含盐高湿环境对沥青混合料路用性能影响及侵蚀机理研究

李　华

（南京东交工程咨询有限公司，江苏 南京 210002）

含盐高湿环境对沥青混合料路用性能影响及侵蚀机理研究

李华

（南京东交工程咨询有限公司，江苏 南京 210002）

临海地区特殊的含盐高湿环境条件对沥青混合料性能有着重要影响。文章从高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性3个方面分析了临海含盐高湿环境对沥青混合料路用性能的影响；并运用电镜扫描分析临海含盐高湿环境下沥青混合料的形态特征，进一步分析了临海含盐高湿环境侵蚀机理。研究表明：临海含盐高湿环境降低了沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性；降低了沥青与集料的粘附力，氯盐的结晶膨胀产生结晶压力，导致混合料内部出现损伤，使得混合料的强度大幅度降低。

沥青混合料；含盐高湿；路用性能；侵蚀机理；形态特征

沿海地区海雾频发，高浓度的海雾往往成为NaCl的载体［1］，当海雾在沥青路面上凝结时，水分及其内部含有的Cl-会渗入到沥青路面结构中。沥青面层直接承受着行车荷载以及外界自然环境的双重作用，并且需要提供安全、舒适的交通条件，而临海地区高等级公路除了要承受以上不利因素外，还要承受盐分的影响。由于从海面上源源不断吹来的海风所携带的盐分最终以降雨形式降落到地面上，越来越多的盐分侵入到路面结构内部，这在很大程度上会影响到沥青混合料的路面性能。

本文通过模拟临海地区含盐高湿环境，从高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性3个方面分析临海含盐高湿环境对沥青混合料路用性能的影响；并运用电镜扫描分析临海含盐高湿环境下沥青混合料的形态特征，并进一步分析了临海含盐高湿环境侵蚀机理，以期为临海地区沥青混合料材料优化提供依据。

1 临海含盐高湿环境对沥青混合料性能影响研究

临海地区的特殊环境条件一方面使沥青路面材料受到盐分侵蚀破坏，另一方面由于湿度变化导致的干湿循环要比持续湿环境对沥青混合料的侵蚀更加严重。考虑到以上环境特征，本文采用盐溶液干湿循环模拟实际环境对路面材料性能的影响。参考已有的相关研究，设置3%，5%，10%不同浓度的盐溶液，将不同级配沥青混合料试件干湿循环21 d以模拟盐分的侵蚀破坏作用，其中浸泡24 h后在室温下干燥24 h为一个干湿循环（下同），并设置未经盐溶液侵蚀的混合料试件作为对比组。本文选择临海地区常用的3种级配AC-13、SMA-13、SUP-13的SBS改性沥青混合料，从高低温性能和水稳定性方面分析不同沥青混合料在含盐高湿环境下的路用性能。

1.1 不同沥青混合料高温稳定性研究

夏季，我国大部分临海地区都会出现较长时间的高温天气，这将对沥青路面使用性能造成极大影响。而盐分的侵蚀破坏是临海地区公路还需承受的另一大考验［2］。因此，沥青混合料是否具有优良的抗高温车辙能力，能否经受盐分的侵蚀成为评价其优良性能的重要指标。通过60 ℃车辙试验方法对各种混合料的高温稳定性进行分析，试验结果见表1。

表1 车辙试验结果（60 ℃）

从试验结果可以看出，对于SMA-13和SUP-13级配，试件的高温性能随着NaCl溶液浓度的增大呈下降趋势，其动稳定度逐渐减小，60 min累积变形不断增加。当NaCl溶液浓度为5%时，试件已产生较大的累积变形，SMA-13较未浸泡前增加了35.6%，其动稳定度也减少了1 472.3，SUP-13车辙变形较未浸泡前增加了37.6%，其动稳定度也减少了1 136.8。对于级配AC-13，混合料的高温性能同样受到较大影响，其动稳定度在NaCl溶液浓度为5%时下降了1 891。但其累积变形随着NaCl溶液浓度的增大而不断增加，在溶液浓度最大时变形达到最大。随着NaCl溶液浓度从3%到10%，其变形增加率分别为29.1%， 42.7%，52.9%，即试件在浓度为5%时就已经产生了较大变形。浓度从5%变化为10%时，累积变形变化幅度较之前有所减小。试验结果表明在含盐高湿环境下，盐分和水分进入SMA-13、AC-13及SUP-13不同级配沥青混合料内部后，其高温性能均受到影响。

1.2 不同沥青混合料低温稳定性研究

沥青具有温度敏感性，随着温度变化，其力学特性也会发生很大变化。当温度降低时，沥青混合料的强度和劲度逐渐增大，与此同时，其变形能力随着劲度增大显著下降，从而容易产生脆性破坏。同时伴随着温度降低，由于沥青混合料模量较大其内部会产生较大温度应力，容易导致低温开裂［3-4］。

本文采用低温弯曲试验评价不同沥青混合料的低温变形性能。参照规范，试验温度设为-10 ℃，加载速率为50 mm/min。同样设置3%，5%，10%不同浓度盐溶液，将不同级配混合料试件干湿循环21 d后进行低温对比试验，试验结果见表2。

表2 小梁低温弯曲试验结果

从试验结果可以看出，经过不同浓度的盐溶液干湿循环后，3种级配试件的抗弯拉强度、最大弯拉应变随盐溶液浓度增加而降低。SMA-13级配试件经过3%、5%、10% 3种不同浓度盐溶液干湿循环后，抗弯拉强度分别下降了6.9%、10.7%、26.2%，最大弯拉应变分别下降了11.4%、19.4%、27.0%。AC-13级配试件经过3%、5%、10% 3种不同浓度盐溶液干湿循环后，抗弯拉强度分别下降了3.2%、7.4%、19.0%，最大弯拉应变分别下降了9.2%、17.0%、22.5%。SUP-13级配试件经过3%、5%、10% 3种不同浓度盐溶液干湿循环后，抗弯拉强度分别下降了9.1%、17.9%、25.8%，最大弯拉应变分别下降了14.4%、17.7%、24.2%。SMA-13、AC-13级配试件的抗弯拉强度在盐溶液浓度为10%时才表现出较大的损失，而SUP-13级配试件抗弯拉强度在盐溶液浓度为5%时即出现了较大的损失，这与SUP-13级配试件空隙率较大有关。较大的空隙率使盐分以及水分更容易进入混合料内部引起沥青结合料老化，降低沥青与集料之间的粘结力，导致沥青混合料的低温抗开裂能力降低。

1.3 不同沥青混合料水稳定性研究

为确保临海地区沥青路面具有良好的水稳性能［5］，本文采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价3种不同级配的沥青混合料的水稳定性。

（1）浸水马歇尔试验

将马歇尔试件分组分别在3%、5%、10%浓度的NaCl溶液中干湿循环2 d，并设置未经浸泡的试件作对比。之后将试件在已达规定温度的恒温水槽中保温48 h后进行马歇尔试验，记录稳定度和流值，对比分析试验结果见表3。

表3 浸水马歇尔试验结果

从试验结果可以看出，随着NaCl溶液浓度的增大，SMA-13、AC-13以及SUP-13级配的残留稳定度均呈现减小的趋势，但当NaCl溶液浓度为10%时，SMA-13试验结果反而优于浓度为5%时的试验结果。而当NaCl溶液浓度由5%增大到10%，AC-13残留稳定度仍继续减小。当NaCl溶液浓度为3%时，残留稳定度出现了超过100%的现象。在其他浓度时，残留稳定度均较高，超过了90%。SUP-13级配试件的残留稳定度随盐溶液浓度增大而一直下降。

由此可以看出，应用浸水马歇尔试验评价沥青混合料的水稳性能时，试验结果差异很小，很难从定量的角度准确地评估影响沥青混合料水稳性能的各种因素所占比重，也难以开展试验机理等理论研究。在试验过程中，进入试件内部的水始终处在静止状态，不能模拟实际行车荷载作用下盐水对集料和沥青膜的冲击破坏作用，因此浸水马歇尔试验不适用于评价含盐高湿环境下沥青混合料的水稳性。

（2）冻融劈裂试验

浸水马歇尔试验仅仅评价了高温条件下沥青混合料的水稳性能，没有考虑低温条件下含盐高湿环境对沥青混合料水稳定性的影响，因此进行冻融劈裂试验简单模拟混合料经历冻-融的过程后的水稳定性能。将经过3%、5%、10% 3种不同浓度NaCl溶液干湿循环21 d的试件以及未经浸泡的试件随机分成2组，将第1组试件置于室温下保留备用。第2组试件按规程要求，在98.3～98.7 kPa真空饱水15 min，-18 ℃冰冻16 h、60 ℃水浴保温24 h，然后和未冻融的试件同时放入25 ℃水浴保温2 h，进行劈裂试验。试验结果见表4。

表4 冻融劈裂试验结果

从试验结果可以看出，随着盐溶液浓度的增加，3种级配试件的劈裂强度比TSR均呈递减的趋势。说明在含盐高湿环境下，随着盐分以及水分的不断侵蚀，沥青混合料的水稳性能逐渐降低。经过盐溶液侵蚀破坏作用后， SMA-13及AC-13试件的抗冻融劈裂性能要优于级配SUP-13。由于2种试件的空隙率存在着差异，而空隙率会对混合料水稳定性产生重要影响，表现为设计孔隙率较大的SUP-13水稳定性能较差。

2 含盐高湿环境下沥青混合料形态特征研究

沥青混合料经NaCl溶液干湿循环作用后各项性能指标均有不同程度的下降，为了进一步深入研究含盐高湿环境对沥青混合料的影响，本文拟从外观和微细观2个角度分析浸泡NaCl溶液前后沥青混合料试件形态特征的变化。沥青混合料试件在NaCl溶液干湿循环21 d前后的外观形态如图1所示。

图1 试件浸泡前后的外观形态

由图1可以直观地看出马歇尔试件在NaCl溶液中浸泡前后表面形貌发生了很大变化，浸泡并干燥后的试件表面覆盖了大量的NaCl晶体，NaCl晶体填充了试件表面的空隙，甚至侵入到了试件表面的微裂缝中。试件表层沥青混合料中集料表面裹覆的沥青膜发生破损，部分沥青膜已经剥落，且表层混合料的空隙较对比组试件明显增大。

经NaCl溶液干湿循环前后马歇尔试件内部沥青混合料的SEM微观形貌如图2、图3所示。由图2中可以看出，在未经NaCl溶液侵蚀作用的沥青混合料中，许多矿粉颗粒凸出于沥青胶浆的结合界面并有部分结团现象，矿粉颗粒表面尚未被沥青薄膜完全裹覆，胶浆表面较为粗糙且具有较大的孔隙，该现象说明此时的沥青用量偏小，并不能保证沥青混合料在浸水和冻融条件下的水稳定性。由图3可知，经NaCl溶液干湿循环21 d的沥青混合料，在矿料与沥青界面处可以明显看到白色的局部区域，并大范围地向周围扩散，推断出此物质为NaCl 晶体。NaCl溶液通过孔隙进入沥青混合料内部后，不断在混合料内部聚集并产生结晶膨胀，而混合料内部却没有足够的空间容纳氯盐结晶，直接导致沥青与集料的粘结力下降，造成混合料强度降低，从而加剧沥青混合料的破坏。

图2 浸泡前沥青混合料的SEM图

图3 浸泡后沥青混合料的SEM图

3 临海含盐高湿环境侵蚀机理分析

在含盐高湿环境下，含有NaCl的高浓度盐雾在沥青路面上凝结形成NaCl溶液并逐渐通过沥青混合料的空隙渗入到路面结构内部。临海含盐高湿地区沥青路面早期水损坏现象比较严重，结合前面的试验研究、形态特征和微观分析结果可知，含盐高湿环境对沥青混合料的侵蚀机理如下［6-7］：

（1）盐溶液对沥青的乳化作用。积聚在混合料中的盐溶液与沥青接触后，盐溶液中的Na+与沥青产生化学吸附形成极不稳定的吸附层，遇水后极易乳化，同时Na+还会与碱性集料发生碱集料反应生成硅酸盐凝胶，这些反应均显著地降低沥青与集料的粘附性。在沥青与集料的界面交汇处，由于盐溶液的表面张力比沥青要大得多，盐溶液比沥青能得到更大比例的集料表面，加速了沥青从集料表面的剥落。另外，在氯盐溶液的作用下沥青混合料的空隙率逐渐增大，这又进一步加剧了氯盐溶液对沥青混合料的影响，加速沥青结合料的乳化作用，进而造成沥青路面早期水损坏的发生。

（2）盐溶液加速沥青结合料的老化。沥青混合料经受氯盐溶液的长期作用后，盐溶液中Cl-的侵蚀加速了混合料中沥青的老化，使沥青的劲度模量增大、低温延度减小，沥青变硬、变脆，柔韧性和变形能力降低。沥青老化后，沥青与粗细集料的粘附性减弱，沥青混合料的粘聚力和混合料试件破坏时的最大弯拉应变减小，在水分、温度和荷载的循环作用下沥青路面就会出现早期水损坏和低温开裂等病害。

（3）混合料内部氯盐的结晶膨胀。当滞留在沥青混合料内部盐溶液中的水分蒸发后，NaCl晶体不断地在沥青混合料内部空隙中聚集并结晶膨胀，而混合料内部没有足够的空隙容纳膨胀增大的氯盐结晶，从而导致混合料内部出现损伤，混合料的强度大幅度降低，使得沥青路面易发生车辙和裂缝等病害。同时，侵入混合料内部的氯盐溶液还会起到润滑剂的作用降低集料之间的相互嵌挤作用力和沥青混合料的内磨阻角，从而降低沥青路面的高温抗车辙性能。

5 结语

本文通过室内试验模拟含盐高湿环境对3种级配沥青混合料性能的影响，对比分析其路用性能的差异和侵蚀作用机理，得到以下结论：

（1）经过含盐高湿环境侵蚀后，SMA-13、AC-13 及SUP-13的高温性能均呈现下降趋势。随着盐溶液浓度的增加，其性能下降趋势加剧。AC-13沥青混合料的高温性能受含盐高湿环境影响最大。

（2）低温弯曲试验结果表明，随着盐溶液浓度的增加，SMA-13、AC-13及SUP-13的抗弯拉强度和最大弯拉应变均逐渐下降。由于SUP-13级配的空隙率较大，盐溶液更易浸入混合料内部后造成沥青老化，粘结力降低，影响混合料低温性能。

（3）沥青混合料的水稳性能与其空隙率有着较大关系。采用Superpave法设计的SUP-13级配空隙率较大，更容易受盐溶液侵蚀而导致水稳性能下降。

（4）含盐高湿环境的侵蚀作用机理：盐溶液对沥青的乳化作用可以显著地降低沥青与集料的粘附力；盐溶液加速沥青结合料的老化，使得沥青变硬、变脆，柔韧性和变形能力降低；混合料内部氯盐的结晶膨胀，产生结晶压力，导致混合料内部出现损伤，使得混合料的强度大幅度降低。

［1］何肖斌.海水盐雾对沥青路面的危害及防治措施［J］.福建交通科技，2009（2）：33-35.

［2］丛培良，陈拴发，陈华鑫.除冰盐对沥青混凝土性能的影响［J］.公路，2011（6）：180-184.

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［4］熊锐，陈拴发，关博文，等.冻融与腐蚀耦合作用下沥青混凝土性能研究［J］.武汉理工大学学报，2011，33（2）：72-76.

［5］任传军，施惠生，关函非. SBS改性沥青混合料耐海水侵蚀性能研究［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.

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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

李华（1979-），男，江苏连云港人，工程师，主要从事道路工程技术咨询工作。

2015-05-22）