除冰盐对SMA与AC沥青混合料性能的影响

李明婷，张晓可

(1.重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074；2.重庆市市政设计研究院，重庆 400020)



除冰盐对SMA与AC沥青混合料性能的影响

李明婷1，张晓可2

(1.重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074；2.重庆市市政设计研究院，重庆 400020)

随着除冰盐在我国北方路面除冰养护领域的应用，沥青路面出现了开裂、沥青膜剥落、混合料松散等病害，导致其耐久性降低。针对除冰盐侵蚀破坏沥青路面问题，采用盐冻循环后的间接拉伸疲劳试验、冻融劈裂试验、肯塔堡飞散试验研究除冰盐种类、冻融循环次数对SMA-13、AC-13沥青混合料性能的影响。结果表明：在除冰盐的侵蚀下，抗疲劳性能下降，沥青混合料的冻融劈裂强度比降低，飞散损失率明显增大，其中氯化钠除冰盐对混合料的低温抗裂性、水稳定性影响更大。另外，SMA-13沥青混合料性能受除冰盐的影响较小。

沥青混合料；除冰盐；飞散损失率；冻融劈裂强度

0　引　言

沥青路面具有路面平整、无接缝、震动小、噪声低、行车舒适性好、施工工期短、养护维修简便等优点，被城市道路和高等级路面广泛采用[1]。在我国北方地区，冬季较长，雨雪天气较多，冬季通常在0℃以下，大量积雪堆积在路面上，随着早晚温度的波动以及车辆的碾压，路面积雪融化后又冻结，冻结后融化，形成多次冻融循环[2]。积雪路段易交通堵塞，路面结冰容易导致车辆打滑。为减少由此带来的交通事故，常在积雪路段路面撒除冰盐，通过降低冰点，融化冰雪。通过水分的迁移作用，除冰盐浸入路面结构，在除冰盐溶液的侵蚀和冻融循环作用下，沥青路面出现不同形式的破坏，如路面开裂、沥青膜剥落、集料松散、路面坑槽等病害，使其耐久性下降[3]。

丛培良、陈拴法等人[4]研究了除冰盐种类、浸泡时间等因素对沥青混合料性能的影响，研究结果表明，除冰盐使混合料的常规劈裂强度增加，断裂能降低，醋酸钾除冰盐对沥青混合料的水稳定性能影响最大。肖庆一、胡海学等人[5]依据分子官能团和表面能理论，从沥青软化及除冰盐溶液—沥青界面特性两个方面探讨了醋酸类除冰盐侵蚀沥青混合料的机理，发现醋酸类除冰盐对沥青路面造成侵蚀破坏的原因主要是：醋酸类除冰盐含有亲水基团和亲油基团，对沥青—矿料界面缺陷造成侵蚀乳化作用。冯蕾、王乐等[6]研究除冰盐浓度、冻融次数对胶粉改性沥青混合料性能的影响，结果表明，随着浓度和冻融循环次数的增加，冻融后沥青膜剥落率越大，混合料的孔隙率也逐渐增大。本文模拟沥青路面受除冰盐溶液侵蚀的环境中，在冻融循环条件下，通过测定沥青混合料的飞散损失率、冻融劈裂强度比、疲劳寿命等指标，研究除冰盐种类、冻融次数对沥青混合料低温抗裂性、水稳定性、抗疲劳性能的影响。

1　原材料及配合比设计

1.1原材料

除冰盐采用潍坊晶鑫化工有限公司提供的复合型除冰盐和纯度为99.7%的氯化钠除冰盐，除冰盐溶液浓度均为0.8%。沥青采用70号基质沥青，按JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中试验方法对其测试，其主要技术指标如表1所示。粗集料与细集料都采用玄武岩，其技术指标如表2所示。而矿粉采用石灰石粉，其表观密度为2.73g/cm3。

表1　沥青性能指标

表2　集料技术指标

1.2配合比设计

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)给定的级配范围，分别取SMA-13、AC-13级配的中值作为矿料配合比，通过马歇尔试验确定AC-13、SMA-13沥青混合料的最佳油石比分别为4.8%、5.8%。

1.3试验方案

根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用击实法成型马歇尔试件。假设每次都采用除冰盐除雪，除冰盐残留在沥青路面上的量是递增的，要求浸泡马歇尔试件的除冰盐溶液浓度不断递增，这与普通的冻融循环试验不同。为此，针对本试验的要求考虑，采用直径为150mm、高度为80mm的保鲜盒来存放马歇尔试件。除冰盐溶液在保鲜盒中的深度为75mm，并按照沥青混合料冻融劈裂试验(T 0729-2000)要求在除冰盐溶液中进行冻融循环，达到设计次数后进行飞散试验、冻融劈裂试验、间接拉伸疲劳试验。

做飞散试验前，用干净的毛巾擦拭掉试件外表残留水，称量每个试件质量m0后，将试件轻轻放入洛杉矶试验机中，一次试验只能放一个试件，不放钢球。洛杉矶试验机的转速为30～33r/min，300转后停止，取出试验机内损坏的试件，选择最大的一块，称量其质量m1。每种试验的平行试件为5个。试件飞散损失率按公式(1)计算。

(1)

式中：ΔS为沥青混合料的飞散损失率(%)； m0为试验前试件的质量(g)；m1为试验后试件的残留质量(g)。

间接拉伸试验是对试件进行重复压缩荷载，其荷载平行于试件的垂直径向面，试验易于操作，并且可以预测开裂。因此本文采用间接拉伸试验研究在除冰盐侵蚀下，沥青混合料的疲劳性能，试验仪器选用英国CooperResearchTechnologyLimited公司生产的气动伺服沥青材料试验仪。试验的基本参数有：

试验温度：15℃；试件厚度：40mm；试件直径：100mm；荷载频率：2.5Hz；荷载波形：正弦波；控制模式：应力控制。选择应力比为：0.3、0.4、0.5；试验结束条件：试件径向变形7mm。

表3　沥青混合料集料级配组成

2　结果与讨论

2.1低温抗裂性

选择肯塔堡飞散试验分析在冻融循环条件下，除冰盐种类、冻融循环次数对SMA-13、AC-13型沥青混合料低温抗裂性能的影响，试验结果如表4所示。在除冰盐的侵蚀下，随着冻融循环次数的增加，两种沥青混合料的飞散损失率都逐渐增大，表明除冰盐的侵蚀会降低混合料的低温抗裂性，且盐冻环次数越多，混合料的低温抗裂性能越差，这与实际的沥青路面也是相符合的。出现这样现象的原因可能是：在冻融循环时，温差大、温度降低时，混合料的应力松弛模量逐渐增大，应力松弛性能下降，当温度下降产生的应力超过材料的极限抗拉强度时，试件就会产生裂缝。从沥青混合料的级配类型看，无论是在水、氯化钠除冰盐溶液还是复合型除冰盐溶液的侵蚀下，SMA-13 的飞散损失率都比AC-13 的小，如在Nacl溶液的侵蚀下，冻融循环15次，AC-13的冻融循环损失达到最大26.3%，而SMA-13的冻融循环损失只有24.3%，这可能是因为SMA-13 是骨架密实结构，其粗集料形成骨架，而骨架孔隙又填有足够的沥青玛蹄脂，玛蹄脂由少量细集料、纤维、沥青组成，具有较高的粘结力，改善了沥青混合料的低温抗裂性。

表4　飞散试验结果

从实验结果还可以看出，相对于复合型除冰盐，在氯化钠除冰盐的侵蚀下，混合料的飞散损失更大，其原因主要是：氯化钠除冰盐溶于水后电离出极性很强的Na+和Cl-，与集料的吸附能力比沥青强，因此能更好地与集料结合；同时冻融循环使得沥青与集料的界面出现缺陷，除冰盐溶液能更容易浸入试件中，剥离包裹集料的沥青，导致了沥青混合料破坏。

2.2水稳定性

采用冻融劈裂试验研究在盐冻循环条件下，除冰盐种类与作用时间对沥青混合料水稳定性能的影响。如图1、图2所示，随着冻融循环次数的增加，SMA-13、AC-13型沥青混合料的冻融劈裂强度比都急剧下降，说明除冰盐的侵蚀使得沥青混合料的水稳定性能下降，并且侵蚀时间越长，冻融次数越多，下降幅度越大。SMA-13型沥青混合料在氯化钠溶液中冻融15次后，其冻融劈裂强度下降到48%，而在复合型除冰盐中冻融相同的次数后，其劈裂强度比为61%；相对于复合型除冰盐，氯化钠除冰盐对沥青混合料的水稳定性能影响更大。

图1　劈裂强度比与冻融循环次数关系曲线

图2　劈裂强度比与循环次数关系曲线

如图1、图2所示，在除冰盐溶液侵蚀作用下，SMA-13、AC-13型沥青混合料的冻融劈裂强度比与冻融次数都成直线关系，但SMA-13沥青混合料的斜率更大，即在同种除冰盐溶液中冻融相同的次数，其冻融劈裂强度比下降得更快。沥青混合料的抗拉能力主要取决于沥青自身黏结力及沥青与集料的黏结力，在冻融循环作用下除冰盐溶液造成了沥青与集料的剥离以及沥青内部分子结构的破坏，使得沥青混合料的水稳定性大幅下降，SMA-13具有高粘度的沥青玛蹄脂，使得其冻融劈裂抗拉强度比下降幅度比AC-13小。

2.3疲劳性能

在盐冻循环条件下，选用间接拉伸疲劳试验研究氯化钠除冰盐对SMA-13和AC-13沥青混合料疲劳性能的影响。应力疲劳公式为：

Nf=kσ-n

(2)

式中：Nf为疲劳寿命；σ为试验施加应力值，kPa；k，n为疲劳特征参数。

方程(2)两边取对数后，有：

lgNf=k-nlgσ

(3)

将方程(3)中的两个对数看成两个变量，则该方程为直线型，那么参数k为方程截距，表示直线的高低，线位越高，材料抗疲劳性能越好；参数n为直线斜率的相反数，n值越大，直线越陡，疲劳寿命对应力水平变化越敏感。SMA-13、AC-13沥青混合料受氯化钠除冰盐溶液侵蚀的疲劳寿命回归方程如表5所示。

表5　沥青混合料受氯化钠除冰盐影响的疲劳方程

图3　SMA-13受氯化钠除冰盐影响的双对数坐标曲线

图4　AC-13受氯化钠除冰盐影响的双对数坐标曲线

如图3、图4所示，在氯化钠除冰盐的侵蚀下，随着冻融次数的增加，应力—疲劳寿命回归方程直线线位越低，k值越来越小，这表明：随着冻融次数的增加，AC-13和SMA-13沥青混合料的抗疲劳性能越差。盐溶液通过沥青混凝土孔隙进入到结构内部，当温度低于凝固点时，盐溶液结冰膨胀，对沥青混凝土产生膨胀应力；降温时，饱和盐溶液会析出晶体，晶体慢慢成长，当混合料的孔隙空间不能满足晶体的膨胀时，对混合料的结构产生结晶压力。结冰压力和结晶压力的共同作用，使混合料的结构遭到破坏，降低其抗疲劳性能。

如图3所示，在氯化钠除冰盐溶液的作用下，SMA-13混合料不同冻融次数所对应的应力—疲劳寿命回归方程直线基本平行，结合表5也可以看到，随着冻融次数的增加，n值有增大的趋势，但并不明显，说明SMA-13沥青混合料的抗疲劳性能对氯化钠除冰盐并不敏感。但在图4中可以看到，随着冻融次数的增加，直线越来越陡，n值越来越大，说明在氯化钠除冰盐的侵蚀下，随着冻融次数的增加，AC-13型沥青混合料的疲劳寿命对氯化钠除冰盐溶液越来越敏感。

3　结　语

本文采用盐冻循环后的肯塔堡飞散试验、冻融劈裂试验、间接拉伸疲劳试验，研究除冰盐种类、冻融循环次数对SMA-13、AC-13沥青混合料低温抗裂性、水稳定性、抗疲劳性能的影响，得出以下主要结论：

(1)SMA-13、AC-13沥青混合料在除冰盐侵蚀作用下，其飞散损失率变大，低温抗裂性能下降，其中AC-13沥青混合料下降幅度更大。

(2)在氯化钠、复合型除冰盐的侵蚀下，SMA-13、AC-13沥青混合料的冻融劈裂强度比都降低，冻融次数越多，下降幅度越大；其中氯化钠除冰盐对混合料的水稳定性影响更大。

(3)沥青混合料在除冰盐中冻融后，应力疲劳方程的特征参数k值、n值减小，混合料的疲劳性能降低。

(4)相对于SMA-13沥青混合料，AC-13沥青混合料受除冰盐的影响更大，这表明AC-13型级配对除冰盐更为敏感。

[1]张晓可．除冰盐对沥青路面路用性能长期影响研究[D]．重庆：重庆交通大学，2014．

[2]曹瑞实，田金亮．不同除冰盐冻融环境下对混凝土耐久性的影响[J]．硅酸盐通报，2013，32(12)：2632-2636．

[3]肖庆一，王玉宝，胡海学，等．醋酸类除冰盐侵蚀沥青混合料机理研究[J]．武汉大学学报：工学版，2015，48(2)：187-190．

[4]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．

[5]肖庆一，胡海学，王丽娟，等．基于表面能理论的除冰盐侵蚀沥青—矿料界面机理研究[J]．河北工业大学学报，2012，41(4)：64-68．

[6]冯蕾，王乐，崔亚楠，等．盐冻循环对胶粉改性沥青混合料性能的影响[J]．公路工程，2014，39(4)：117-123．

Effects of Deicers on Properties of SMA and AC Asphalt Mixture

LI Ming-ting1, ZHANG Xiao-ke2

(1.School of Materials Science and Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China；2.Chongqing Municipal Design and Research Institute,Chongqing 400020, China)

With the application of deicing salt in the asphalt pavement in northern China, there are different forms of damage in asphalt pavement.The durability of asphalt pavement is reduced. In order to study the effects of the types of ice salt and the freeze-thaw cycles on the properties of SMA-13 and AC-13 asphalt mixture, three tests are taken: indirect tensile fatigue test, freeze-thaw split test and Kentucky flying test . The results indicate that: the scattering loss of the asphalt mixture, strength ratio of freeze thaw split and fatigue life will be significantly reduced with deicing salt’s erosion, which sodium chloride deicing salt has greater impact on the low temperature cracking resistance of mixture and stability of water ；The effect of the addition of deicing salt on the performance of asphalt mixture can be reduced by using SMA-13 asphalt mixture.

asphalt mixture; deicing salt；scattering loss; freeze-thaw splitting strength

2016-04-04

李明婷(1991-)，女，四川宜宾人，硕士，E-mail：limitting905@163.com。

U 414.1

A doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2016.02.005

1671-234X(2016)02-0019-05