周志剛，王巖，李剛，高瓊

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

路面的抗滑性能是行車安全的重要保障［1-2］。輪胎和路面之間的摩擦力受到車輛荷載［3-4］、環(huán)境因素、路面潔凈程度的影響［5］。擺值和平均斷面深度是表征路面抗滑性能的主要參數(shù)［6-9］。在行車荷載反復(fù)作用下，路面的表面構(gòu)造發(fā)生改變［10］，主要表現(xiàn)在宏觀構(gòu)造和微觀紋理，影響了路面的抗滑耐久性能［11-13］。透水瀝青路面的排水瀝青混凝土的內(nèi)部粗骨料相互交錯(cuò)，形成大量連通孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［14］。雨水透過(guò)路面表層進(jìn)入內(nèi)部，再以水平方向排出，這顯著提高了雨天路面排水效率，解決了傳統(tǒng)密集配瀝青路面在積水條件下抗滑性能不足的問(wèn)題［15-16］。然而，由于透水瀝青路面具有高孔隙率的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其容易遭受酸雨的長(zhǎng)時(shí)間、大面積腐蝕，對(duì)瀝青混合料的結(jié)構(gòu)和路用性能產(chǎn)生不利影響［17］。關(guān)于酸雨對(duì)瀝青路面的侵蝕影響，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了一些研究。張倩等［18］采用周期浸泡的方式，研究了4 種不同級(jí)配混合料在3 種pH 值的酸溶液中的腐蝕?；瘜W(xué)侵蝕導(dǎo)致瀝青混合料的空隙率增加，結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度下降，其中，AC-16 瀝青混合料耐酸溶液腐蝕較好。馮新軍等［19］對(duì)酸溶液浸泡腐蝕后的瀝青混合料進(jìn)行了路用性能測(cè)試，指出瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性的下降幅度隨著酸溶液濃度和浸泡周期的增大而增大。周興林等［20］采用平板磨光法對(duì)經(jīng)過(guò)酸溶液噴淋后的試件進(jìn)行磨光試驗(yàn)，得到試件加載初期、前期、后期的擺值衰減趨勢(shì)，指出SMA-13瀝青混合料的抗滑性能要優(yōu)于AC-13瀝青混合料的。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)酸溶液對(duì)瀝青混合料的腐蝕機(jī)理和力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究，而關(guān)于循環(huán)荷載作用下酸腐蝕對(duì)瀝青混合料抗滑性能影響的研究并不多見。考慮到透水瀝青混合料在抗滑性能上優(yōu)于其他類型的瀝青混合料，但是關(guān)于透水瀝青混合料在酸雨環(huán)境下的抗滑性能，以及與其他類型混合料進(jìn)行對(duì)比和定量評(píng)價(jià)的資料很匱乏。因此，本研究通過(guò)濕干循環(huán)浸泡處理瀝青混合料試件，模擬酸雨環(huán)境，利用小型加速加載設(shè)備進(jìn)行加速加載試驗(yàn)，采用激光斷面儀和擺式儀測(cè)試、評(píng)價(jià)混合料表面的抗滑性能，并對(duì)透水瀝青混合料OGFC-13 和密集配瀝青混合料AC-13 在不同酸濃度和浸泡周期的影響下的抗滑耐久性能進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)材料

1.1 瀝青及改性劑

AC-13 所用瀝青為SBS 改性瀝青，OGFC-13 所用瀝青為高黏瀝青，即在SBS 改性瀝青中投入HVA高黏劑，摻量比例為SBS改性瀝青∶HVA高黏劑=92∶8。SBS 改性瀝青按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的方法和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的技術(shù)要求進(jìn)行檢測(cè)，SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 SBS改性瀝青改性前后技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of the SBS modified asphalt before and after modification

1.2 瀝青混合料集料與級(jí)配設(shè)計(jì)

OGFC-13 瀝青混合料和AC-13 瀝青混合料的粗集料均為輝綠巖，細(xì)集料均為石灰?guī)r，礦粉均為石灰?guī)r礦粉。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）中的試驗(yàn)方法和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG E40—2004）中的技術(shù)要求對(duì)集料和礦粉進(jìn)行檢測(cè)，OGFC-13 瀝青混合料和AC-13 瀝青混合料的最佳油石比分別為4.2%、4.7%，空隙率分別為20.15%、3.11%，各篩孔的通過(guò)率見表2。

表2 OGFC-13和AC-13瀝青混合料集料級(jí)配Table 2 Aggregate gradation of the OGFC-13 and the AC-13 asphalt mixture %

1.3 酸溶液制備

酸雨中的酸性物質(zhì)主要來(lái)自人為排放的SO2、NOx 等氣體，這些氣體經(jīng)過(guò)氧化和水解作用，形成H2SO4、HNO3、HNO2。本試驗(yàn)采用0.05 mol/L 的H2SO4、0.1 mol/L 的HNO3以及蒸餾水在常溫下配制了酸溶液。蒸餾水是用蒸餾水發(fā)生器自行制備的。按照c（SO42-）∶c（NO3-）=9∶1 的比例，配置了pH 值為2、4 的酸溶液［21］。這些酸溶液與蒸餾水溶液（pH 值為7）進(jìn)行了對(duì)比。

2 試驗(yàn)方法

2.1 酸環(huán)境腐蝕模擬試驗(yàn)

采用周期循環(huán)濕干浸泡對(duì)OGFC-13 瀝青混合料和AC-13 瀝青混合料進(jìn)行處理，每個(gè)浸泡周期為7 d，其中，前6 d對(duì)試件進(jìn)行浸泡處理，第7 d將試件放置在室內(nèi)環(huán)境晾干。為保證溶液酸性的穩(wěn)定，在浸泡過(guò)程中每天定時(shí)測(cè)量溶液的pH 值，若發(fā)現(xiàn)pH值發(fā)生了變化，及時(shí)更換溶液。同時(shí)，為避免室內(nèi)環(huán)境溫度的變化對(duì)酸溶液的腐蝕速度造成影響，本試驗(yàn)采用恒溫棒將溶液的溫度維持在30 ℃。

2.2 加速加載試驗(yàn)

采用MMLS3 加速加載儀對(duì)瀝青混合料試件進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)。該加速加載儀有4 個(gè)充氣橡膠加載輪胎，輪胎寬度80 mm。試驗(yàn)中，設(shè)置的輪載為2 700 N，胎壓為0.7 MPa，加載速度為每小時(shí)6 000次，試驗(yàn)加載次數(shù)達(dá)到80萬(wàn)次時(shí)結(jié)束。

2.3 路表紋理構(gòu)造檢測(cè)

采用加速加載儀配套的MMLS PM900路面激光斷面儀檢測(cè)路表的紋理構(gòu)造。在掃描過(guò)程中，激光掃描范圍為100 mm，掃描頻帶為1 mm/次，掃描精度為0.01 mm。使用激光斷面儀測(cè)量與行車方向垂直的橫斷面，并在2 萬(wàn)次、40 萬(wàn)次和70 萬(wàn)次對(duì)試件進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)掃描圖像求平均斷面深度DMP，并以DMP來(lái)表征路表宏觀構(gòu)造的變化趨勢(shì)。DMP的測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 平均斷面深度Fig. 1 Average section depth

其計(jì)算公式如下：

式中：

DMP為平均斷面深度，mm；

h1、h2分別為斷面前、后半周期最高波峰的高程，mm；

h為斷面的平均高程，mm。

2.4 抗滑性能擺值檢測(cè)

采用BM-Ⅲ型擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀，檢測(cè)加速加載試驗(yàn)后試件的摩擦擺值。在加速加載試驗(yàn)的前期［0～10］ 萬(wàn)次，每隔2 萬(wàn)次測(cè)量一次試件的擺值。在（10，20） 萬(wàn)次，每隔5 萬(wàn)次測(cè)量一次試件的擺值。在大于等于20 萬(wàn)次，每隔10 萬(wàn)次測(cè)量一次試件的擺值。

3 腐蝕現(xiàn)象分析

1） 試件表面出現(xiàn)氣泡現(xiàn)象。

如圖2所示，經(jīng)過(guò)酸溶液浸泡后，試件表面產(chǎn)生了大量氣泡。在pH 值為2的溶液中，試件表面的氣泡數(shù)量明顯多于pH 值為4溶液中的試件表面氣泡，而在pH 值為7的溶液中，試件表面幾乎沒有氣泡產(chǎn)生。這是因?yàn)闉r青混合料的細(xì)集料是石灰?guī)r，其主要成分是CaCO3，可與硝酸、硫酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO2氣體。酸性越強(qiáng)，該反應(yīng)越劇烈，導(dǎo)致試件表面氣泡數(shù)量增加。

圖2 試件表面氣泡Fig. 2 Bubbles on specimen surface

2） 試件表面瀝青膜出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)酸溶液浸泡后，試件表面瀝青膜的面積減小，露出了白色集料。在pH 值為2 的溶液中，試件表面露出集料的面積較大。而在pH 值為7 的溶液中，試件表面集料不外露，瀝青膜保持完整。這是由于酸性物質(zhì)與瀝青膜發(fā)生了氧化腐蝕，使得瀝青中的膠質(zhì)含量下降，同時(shí)瀝青膜產(chǎn)生了微裂縫。酸雨可以從瀝青膜的微裂縫中進(jìn)入瀝青膜內(nèi)部，與瀝青膜包裹的集料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成集料鈉、鎂、鈣等粒子的流失，降低了集料和瀝青的黏附性，導(dǎo)致瀝青膜脫落。酸雨透過(guò)集料空隙，滲透至內(nèi)部，加劇了腐蝕。相較于AC-13 瀝青混合料，OGFC-13瀝青混合料剝落的瀝青膜較少，這是因?yàn)榍罢叩臑r青膜較厚、黏性較強(qiáng)，水分難以侵蝕并剝落瀝青膜。浸泡2 個(gè)周期和4 個(gè)周期的試件表面裸露的集料面積無(wú)明顯變化，表明在前2 個(gè)周期瀝青膜已經(jīng)基本剝落完畢。浸泡2 個(gè)周期后的試件如圖3所示。

圖3 試件表面瀝青膜剝落Fig. 3 Asphalt film spalling on specimen surface

4 擺值測(cè)試結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)pH 值為2、4、7 的溶液浸泡4 個(gè)周期后的試件和未浸泡的試件，在加速加載設(shè)備中進(jìn)行加載后測(cè)得的擺值結(jié)果如圖4 所示。利用該圖對(duì)比分析溶液酸濃度對(duì)抗滑性能的影響。未經(jīng)過(guò)任何處理的試件，在pH 值為2 時(shí)，浸泡2 個(gè)周期和4 個(gè)周期的試件進(jìn)行加速加載試驗(yàn)后測(cè)擺值，結(jié)果如圖5所示。利用該圖對(duì)比分析浸泡周期對(duì)抗滑性能的影響。

圖4 不同pH值條件下試件擺值衰變曲線Fig. 4 Pendulum decay curves of specimens under different pH values

圖5 不同浸泡周期處理后試件擺值衰變曲線Fig. 5 Pendulum decay curves of specimens after different immersion cycles

為了使試件的擺值準(zhǔn)確反映路面的常態(tài)抗滑能力，將加載2 萬(wàn)次后測(cè)得的擺值作為曲線起點(diǎn)。在初始加載階段（前6 萬(wàn)次），未浸泡試件的擺值呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)闉r青膜在加載過(guò)程中被去除；而浸泡過(guò)的試件由于瀝青膜在浸泡過(guò)程中就已經(jīng)被腐蝕破壞，故其擺值隨加載次數(shù)呈下降趨勢(shì)。整體上，AC-13 瀝青混合料和OGFC-13 瀝青混合料在前20萬(wàn)次加載中，擺值的衰減速率較快。當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到50 萬(wàn)次后，試件的擺值變化不大。根據(jù)KANE［22］提出的路面全壽命周期內(nèi)抗滑性能隨磨耗次數(shù)變化的模型，可以將加載前20萬(wàn)次劃分為快速衰減階段，將加載20～50 萬(wàn)次劃分為緩慢衰減階段，將加載50～80萬(wàn)次劃分為穩(wěn)定階段。

對(duì)于未浸泡試件，在循環(huán)加載前期（約6～8 萬(wàn)次），AC-13 瀝青混合料的擺值高于OGFC-13 瀝青混合料的。然而，在瀝青膜逐漸剝落的過(guò)程中，AC-13瀝青混合料的擺值逐漸降低，而OGFC-13瀝青混合料的擺值逐漸升高。在加載30萬(wàn)次之后，這種差距變得更加明顯。這是因?yàn)樵谇捌跒r青膜剝落前，雖然OGFC-13 瀝青混合料的紋理構(gòu)造深度（DMP=0.77）大于AC-13 瀝青混合料的紋理構(gòu)造深度（DMP=0.31），但輪胎橡膠與瀝青膜之間的黏性摩擦力占主導(dǎo)地位，輪胎橡膠直接接觸瀝青膜，集料宏微觀構(gòu)造的切削摩擦力尚未體現(xiàn)出來(lái)。由于AC-13瀝青混合料的表面接觸面積大于OGFC-13 瀝青混合料的，因此AC-13 瀝青混合料的抗滑性能強(qiáng)于OGFC-13 瀝青混合料的。隨著循環(huán)加載次數(shù)增加，試件表面的瀝青膜逐漸剝落，集料宏微觀構(gòu)造的切削摩擦力增強(qiáng)，逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，后期OGDC-13 瀝青混合料的抗滑性能強(qiáng)于AC-13 瀝青混合料的。

對(duì)于經(jīng)過(guò)浸泡處理的試件，由于瀝青膜在加載過(guò)程中剝落，經(jīng)歷了前期（加載前2 萬(wàn)次）短暫的循環(huán)作用后（進(jìn)一步促使瀝青膜剝落），AC-13 瀝青混合料的擺值逐漸低于OGFC-13瀝青混合料的。這一變化規(guī)律及其原因與未浸泡試件的抗滑性能的分析相同。

5 酸腐蝕對(duì)瀝青混合料抗滑性能的衰變效應(yīng)

5.1 酸濃度的影響

引入擺值損失率和變化率作為瀝青混合料抗滑性能階段性衰減評(píng)價(jià)指標(biāo)［22-24］，分別計(jì)算試件在各階段的擺值損失率和變化率，結(jié)果如圖6 所示。從圖6（a）可以看出，隨著酸濃度增加，擺值損失率呈增大趨勢(shì)，路面抗滑性能下降更為明顯。其中，OGFC-13 瀝青混合料的擺值損失率遠(yuǎn)小于AC-13瀝青混合料的。從圖6（b）可以看出，擺值的衰減主要集中在快速衰減階段，在穩(wěn)定期變化很小。隨著酸濃度增加，混合料擺值在前期衰減速率加快。整體上，OGFC-13 瀝青混合料的擺值衰減速率低于AC-13 瀝青混合料的。因此，與AC-13 瀝青混合料相比，OGFC-13 瀝青混合料具有更好的抗滑耐久性能，酸腐蝕對(duì)其抗滑性能的衰變效應(yīng)相對(duì)較弱。

圖6 不同酸濃度下擺值損失率及變化率Fig. 6 Loss rate and change rate of swing value at different acid concentrations

采用指數(shù)模型Y=AeBx+C來(lái)分析抗滑指標(biāo)與荷載作用次數(shù)之間的關(guān)系［25-28］。Y為抗滑指標(biāo)（擺值或構(gòu)造深度）；x為荷載作用次數(shù)。當(dāng)加載次數(shù)趨近于0 時(shí)，A+C可以代表混合料的抗滑初始值，而當(dāng)加載次數(shù)趨近于無(wú)窮大時(shí)，C表示混合料在穩(wěn)定階段的抗滑性能指標(biāo)，B表示混合料抗滑性能的衰減速率，A表示混合料抗滑性能的衰減幅度。擺值擬合結(jié)果見表3。

表3 不同酸濃度下擺值指數(shù)模型擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of pendulum index model under different acid concentrations

根據(jù)表6 中C與瀝青混合料實(shí)測(cè)擺值的對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：在pH 值為2、4、7 和未浸泡條件下，AC-13 瀝青混合料進(jìn)入穩(wěn)定階段所需的荷載作用次數(shù)，分別為30、40、50、50 萬(wàn)次。而對(duì)于OGFC-13 瀝青混合料，在相同的pH 值和未浸泡條件下，進(jìn)入穩(wěn)定階段所需的荷載作用次數(shù)，分別為40、50、60、60 萬(wàn)次。隨著酸濃度的增加，混合料進(jìn)入穩(wěn)定階段的加載次數(shù)有所減少，這對(duì)路面的抗滑耐久性是不利的。值得注意的是，OGFC-13 瀝青混合料在腐蝕后，其抗滑耐久性優(yōu)于AC-13 瀝青混合料的。

使用激光斷面儀對(duì)試件進(jìn)行測(cè)量，得到與行車方向垂直的橫斷面，并計(jì)算加載2 萬(wàn)次與40 萬(wàn)次的斷面高程差以及加載40 萬(wàn)次與70 萬(wàn)次的斷面高程差，如圖7 所示。試件在加載2 萬(wàn)次與40 萬(wàn)次之間的斷面高程差較大，40萬(wàn)次與70萬(wàn)次之間的斷面高程差較小。這表明試件在40萬(wàn)次加載之前，混合料的宏觀構(gòu)造已經(jīng)被壓密實(shí)。隨著酸濃度的增加，加載2萬(wàn)次和40萬(wàn)次之間的斷面高程差增大，而40萬(wàn)次和70 萬(wàn)次之間的斷面高程差減小。這表明40 萬(wàn)次加載之前，酸濃度的增加會(huì)加速瀝青膜剝落，促使表面集料的進(jìn)一步擠密平整，導(dǎo)致斷面高程差衰減增大，而在前期穩(wěn)定后，酸濃度的增加反而導(dǎo)致后期難以繼續(xù)擠密，因此后期斷面高程差隨著酸濃度的增加會(huì)減小。通常情形下，OGFC-13 瀝青混合料的DMP值衰減率大于AC-13 瀝青混合料的，這與其空隙率較大有關(guān)。盡管如此，OGFC-13 瀝青混合料經(jīng)酸腐蝕后，加載前、后的DMP值均遠(yuǎn)大于AC-13瀝青混合料的，因此可以提供更好的抗滑耐久性能。

圖7 不同酸濃度下激光斷面高程差Fig. 7 Elevation difference of laser section under different acid concentration

5.2 酸浸泡周期的影響

不同浸泡周期下擺值損失率及變化率的結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同浸泡周期下擺值損失率及變化率Fig. 8 Loss rate and change rate of pendulum value under different soaking cycles periods

從圖8可以看出，隨著浸泡周期的增加，擺值損失率呈明顯上升趨勢(shì)。與AC-13 瀝青混合料相比，OGFC-13 瀝青混合料的擺值損失率較低，表明酸環(huán)境對(duì)OGFC-13 瀝青混合料抗滑性能的影響相對(duì)較弱，OGFC-13 瀝青混合料具有更好的抗滑耐久性能。比較這兩種類型混合料在酸溶液中分別浸泡2個(gè)周期和4 個(gè)周期后的擺值損失率及擺值變化率時(shí)，它們之間的差異并不顯著。這表明在2 個(gè)周期的酸環(huán)境下，試件已經(jīng)被腐蝕。因此，增加浸泡時(shí)間，并不會(huì)顯著改變抗滑性能的衰變速率和衰變程度。

根據(jù)表4 擺值指數(shù)模型的擬合結(jié)果，兩種混合料在不浸泡、浸泡2 個(gè)周期、浸泡4 個(gè)周期條件下進(jìn)入穩(wěn)定階段的荷載作用次數(shù)如下：對(duì)于AC-13 混合料，為50、40、40 萬(wàn)次；對(duì)于OGFC-13 混合料，為60、60、40 萬(wàn)次。隨著浸泡周期的增加，混合料進(jìn)入抗滑穩(wěn)定階段所需要的加載次數(shù)減少，這表明浸泡周期的增加會(huì)降低混合料的抗滑耐久性。

表4 不同浸泡周期下擺值指數(shù)模型擬合結(jié)果匯總Table 4 Summary of fitting results of pendulum index model under different soaking cycles periods

不同浸泡周期下的斷面高程差結(jié)果如圖9 所示。從圖9可以看出，浸泡2個(gè)周期的試件加載2萬(wàn)次和40 萬(wàn)次之間的斷面高程差是未浸泡的2 倍以上，浸泡2 個(gè)周期和4 個(gè)周期的斷面高程差并沒有明顯差別。在加載后期，斷面高程差變化不大。這是因?yàn)樵嚰诮? 個(gè)周期后已經(jīng)被腐蝕，浸泡2個(gè)周期之后再增加浸泡時(shí)間對(duì)試件的腐蝕程度影響不大。

圖9 不同浸泡周期下激光斷面高程差Fig. 9 Elevation difference of laser section under different immersion periods

6 結(jié)論

1） 酸環(huán)境會(huì)對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生腐蝕作用，導(dǎo)致瀝青膜脫落，從而進(jìn)一步加劇酸雨對(duì)內(nèi)部集料的腐蝕。

2） 在循環(huán)加載前期，未浸泡的瀝青混合料試件會(huì)存在瀝青膜去除、擺值上升的過(guò)程，然后與浸泡過(guò)的瀝青混合料試件一樣，抗滑性能會(huì)經(jīng)歷快速衰減期、緩慢衰減期和穩(wěn)定期這三個(gè)階段，其中抗滑性能的衰減主要集中在快速衰減階段。

3） 隨著酸濃度和浸泡周期的延長(zhǎng)，會(huì)加速瀝青混合料抗滑性能的衰減，使其更早進(jìn)入穩(wěn)定階段，從而降低混合料的抗滑耐久性能。

4） 與AC-13 瀝青混合料相比，OGFC-13 瀝青混合料在瀝青膜剝落后具有良好的紋理構(gòu)造，因而能提供更強(qiáng)的切削摩擦力，從而在酸環(huán)境下保證更好的抗滑耐久性能。