徐 霈， 吳 強， 李嬋嬋， 楊旭東

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067； 2.招商局公路網(wǎng)絡(luò)科技控股股份有限公司， 北京 100022；3.招商中鐵控股有限公司， 南寧 530000)

我國沿海地區(qū)瀝青路面長期受到鹽霧作用的影響，不可避免地會造成其耐久性變差，由于外部多種因素的耦合作用，沿海瀝青路面往往在通車后短期就會發(fā)生嚴重的破壞[1-2]。當鹽霧凝結(jié)于瀝青路面，在車輛荷載作用下鹽分進一步滲入瀝青路面內(nèi)部，加之動水壓力作用，最終導(dǎo)致沿海瀝青路面更易出現(xiàn)早期病害[3]。因此，鹽霧侵蝕作用不僅會降低瀝青混合料的黏聚作用，導(dǎo)致整體強度下降，且更易出現(xiàn)早期病害，如松散、坑槽等也會極大影響路面的服役壽命及服務(wù)水平。

目前，關(guān)于鹽蝕作用對于瀝青路面影響的研究多是從融雪和除冰鹽的角度進行考慮的。Wang等[4-5]研究了鹽蝕條件下凍融循環(huán)對瀝青-集料界面粘附力的影響，結(jié)果表明隨著凍融循環(huán)和鹽濃度的增加，瀝青-集料界面間的黏附功減小。熊銳等[6-7]采用干濕循環(huán)條件下加速瀝青混合料在硫酸鹽溶液中的侵蝕，發(fā)現(xiàn)硫酸鹽溶液相比于純水更易浸入瀝青與集料界面，進而削弱了瀝青混合料的水穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而水鎂石纖維的摻加可起到良好的穩(wěn)定、增強和補強作用，進而提高了瀝青混合料的耐久性。Shi等[8]探究了在非氯化物除冰劑侵蝕條件下，納米粘土對瀝青混凝土性能劣化的影響，認為使用少量納米粘土可提高瀝青混合料的抗剝落性和水穩(wěn)定性[9]。Cui等[10-11]研究了鹽溶液中凍融循環(huán)對瀝青結(jié)合料常規(guī)性能、流變性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過凍融循環(huán)后瀝青的高低溫性能都有不同程度的下降。

然而，目前對于沿海環(huán)境對瀝青路面影響的考慮可參考的資料較少，瀝青路面的設(shè)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沿海地區(qū)瀝青路面的耐久性問題。雖然已有學者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[12-13]，但多是考慮了融雪鹽、除冰鹽等的影響，缺乏對沿海含鹽高濕環(huán)境的模擬及相應(yīng)研究。因此，本文充分考慮瀝青路面在干濕循環(huán)作用下的鹽蝕環(huán)境，對鹽蝕作用下瀝青混合料路用性能演化規(guī)律進行研究。

1 原材料與試驗設(shè)計

1.1 原材料及其技術(shù)性質(zhì)

依據(jù)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20—2011)[14]以及《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[15]，本文采用3% SBS改性瀝青制備瀝青混合料試件，其技術(shù)性質(zhì)如表1所示。選擇密級配瀝青混合料AC-13作為集料級配類型，集料和礦粉均為石灰?guī)r，級配組成如表2所示。以4%作為設(shè)計孔隙率制備成型3組試件：標準馬歇爾試件、車轍板試件以及小梁試件，以測試瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性[14]。

表1 SBS瀝青結(jié)合料技術(shù)性質(zhì)Table 1 Properties of SBS asphalt binder

表2 集料的級配組成Table 2 Gradation of aggregates

1.2 試驗方案及相應(yīng)指標

1.2.1 鹽蝕環(huán)境模擬及試驗條件

為模擬臨海鹽蝕環(huán)境，考慮海鹽中氯鹽占比80%以上，硫酸鹽占比10%以上，采用NaCl與NaSO4配比8.5∶1.5制備濃度為0%(純水)、5%、10%、15%的混合鹽溶液以模擬鹽蝕環(huán)境。

1.2.2 鹽蝕環(huán)境下瀝青混合料路用性能試驗與相應(yīng)指標

1) 干濕循環(huán)

將每組試件置于4種濃度的混合溶液中分別進行0、4、8、12、16次干濕循環(huán)，其中設(shè)定一次循環(huán)的程序為：將待測試試件置于30 ℃混合溶液中12 h充分飽水，然后將試件置于30 ℃恒溫烘箱中干燥12 h。其中30 ℃參考我國沿海地區(qū)年平均極端溫度。

2) 凍融循環(huán)

將每組試件置于4種濃度的混合溶液中并用塑料袋密封，分別進行0、4、8、12、16次凍融循環(huán)，其中設(shè)定一次循環(huán)的程序為：將待測試試件連同塑料袋置于-20 ℃冰箱中12 h充分冷凍，然后將試件連同塑料袋置于30 ℃恒溫烘箱中12 h。其中-20 ℃ 和30 ℃參考我國沿海地區(qū)年平均極端溫度。

3) 性能測試

將上述受鹽蝕-干濕循環(huán)及鹽蝕-凍融循環(huán)作用的試件分別進行以下性能測試：(1) 車轍板試件采用車轍試驗測試其高溫穩(wěn)定性能；(2) 小梁試件采用低溫彎曲試驗測試其低溫抗裂性能；(3) 標準馬歇爾試件采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗測試其水穩(wěn)定性能。

車轍板試件、小梁試件以及馬歇爾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。

2 測試結(jié)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

瀝青混合料的高溫性能變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 瀝青混合料高溫性能隨干濕循環(huán)及凍融循環(huán)作用次數(shù)的變化規(guī)律Fig.1 Variation of high-temperature performance of asphalt mixture with the dry-wet cycles and freeze-thaw cycles

由圖1(a)可以看出，隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增大，瀝青混合料的動穩(wěn)定度降低；經(jīng)16次干濕循環(huán)作用后，動穩(wěn)定度最終下降11%～16%；此外，隨著鹽溶液濃度的增大，動穩(wěn)定度呈下降趨勢，當濃度達到10%時，動穩(wěn)定度下降幅度最大，濃度達到15%時，動穩(wěn)定度下降幅度逐漸趨于平緩；相較于純水環(huán)境，15%鹽溶液條件下瀝青混合料的動穩(wěn)定度最終下降18%～24%。由圖1(b)可以看出，在凍融循環(huán)作用下，動穩(wěn)定度顯示出相似的規(guī)律，且隨著干濕及凍融循環(huán)作用次數(shù)的增大，動穩(wěn)定度下降幅度減小；相較于未經(jīng)凍融循環(huán)作用的瀝青混合料，經(jīng)16次凍融循環(huán)作用后，動穩(wěn)定度最終下降15%～18%；相較于純水環(huán)境，15%鹽溶液條件下瀝青混合料的動穩(wěn)定度最終下降達18%～22%。因此，鹽溶液對瀝青混合料的高溫性能有不利影響，由于鹽晶體在瀝青混合料內(nèi)部結(jié)晶膨脹產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致內(nèi)部損傷。損傷逐步累積破壞了瀝青混合料的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整體強度下降。此外，鹽晶體在60 ℃高溫條件下融化，相當于其作為潤滑劑降低了瀝青混合料顆粒間的摩擦阻力，也進一步降低了瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強度，導(dǎo)致其高溫性能下降。

2.2 鹽蝕作用下瀝青混合料低溫性能變化規(guī)律

瀝青混合料的低溫抗裂性能變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 瀝青混合料低溫性能隨干濕循環(huán)及凍融循環(huán)作用次數(shù)的變化規(guī)律Fig.2 Variation of low-temperature performance of asphalt mixture with the dry-wet cycles and freeze-thaw cycles

由圖2(a)可以看出，隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增大，瀝青混合料的破壞應(yīng)變有所降低；經(jīng)16次干濕循環(huán)作用以后，破壞應(yīng)變最終下降25%～33%；此外，隨著鹽溶液濃度的增大，破壞應(yīng)變降低，當濃度達到10%時，破壞應(yīng)變下降幅度最大，濃度達到15%時，破壞應(yīng)變下降幅度逐漸趨于平緩；相較于純水環(huán)境，15%鹽溶液條件下瀝青混合料的破壞應(yīng)變最終下降26%～31%。由圖2(b)可以看出，在凍融循環(huán)作用下，破壞應(yīng)變呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，且隨著干濕及凍融循環(huán)作用次數(shù)的增大，破壞應(yīng)變的降低趨于穩(wěn)定；相較于未經(jīng)凍融循環(huán)作用的瀝青混合料，經(jīng)16次凍融循環(huán)作用以后，破壞應(yīng)變最終下降33%～45%；相較于純水環(huán)境，15%鹽溶液條件下瀝青混合料的動穩(wěn)定度最終下降達23%～35%。因此，鹽溶液對瀝青混合料的低溫抗裂性具有消極影響。由于鹽蝕作用會加速瀝青混合料中瀝青的老化，導(dǎo)致瀝青的剛度模量增大，瀝青變脆、變硬，抗變形能力降低，且由于瀝青的老化，致使瀝青與集料間的粘附力降低，破壞應(yīng)變降低。此外，由于鹽結(jié)晶的膨脹壓力，瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，致使破壞應(yīng)變減小。

2.3 鹽蝕作用下瀝青混合料水穩(wěn)性能變化規(guī)律

瀝青混合料的水穩(wěn)定性能變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 瀝青混合料水穩(wěn)定性隨干濕循環(huán)及凍融循環(huán)作用次數(shù)的變化規(guī)律Fig.3 Variation of water stability of asphalt mixture with the dry-wet cycles and freeze-thaw cycles

由圖3(a)、(b)可知，未經(jīng)鹽蝕作用的瀝青混合料經(jīng)干濕循環(huán)及凍融循環(huán)作用，其殘留穩(wěn)定度及劈裂強度比TSR下降幅度較小，其水穩(wěn)定性仍滿足規(guī)范要求。然而，在16次干濕循環(huán)作用后，鹽蝕條件下的瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度及劈裂強度比降低了10%～20%及20%～30%，已不能滿足規(guī)范不低于80%及75%的最低要求；由圖3(c)、(d)可以看出，在16次凍融循環(huán)后，鹽溶液侵蝕的瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度及劈裂強度比較純水組分別下降20%～25%和37%～36%，也無法滿足規(guī)范不低于80%及75%的最低要求。由于凍融循環(huán)環(huán)境惡劣，鹽蝕-凍融循環(huán)作用的瀝青混合料水穩(wěn)定性下降幅度大于鹽蝕-干濕循環(huán)作用的瀝青混合料；隨著鹽溶液濃度的增加，各項水穩(wěn)定性能指標均呈下降趨勢，當濃度為10%時，水穩(wěn)定性能指標下降幅度最大。

因此，鹽溶液對瀝青混合料的水穩(wěn)定性能具有不利影響。由于Na+與石灰?guī)r堿性骨料反應(yīng)生成硅酸鹽凝膠，顯著降低了瀝青與骨料間的附著力。相較于水分，鹽溶液更易于侵入瀝青與集料間的界面，這將加速瀝青與集料界面的剝離。而凍融作用下，冰凍膨脹導(dǎo)致瀝青-集料界面強度降低。此外，瀝青混合料內(nèi)部的微裂紋加劇了鹽分的侵蝕，最終導(dǎo)致了瀝青混合料水穩(wěn)定性的大幅削減。

3 結(jié)論

本文采用室內(nèi)加速鹽蝕試驗?zāi)M臨海區(qū)域鹽蝕環(huán)境，將瀝青混合料試件置于NaCl與NaSO4不同濃度混合溶液中進行干濕循環(huán)及凍融循環(huán)，以研究鹽蝕作用下瀝青路面的性能劣化規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：

1) 隨著干濕循環(huán)及凍融循環(huán)作用次數(shù)的增大，瀝青混合料的路用性能均出現(xiàn)不同程度的劣化，尤其是低溫抗裂性及水穩(wěn)定性下降嚴重。然而，隨著循環(huán)作用次數(shù)的增大，瀝青混合料的路用性能劣化幅度趨于減緩。

2) 相較于純水環(huán)境條件下，瀝青混合料在鹽溶液中的性能劣化加速，當鹽溶液濃度為10%時，瀝青混合料各項性能指標下降幅度最大。因此，考慮最不利因素情況，推薦在濃度為10%的NaCl與NaSO4混合溶液中進行干濕及凍融循環(huán)，以加速模擬沿海地區(qū)瀝青路面在鹽蝕環(huán)境下的狀態(tài)。