的試件置于鹽溶液中浸泡,以模擬路面鹽蝕環(huán)境,并在此基礎上分別進行鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)。

表1 瀝青結合料技術指標[17]

表2 集料級配組成[18]

1) 鹽蝕-干濕循環(huán)

為模擬瀝青混合料所處的鹽蝕-干濕循環(huán)條件,將待測試件置于各濃度的鹽溶液中分別進行0、3、6、9、12次干濕循環(huán),其中1次鹽蝕-干濕循環(huán)程序的設定為:(1) 將所需測試試件置于25 ℃的鹽溶液中充分飽水12 h;(2) 置于25 ℃(模擬常溫)的干燥箱中干燥12 h。

2) 鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)

為模擬瀝青混合料所處的鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)條件,將待測試件分別進行0、3、6、9、12次的干濕-凍融循環(huán),其中1次鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)程序的設定為:(1) 將所需測試試件置于塑料袋內(nèi)并充入25 ℃的鹽溶液直至浸沒試件,靜置12 h充分飽水后將塑料袋密封;(2) 置于-20 ℃(模擬冬季低溫狀態(tài))的冰箱中冷凍12 h;(3) 將試件置于25 ℃的環(huán)境中融冰12 h;(4) 取出試件,將其置于25 ℃的干燥箱中干燥12 h。

對以上2種不同試驗條件的試件分別進行車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗以及加速磨耗試驗,以此評定其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及表面抗滑降噪性能。其中,加速磨耗試驗采用0次、20 000次、40 000次、60 000次、80 000次的車輪加速加載作用于車轍板試件,隨后測試其擺值;噪聲測試則是采用聲音傳感器采集不同磨耗次數(shù)時的噪聲水平。

2 試驗結果與分析

2.1 鹽蝕作用下瀝青混合料高溫性能變化規(guī)律

通過車轍試驗研究瀝青混合料的高溫性能隨鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)的變化規(guī)律,試驗測試溫度為60 ℃,結果如圖1所示。

(a) 鹽蝕-干濕循環(huán)

(b) 鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)

由圖1可知,隨著鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加,瀝青混合料的動穩(wěn)定度顯著下降,最大降幅分別為19.6%和27.2%。相較純水環(huán)境下,隨著鹽溶液濃度的增大,瀝青混合料的動穩(wěn)定度逐漸降低,表明鹽蝕作用對瀝青路面高溫性能的不利影響顯著。在鹽蝕-干濕循環(huán)作用下,混合料的動穩(wěn)定度隨循環(huán)次數(shù)的增加呈先降后趨穩(wěn)的態(tài)勢,而在鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)條件下,混合料的動穩(wěn)定度隨循環(huán)次數(shù)的增加呈加速劣化的趨勢,且隨鹽溶液濃度的增大,劣化更加顯著。主因是干濕循環(huán)條件下,鹽溶液水分蒸發(fā)后由液體結晶為NaCl晶體,晶體膨脹致使瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋,造成整體強度損傷,在干濕-凍融循環(huán)作用下,除NaCl結晶膨脹產(chǎn)生的結晶壓力外,水凝結成冰體積增大,引起瀝青混合料的內(nèi)部損傷并累積,進一步加劇了瀝青混合料強度的衰減。此外,也有學者認為NaCl在60 ℃的試驗溫度下晶體融化,在集料間會起到潤滑劑的作用,降低了集料間的內(nèi)摩阻力[19],導致了瀝青混合料高溫性能的劣化。

2.2 鹽蝕作用下瀝青混合料低溫性能變化規(guī)律

通過MTS萬能試驗機進行小梁低溫彎曲試驗,研究瀝青混合料低溫性能隨鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)的變化規(guī)律,試驗溫度和加載速率分別設定為-10 ℃和50 mm/min,結果如圖2所示。

由圖2可知,隨著鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加,瀝青混合料的破壞應變有所降低,最大降幅分別為27.2%和39.4%。相較純水環(huán)境下,隨著鹽溶液濃度的增大,瀝青混合料的破壞應變顯著下降,表明鹽蝕環(huán)境對瀝青混合料低溫性能的不利影響顯著。相較純水,鹽溶液中的氯離子使得瀝青變硬、變脆,瀝青柔性大幅降低,加之鹽分結晶產(chǎn)生的微膨脹應力以及凍融作用下的冰凍膨脹[20],使得瀝青混合料內(nèi)部微裂紋不斷擴展,這又加速了鹽分侵蝕,致使瀝青混合料的低溫性能急劇衰減。

(a) 鹽蝕-干濕循環(huán)

(b) 鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)

2.3 鹽蝕作用下瀝青混合料水穩(wěn)性能變化規(guī)律

通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗,研究瀝青混合料水穩(wěn)定性隨鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)的變化規(guī)律,結果如圖3和圖4所示。

(a) 鹽蝕-干濕循環(huán)

(b) 鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)

(a) 鹽蝕-干濕循環(huán)

(b) 鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)

從圖3(a)及圖4(a)可以看出,純水條件下的瀝青混合料經(jīng)16次干濕循環(huán)作用后,其殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強度比仍能滿足規(guī)范要求。但在20%的鹽溶液條件下,經(jīng)16次干濕循環(huán)作用后,其殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強度比顯著下降,降幅分別為19.4%和19.1%,已不能滿足規(guī)范殘留穩(wěn)定度75%和凍融劈裂強度比70%的最低要求[21]。因此,鹽蝕作用強烈路段應充分考慮這一因素,提高瀝青路面的水穩(wěn)定性。

觀察圖3(b)及圖4(b)可知,純水條件下的瀝青混合料經(jīng)16次干濕-凍融循環(huán)作用后,其殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強度比仍能滿足規(guī)范最低要求。10%的鹽溶液條件下,其殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強度比相較于純水條件下顯著下降,最大降幅分別為29.3%和32.1%,經(jīng)12次干濕-凍融循環(huán)作用后已不能滿足規(guī)范最低要求,表明在干濕-凍融循環(huán)作用強烈的地區(qū)對瀝青混合料的水穩(wěn)定性要求更高。因此,本文建議針對高緯度低溫冰凍地區(qū)的瀝青路面應充分考慮鹽凍環(huán)境的影響,結合具體選材及環(huán)境情況,適當提高瀝青混合料設計階段馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強度比指標。

綜上分析,鹽蝕作用下瀝青混合料的水穩(wěn)定性顯著下降,且隨著鹽溶液濃度的增大,瀝青混合料的水穩(wěn)定性逐步降低,降幅呈先增后減趨勢。主因是鹽溶液相較純水環(huán)境作用下,其表面張力較大,更容易侵蝕瀝青與集料表面,將瀝青層置換使其剝離集料表面。此外,在干濕循環(huán)及干濕-凍融循環(huán)的綜合作用下,鹽分結晶以及水結冰的膨脹應力造成混合料內(nèi)部缺陷和損傷的不斷累積,進一步降低了瀝青與集料的粘附作用,最終使得瀝青混合料的水穩(wěn)定性不斷衰減。

2.4 鹽蝕作用下瀝青混合料表面抗滑性能變化規(guī)律

通過加速磨耗試驗研究瀝青混合料表面抗滑性能受鹽蝕作用的影響,為保證試件的路用性能,根據(jù)前文研究結果,選擇鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)為8次,不同鹽濃度環(huán)境下瀝青混合料表面擺值變化規(guī)律如圖5所示。

(a) 鹽蝕-干濕循環(huán)

(b) 鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)

由圖5可知,隨著磨耗次數(shù)的增加,瀝青混合料試件表面的擺值均呈先大幅減小后趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。主因是:1) 瀝青混合料表面一開始被瀝青膜裹覆,瀝青膜在車輪反復作用下較易被磨損,使得擺值在起初降低幅度較大;2) 隨著瀝青膜被全部磨耗,車輪主要作用于集料表面,該過程包含集料表面的磨耗以及試件內(nèi)部結構的致密化,當集料的棱角被磨損,同時試件內(nèi)部結構重構進而影響表面集料排列,其表面抗滑性能逐步趨于穩(wěn)定。

此外,相較純水環(huán)境,鹽蝕環(huán)境下的瀝青混合料表面抗滑性能衰減顯著,鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用下擺值最大降幅分別為39.8%及47.7%,主因是鹽分作用加劇了瀝青膜的硬化,加之鹽溶液比純水更易置換瀝青層,導致瀝青更易于剝離集料表面。而鹽蝕-干濕循環(huán)作用與鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用下瀝青混合料表面擺值的差異性較小,說明凍融循環(huán)作用雖然會顯著影響瀝青混合料的內(nèi)部結構,但對表面的影響較小。

2.5 鹽蝕作用下瀝青混合料表面降噪性能變化規(guī)律

采用加速磨耗試驗研究瀝青混合料表面降噪性能受鹽蝕作用的影響,同樣選擇鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)為8次,不同鹽濃度環(huán)境下瀝青混合料表面噪聲水平變化規(guī)律如圖6所示。

由圖6可知,瀝青混合料表面的噪聲水平隨著磨耗次數(shù)的增加呈先減小后趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。主因是噪聲水平受路面表面構造及內(nèi)部空隙影響顯著,表面構造越豐富,噪聲水平越大[22],而隨著表面被磨耗,試件內(nèi)部結構被壓密趨于穩(wěn)定后,噪聲水平逐步衰減至一個穩(wěn)定區(qū)間。

此外,相較純水環(huán)境,鹽蝕環(huán)境下的瀝青混合料噪聲水平衰減更加顯著。在試驗初期,純水環(huán)境與鹽蝕環(huán)境下的表面噪聲水平差異明顯,隨后相互間的差異逐漸減小。主因是鹽蝕環(huán)境加速了試件表面瀝青層的剝落,致使集料暴露在輪胎作用下,試件表面構造被快速磨耗,從而使得噪聲水平快速衰減。但隨著鹽溶液濃度的增大,試件表面噪聲水平的差異性逐漸減小,且鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用下,試件表面的最終噪聲水平相當,主因是鹽分的存在使得溶液的結冰溫度有所降低,相當于減弱了水結冰的膨脹應力,最終致使試件在輪載作用下壓密后內(nèi)部結構差異較小。

(a) 鹽蝕-干濕循環(huán)

(b) 鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)

3 結論

本文采用室內(nèi)加速鹽蝕試驗模擬了瀝青路面鹽蝕環(huán)境,研究了瀝青路面在鹽蝕作用下的路用性能及路面表面功能演化規(guī)律,并得出如下主要結論:

1) 鹽蝕作用對瀝青混合料高溫性能和低溫性能均有不利影響。隨著鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加,瀝青混合料的服役性能均出現(xiàn)了不同程度的劣化,尤其是水穩(wěn)定性下降嚴重。在20%的鹽溶液中經(jīng)16次鹽蝕-干濕循環(huán)或10%的鹽溶液中經(jīng)12次鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用后,瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比已不滿足規(guī)范最低要求,但隨著循環(huán)作用次數(shù)的增加,瀝青混合料的性能劣化幅度趨于平緩。

2) 瀝青混合料表面抗滑性能及噪聲水平隨著鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加而顯著降低,鹽蝕環(huán)境加劇了瀝青路面表面的抗滑性能衰減,但有利于表面降噪性能的改善。鹽蝕-干濕循環(huán)作用與鹽蝕-干濕-凍融循環(huán)作用下瀝青混合料表面擺值及噪聲水平的差異性較小。

3) 本文研究結果可為瀝青路面在鹽蝕環(huán)境下的性能損傷機理研究及耐久路面設計提供參數(shù)依據(jù)。