李　華

（南京東交工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210002）

含鹽高濕環(huán)境對瀝青混合料路用性能影響及侵蝕機理研究

李華

（南京東交工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210002）

臨海地區(qū)特殊的含鹽高濕環(huán)境條件對瀝青混合料性能有著重要影響。文章從高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性3個方面分析了臨海含鹽高濕環(huán)境對瀝青混合料路用性能的影響；并運用電鏡掃描分析臨海含鹽高濕環(huán)境下瀝青混合料的形態(tài)特征，進一步分析了臨海含鹽高濕環(huán)境侵蝕機理。研究表明：臨海含鹽高濕環(huán)境降低了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性；降低了瀝青與集料的粘附力，氯鹽的結(jié)晶膨脹產(chǎn)生結(jié)晶壓力，導(dǎo)致混合料內(nèi)部出現(xiàn)損傷，使得混合料的強度大幅度降低。

瀝青混合料；含鹽高濕；路用性能；侵蝕機理；形態(tài)特征

沿海地區(qū)海霧頻發(fā)，高濃度的海霧往往成為NaCl的載體［1］，當(dāng)海霧在瀝青路面上凝結(jié)時，水分及其內(nèi)部含有的Cl-會滲入到瀝青路面結(jié)構(gòu)中。瀝青面層直接承受著行車荷載以及外界自然環(huán)境的雙重作用，并且需要提供安全、舒適的交通條件，而臨海地區(qū)高等級公路除了要承受以上不利因素外，還要承受鹽分的影響。由于從海面上源源不斷吹來的海風(fēng)所攜帶的鹽分最終以降雨形式降落到地面上，越來越多的鹽分侵入到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這在很大程度上會影響到瀝青混合料的路面性能。

本文通過模擬臨海地區(qū)含鹽高濕環(huán)境，從高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性3個方面分析臨海含鹽高濕環(huán)境對瀝青混合料路用性能的影響；并運用電鏡掃描分析臨海含鹽高濕環(huán)境下瀝青混合料的形態(tài)特征，并進一步分析了臨海含鹽高濕環(huán)境侵蝕機理，以期為臨海地區(qū)瀝青混合料材料優(yōu)化提供依據(jù)。

1 臨海含鹽高濕環(huán)境對瀝青混合料性能影響研究

臨海地區(qū)的特殊環(huán)境條件一方面使瀝青路面材料受到鹽分侵蝕破壞，另一方面由于濕度變化導(dǎo)致的干濕循環(huán)要比持續(xù)濕環(huán)境對瀝青混合料的侵蝕更加嚴(yán)重。考慮到以上環(huán)境特征，本文采用鹽溶液干濕循環(huán)模擬實際環(huán)境對路面材料性能的影響。參考已有的相關(guān)研究，設(shè)置3%，5%，10%不同濃度的鹽溶液，將不同級配瀝青混合料試件干濕循環(huán)21?d以模擬鹽分的侵蝕破壞作用，其中浸泡24?h后在室溫下干燥24?h為一個干濕循環(huán)（下同），并設(shè)置未經(jīng)鹽溶液侵蝕的混合料試件作為對比組。本文選擇臨海地區(qū)常用的3種級配AC-13、SMA-13、SUP-13的SBS改性瀝青混合料，從高低溫性能和水穩(wěn)定性方面分析不同瀝青混合料在含鹽高濕環(huán)境下的路用性能。

1.1 不同瀝青混合料高溫穩(wěn)定性研究

夏季，我國大部分臨海地區(qū)都會出現(xiàn)較長時間的高溫天氣，這將對瀝青路面使用性能造成極大影響。而鹽分的侵蝕破壞是臨海地區(qū)公路還需承受的另一大考驗［2］。因此，瀝青混合料是否具有優(yōu)良的抗高溫車轍能力，能否經(jīng)受鹽分的侵蝕成為評價其優(yōu)良性能的重要指標(biāo)。通過60?℃車轍試驗方法對各種混合料的高溫穩(wěn)定性進行分析，試驗結(jié)果見表1。

表1 車轍試驗結(jié)果（60 ℃）

從試驗結(jié)果可以看出，對于SMA-13和SUP-13級配，試件的高溫性能隨著NaCl溶液濃度的增大呈下降趨勢，其動穩(wěn)定度逐漸減小，60?min累積變形不斷增加。當(dāng)NaCl溶液濃度為5%時，試件已產(chǎn)生較大的累積變形，SMA-13較未浸泡前增加了35.6%，其動穩(wěn)定度也減少了1?472.3，SUP-13車轍變形較未浸泡前增加了37.6%，其動穩(wěn)定度也減少了1?136.8。對于級配AC-13，混合料的高溫性能同樣受到較大影響，其動穩(wěn)定度在NaCl溶液濃度為5%時下降了1?891。但其累積變形隨著NaCl溶液濃度的增大而不斷增加，在溶液濃度最大時變形達到最大。隨著NaCl溶液濃度從3%到10%，其變形增加率分別為29.1%， 42.7%，52.9%，即試件在濃度為5%時就已經(jīng)產(chǎn)生了較大變形。濃度從5%變化為10%時，累積變形變化幅度較之前有所減小。試驗結(jié)果表明在含鹽高濕環(huán)境下，鹽分和水分進入SMA-13、AC-13及SUP-13不同級配瀝青混合料內(nèi)部后，其高溫性能均受到影響。

1.2 不同瀝青混合料低溫穩(wěn)定性研究

瀝青具有溫度敏感性，隨著溫度變化，其力學(xué)特性也會發(fā)生很大變化。當(dāng)溫度降低時，瀝青混合料的強度和勁度逐漸增大，與此同時，其變形能力隨著勁度增大顯著下降，從而容易產(chǎn)生脆性破壞。同時伴隨著溫度降低，由于瀝青混合料模量較大其內(nèi)部會產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，容易導(dǎo)致低溫開裂［3-4］。

本文采用低溫彎曲試驗評價不同瀝青混合料的低溫變形性能。參照規(guī)范，試驗溫度設(shè)為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。同樣設(shè)置3%，5%，10%不同濃度鹽溶液，將不同級配混合料試件干濕循環(huán)21 d后進行低溫對比試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 小梁低溫彎曲試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，經(jīng)過不同濃度的鹽溶液干濕循環(huán)后，3種級配試件的抗彎拉強度、最大彎拉應(yīng)變隨鹽溶液濃度增加而降低。SMA-13級配試件經(jīng)過3%、5%、10% 3種不同濃度鹽溶液干濕循環(huán)后，抗彎拉強度分別下降了6.9%、10.7%、26.2%，最大彎拉應(yīng)變分別下降了11.4%、19.4%、27.0%。AC-13級配試件經(jīng)過3%、5%、10% 3種不同濃度鹽溶液干濕循環(huán)后，抗彎拉強度分別下降了3.2%、7.4%、19.0%，最大彎拉應(yīng)變分別下降了9.2%、17.0%、22.5%。SUP-13級配試件經(jīng)過3%、5%、10% 3種不同濃度鹽溶液干濕循環(huán)后，抗彎拉強度分別下降了9.1%、17.9%、25.8%，最大彎拉應(yīng)變分別下降了14.4%、17.7%、24.2%。SMA-13、AC-13級配試件的抗彎拉強度在鹽溶液濃度為10%時才表現(xiàn)出較大的損失，而SUP-13級配試件抗彎拉強度在鹽溶液濃度為5%時即出現(xiàn)了較大的損失，這與SUP-13級配試件空隙率較大有關(guān)。較大的空隙率使鹽分以及水分更容易進入混合料內(nèi)部引起瀝青結(jié)合料老化，降低瀝青與集料之間的粘結(jié)力，導(dǎo)致瀝青混合料的低溫抗開裂能力降低。

1.3 不同瀝青混合料水穩(wěn)定性研究

為確保臨海地區(qū)瀝青路面具有良好的水穩(wěn)性能［5］，本文采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來評價3種不同級配的瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

（1）浸水馬歇爾試驗

將馬歇爾試件分組分別在3%、5%、10%濃度的NaCl溶液中干濕循環(huán)2 d，并設(shè)置未經(jīng)浸泡的試件作對比。之后將試件在已達規(guī)定溫度的恒溫水槽中保溫48 h后進行馬歇爾試驗，記錄穩(wěn)定度和流值，對比分析試驗結(jié)果見表3。

表3 浸水馬歇爾試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，隨著NaCl溶液濃度的增大，SMA-13、AC-13以及SUP-13級配的殘留穩(wěn)定度均呈現(xiàn)減小的趨勢，但當(dāng)NaCl溶液濃度為10%時，SMA-13試驗結(jié)果反而優(yōu)于濃度為5%時的試驗結(jié)果。而當(dāng)NaCl溶液濃度由5%增大到10%，AC-13殘留穩(wěn)定度仍繼續(xù)減小。當(dāng)NaCl溶液濃度為3%時，殘留穩(wěn)定度出現(xiàn)了超過100%的現(xiàn)象。在其他濃度時，殘留穩(wěn)定度均較高，超過了90%。SUP-13級配試件的殘留穩(wěn)定度隨鹽溶液濃度增大而一直下降。

由此可以看出，應(yīng)用浸水馬歇爾試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)性能時，試驗結(jié)果差異很小，很難從定量的角度準(zhǔn)確地評估影響瀝青混合料水穩(wěn)性能的各種因素所占比重，也難以開展試驗機理等理論研究。在試驗過程中，進入試件內(nèi)部的水始終處在靜止?fàn)顟B(tài)，不能模擬實際行車荷載作用下鹽水對集料和瀝青膜的沖擊破壞作用，因此浸水馬歇爾試驗不適用于評價含鹽高濕環(huán)境下瀝青混合料的水穩(wěn)性。

（2）凍融劈裂試驗

浸水馬歇爾試驗僅僅評價了高溫條件下瀝青混合料的水穩(wěn)性能，沒有考慮低溫條件下含鹽高濕環(huán)境對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，因此進行凍融劈裂試驗簡單模擬混合料經(jīng)歷凍-融的過程后的水穩(wěn)定性能。將經(jīng)過3%、5%、10% 3種不同濃度NaCl溶液干濕循環(huán)21 d的試件以及未經(jīng)浸泡的試件隨機分成2組，將第1組試件置于室溫下保留備用。第2組試件按規(guī)程要求，在98.3～98.7 kPa真空飽水15 min，-18 ℃冰凍16 h、60 ℃水浴保溫24 h，然后和未凍融的試件同時放入25 ℃水浴保溫2 h，進行劈裂試驗。試驗結(jié)果見表4。

表4 凍融劈裂試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，隨著鹽溶液濃度的增加，3種級配試件的劈裂強度比TSR均呈遞減的趨勢。說明在含鹽高濕環(huán)境下，隨著鹽分以及水分的不斷侵蝕，瀝青混合料的水穩(wěn)性能逐漸降低。經(jīng)過鹽溶液侵蝕破壞作用后， SMA-13及AC-13試件的抗凍融劈裂性能要優(yōu)于級配SUP-13。由于2種試件的空隙率存在著差異，而空隙率會對混合料水穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，表現(xiàn)為設(shè)計孔隙率較大的SUP-13水穩(wěn)定性能較差。

2 含鹽高濕環(huán)境下瀝青混合料形態(tài)特征研究

瀝青混合料經(jīng)NaCl溶液干濕循環(huán)作用后各項性能指標(biāo)均有不同程度的下降，為了進一步深入研究含鹽高濕環(huán)境對瀝青混合料的影響，本文擬從外觀和微細觀2個角度分析浸泡NaCl溶液前后瀝青混合料試件形態(tài)特征的變化。瀝青混合料試件在NaCl溶液干濕循環(huán)21 d前后的外觀形態(tài)如圖1所示。

圖1 試件浸泡前后的外觀形態(tài)

由圖1可以直觀地看出馬歇爾試件在NaCl溶液中浸泡前后表面形貌發(fā)生了很大變化，浸泡并干燥后的試件表面覆蓋了大量的NaCl晶體，NaCl晶體填充了試件表面的空隙，甚至侵入到了試件表面的微裂縫中。試件表層瀝青混合料中集料表面裹覆的瀝青膜發(fā)生破損，部分瀝青膜已經(jīng)剝落，且表層混合料的空隙較對比組試件明顯增大。

經(jīng)NaCl溶液干濕循環(huán)前后馬歇爾試件內(nèi)部瀝青混合料的SEM微觀形貌如圖2、圖3所示。由圖2中可以看出，在未經(jīng)NaCl溶液侵蝕作用的瀝青混合料中，許多礦粉顆粒凸出于瀝青膠漿的結(jié)合界面并有部分結(jié)團現(xiàn)象，礦粉顆粒表面尚未被瀝青薄膜完全裹覆，膠漿表面較為粗糙且具有較大的孔隙，該現(xiàn)象說明此時的瀝青用量偏小，并不能保證瀝青混合料在浸水和凍融條件下的水穩(wěn)定性。由圖3可知，經(jīng)NaCl溶液干濕循環(huán)21 d的瀝青混合料，在礦料與瀝青界面處可以明顯看到白色的局部區(qū)域，并大范圍地向周圍擴散，推斷出此物質(zhì)為NaCl 晶體。NaCl溶液通過孔隙進入瀝青混合料內(nèi)部后，不斷在混合料內(nèi)部聚集并產(chǎn)生結(jié)晶膨脹，而混合料內(nèi)部卻沒有足夠的空間容納氯鹽結(jié)晶，直接導(dǎo)致瀝青與集料的粘結(jié)力下降，造成混合料強度降低，從而加劇瀝青混合料的破壞。

圖2 浸泡前瀝青混合料的SEM圖

圖3 浸泡后瀝青混合料的SEM圖

3 臨海含鹽高濕環(huán)境侵蝕機理分析

在含鹽高濕環(huán)境下，含有NaCl的高濃度鹽霧在瀝青路面上凝結(jié)形成NaCl溶液并逐漸通過瀝青混合料的空隙滲入到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。臨海含鹽高濕地區(qū)瀝青路面早期水損壞現(xiàn)象比較嚴(yán)重，結(jié)合前面的試驗研究、形態(tài)特征和微觀分析結(jié)果可知，含鹽高濕環(huán)境對瀝青混合料的侵蝕機理如下［6-7］：

（1）鹽溶液對瀝青的乳化作用。積聚在混合料中的鹽溶液與瀝青接觸后，鹽溶液中的Na+與瀝青產(chǎn)生化學(xué)吸附形成極不穩(wěn)定的吸附層，遇水后極易乳化，同時Na+還會與堿性集料發(fā)生堿集料反應(yīng)生成硅酸鹽凝膠，這些反應(yīng)均顯著地降低瀝青與集料的粘附性。在瀝青與集料的界面交匯處，由于鹽溶液的表面張力比瀝青要大得多，鹽溶液比瀝青能得到更大比例的集料表面，加速了瀝青從集料表面的剝落。另外，在氯鹽溶液的作用下瀝青混合料的空隙率逐漸增大，這又進一步加劇了氯鹽溶液對瀝青混合料的影響，加速瀝青結(jié)合料的乳化作用，進而造成瀝青路面早期水損壞的發(fā)生。

（2）鹽溶液加速瀝青結(jié)合料的老化。瀝青混合料經(jīng)受氯鹽溶液的長期作用后，鹽溶液中Cl-的侵蝕加速了混合料中瀝青的老化，使瀝青的勁度模量增大、低溫延度減小，瀝青變硬、變脆，柔韌性和變形能力降低。瀝青老化后，瀝青與粗細集料的粘附性減弱，瀝青混合料的粘聚力和混合料試件破壞時的最大彎拉應(yīng)變減小，在水分、溫度和荷載的循環(huán)作用下瀝青路面就會出現(xiàn)早期水損壞和低溫開裂等病害。

（3）混合料內(nèi)部氯鹽的結(jié)晶膨脹。當(dāng)滯留在瀝青混合料內(nèi)部鹽溶液中的水分蒸發(fā)后，NaCl晶體不斷地在瀝青混合料內(nèi)部空隙中聚集并結(jié)晶膨脹，而混合料內(nèi)部沒有足夠的空隙容納膨脹增大的氯鹽結(jié)晶，從而導(dǎo)致混合料內(nèi)部出現(xiàn)損傷，混合料的強度大幅度降低，使得瀝青路面易發(fā)生車轍和裂縫等病害。同時，侵入混合料內(nèi)部的氯鹽溶液還會起到潤滑劑的作用降低集料之間的相互嵌擠作用力和瀝青混合料的內(nèi)磨阻角，從而降低瀝青路面的高溫抗車轍性能。

5 結(jié)語

本文通過室內(nèi)試驗?zāi)M含鹽高濕環(huán)境對3種級配瀝青混合料性能的影響，對比分析其路用性能的差異和侵蝕作用機理，得到以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過含鹽高濕環(huán)境侵蝕后，SMA-13、AC-13 及SUP-13的高溫性能均呈現(xiàn)下降趨勢。隨著鹽溶液濃度的增加，其性能下降趨勢加劇。AC-13瀝青混合料的高溫性能受含鹽高濕環(huán)境影響最大。

（2）低溫彎曲試驗結(jié)果表明，隨著鹽溶液濃度的增加，SMA-13、AC-13及SUP-13的抗彎拉強度和最大彎拉應(yīng)變均逐漸下降。由于SUP-13級配的空隙率較大，鹽溶液更易浸入混合料內(nèi)部后造成瀝青老化，粘結(jié)力降低，影響混合料低溫性能。

（3）瀝青混合料的水穩(wěn)性能與其空隙率有著較大關(guān)系。采用Superpave法設(shè)計的SUP-13級配空隙率較大，更容易受鹽溶液侵蝕而導(dǎo)致水穩(wěn)性能下降。

（4）含鹽高濕環(huán)境的侵蝕作用機理：鹽溶液對瀝青的乳化作用可以顯著地降低瀝青與集料的粘附力；鹽溶液加速瀝青結(jié)合料的老化，使得瀝青變硬、變脆，柔韌性和變形能力降低；混合料內(nèi)部氯鹽的結(jié)晶膨脹，產(chǎn)生結(jié)晶壓力，導(dǎo)致混合料內(nèi)部出現(xiàn)損傷，使得混合料的強度大幅度降低。

［1］何肖斌.海水鹽霧對瀝青路面的危害及防治措施［J］.福建交通科技，2009（2）：33-35.

［2］叢培良，陳拴發(fā)，陳華鑫.除冰鹽對瀝青混凝土性能的影響［J］.公路，2011（6）：180-184.

［3］周金枝，鄭建華.氯鹽浸蝕下瀝青混凝土低溫性能試驗研究［J］.中外公路，2012，31（10）：215-217.

［4］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，2011，33（2）：72-76.

［5］任傳軍，施惠生，關(guān)函非. SBS改性瀝青混合料耐海水侵蝕性能研究［J］.中南公路工程，2006，31（6）：58-60.

［6］Federal Highway Administration（FHWA）. Manual of Practice for Effective Anti-icing Program: A Guide for Highway Winter Maintenance Personnel［R］. Report No. FHWA-RD-95-202. McLean，Va.1996.

［7］Tongyan Pan，Xiaodong He， Xianming Shi. Laboratory Investigation of Acetate-Based Deicing/Anti-Icing Agents Deteriorating Airfield Asphalt Concrete［J］. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists，2008，77：773-797.

Influence and Erosion Mechanism of Salty and Humidity Environment on Asphalt Mixture

Li Hua
（Nanjing Dongjiao Engineering Consulting Co.， Ltd.， Nanjing 210002， China）

The salty and humidity environment has great influence on the performance of asphalt mixture around sea area. The effect of salty and humidity enviroment on asphalt mixture performance are analyzed from aspects of high temperature stability，low temperature crack resistance and water stability in this paper. And the morphological characteristics of asphalt mixture in salty and humidity environment are studied using SEM， erosion mechanism is also analyzed. The research results show that the salty humidity environment reduces the high temperature stability， low temperature crack resistance and water stability of asphalt mixture and the adhesion of asphalt and aggregate. The crystallization of chlorine salt leads to internal mixture injury and decreases stability and strength of asphalt mixture.

asphalt mixture； salty and humidity； pavement performance； erosion mechanism； morphological characteristics

U419.5

A

1672-9889（2016）01-0017-04

李華（1979-），男，江蘇連云港人，工程師，主要從事道路工程技術(shù)咨詢工作。

2015-05-22）