盐雾环境作用周期变化对沥青混合料性能影响研究

赵丽华，曾勇银，高 亮

（1.北京交通大学 轨道工程 北京市重点实验室，北京 100044； 2.大连交通大学 土木工程学院，辽宁 大连 116028； 3.成都地铁运营有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

我国的道路设施存在过度使用、养护不足，在设计年限内较早破坏的情况。据调查，在滨海地区由于受到高盐、高湿以及冻融循环等多重影响，道路设施的早期破坏现象尤为突出［1］。因此，研究滨海盐雾环境作用周期变化对沥青混合料性能侵蚀的影响具有现实意义。

在盐雾环境作用下，路表面的湿度呈现周期变化，随着水分子的蒸发，盐分逐渐集聚并不断浸入沥青-骨料界面，对沥青混合料性能造成不可恢复的影响。国内外学者主要针对海洋环境侵蚀水泥混凝土性能方面开展了大量研究［2-3］，而对沥青混合料性能影响的研究主要集中在融雪剂、除冰盐及盐渍土等含盐类物质侵蚀方面。王岚［4］分析了除冰盐-冻融循环耦合作用对沥青混合料抗裂性的影响，获得了影响沥青混合料抗裂性的主要因素为胶凝材料种类、冻融循环次数和盐液浓度。张苛［5］通过对比试验得出，干湿循环方式最能体现盐溶液对沥青混合料的性能劣化作用。王璐军［6］等人比较了3种除冰盐 （CaCl2、MgCl2、NaCl）的除冰效果，并分别测定了冻融循环前后沥青混合料劈裂强度和抗剪强度，研究表明3种除冰盐对沥青路面性能的影响程度为：MgCl2最强，NaCl最弱。崔亚楠［7］利用扫描电子显微镜和单轴动态模量试验对自融雪沥青混合料冻融前后的细观结构及高温稳定性进行研究，结果表明冻融循环后自融雪沥青混合料的界面结构比普通沥青混合料致密，同时具有良好的高温稳定性。冯新军［8］等采用两种pH的酸雨溶液浸泡试件，测试沥青混合料的路用性能，研究表明酸性溶液会加速沥青混合料的破坏。孙国红［9］通过对河套盐渍土地区公路服役状况分析，认为盐渍土的盐胀作用引起了公路的沉陷、车辙、溶洞等病害。综上所述，沥青混合料的耐盐腐蚀研究得到了一定开展，但盐渍土或除冰盐所含盐分的组成、浓度、作用于沥青混合料的方式与滨海盐雾环境均有较大差别，盐雾对沥青混合料性能的影响研究还处于起步阶段。本文在前期研究［10］基础上，设计室内盐雾侵蚀环境，分析经历一定周期盐雾环境作用后，沥青混合料的水稳定性、低温抗裂性和耐久性变化规律，为滨海地区合理选择沥青混合料类型及确定养护时机提供建议。

1 试验方案设计

通过调研季冻气候区的滨海盐雾环境，借鉴中性盐雾试验条件［11-14］，设计室内盐雾试验环境。本研究的室内盐雾试验环境为：配置5%的NaCl溶液喷洒盐雾，溶液p H为7.0，盐雾喷洒过程中，保持喷射速率稳定、适中。设定试验箱内的盐雾恒定温度为35℃，恒定湿度为95%，试件与垂直方向角度为20°。为了研究盐雾环境作用时间变化对沥青混合料性能的影响，检测沥青混合料的低温性能和水稳定性能前，试件首先在盐雾养护箱中放置5、10、15、20、25 d。检测沥青混合料耐久性时，养护环境设计为：35℃的盐雾环境放置12 h，之后放入-18℃冰柜冷冻12 h，循环次数为5、10、15、20、25次。经过盐雾环境作用后的试件按照标准试验方法开展低温抗裂性、水稳定性及耐久性试验。

本试验以工程中常用的沥青混合料：改性沥青SMA-13、改性沥青AC-13、基质沥青AC-13为研究对象，采用小梁弯曲试验测试3种沥青混合料的低温抗裂性能，采用冻融劈裂试验测试盐雾环境对沥青混合料水稳定性的影响，采用冻融循环劈裂试验测试盐雾环境对沥青混合料耐久性的影响，并设置未经盐雾环境作用的试件进行对比。

2 试验结果分析

2.1 盐雾环境作用周期变化对沥青混合料低温性能影响

3种沥青混合料试件在盐雾养护箱 （35℃）中放置5、10、15、20、25 d后，在-10℃环境下做低温弯曲试验，并设置未经盐雾环境作用的小梁试件做对比，研究沥青混合料在盐雾环境下随着作用时间的增长其低温性能的变化规律。试验结果如表1所示。

试验结果分析：

a.随着盐雾作用天数的增加，3种沥青混合料的抗弯拉强度都呈现不同程度的下降。与对比试件比较，盐雾作用周期从5、10、15、20和25 d的变化过程中，基质沥青AC-13的低温抗弯拉强度分别下降：12.2%、17.7%、23.1%、32.7%、40.8%；改性沥青AC-13的低温抗弯拉强度分别下降：13.7%、18.6%、21.1%、26.1%、33.5%；改性沥青SMA-13的低温抗弯拉强度分别下降：7.0%、12.5%、17.2%、21.1%、25.0%。经历盐雾环境作用后，改性沥青SMA-13的低温抗弯拉强度降低幅度最小。

表1 不同盐雾作用时间的小梁弯曲试验结果Table 1 Test results of small beam bending test with different action time in salt spray environment

b.在盐雾环境下，随着作用时间的增加，3种沥青混合料的最大弯拉应变都呈现下降趋势；比较三者最大弯拉应变值，改性沥青SMA-13降低幅度最小，表现出良好的低温韧性。

c.3种沥青混合料在盐雾环境作用时间较短时，其低温性能均能满足规范要求。

为了研究盐雾环境作用时间对沥青混合料低温弯拉应变的影响，对试验结果进行回归分析，结果如表2、图1所示。

由回归曲线和拟合方程可知，改性沥青AC-13、基质沥青AC-13低温弯曲试验的最大弯拉应变与盐雾环境作用时间成线性相关，改性沥青SMA-13的回归曲线更接近二次抛物线，但都随盐雾环境作用时间增加，沥青混合料的低温最大弯拉应变降低，表明随着盐雾环境作用时间延长，沥青混合料的低温韧性逐渐降低，抵抗低温性能能力逐渐减弱。3种沥青混合料相比，改性沥青SMA-13回归曲线下降的速率趋缓，表明其对盐雾环境作用时间敏感性较低。

表2 低温试验结果的回归方程Table 2 Regression equation for low temperature test results

图1 低温试验结果的回归曲线Figure 1 Regression curve of low temperature test results

2.2 盐雾环境作用周期变化对沥青混合料水稳定性的影响

3种沥青混合料试件在盐雾养护箱中放置5、10、15、20、25 d后，做冻融劈裂试验，并设置未经盐雾环境养护的冻融劈裂试件做对比，研究沥青混合料在盐雾环境下随着作用时间的增加其水稳定性能的变化规律。试验结果如表3所示。

试验结果分析：

a.在35℃盐雾环境作用不同时间后，3种沥青混合料的冻融劈裂强度都明显降低。与对比组试件相比，经过盐雾环境作用5、10、15、20和25 d后，基质沥青AC-13的冻融劈裂强度分别下降了4.0%、11.9%、22.5%、31.1%、35.1%；改性沥青AC-13的冻融劈裂强度分别下降了2.3%、11.0%、20.3%、27.3%、30.8%；改性沥青SMA-13的冻融劈裂强度分别下降了5.5%、14.5%、17.9%、21.4%、26.9%。3种沥青混合料比较，改性沥青SMA-13经历盐雾作用后其冻融劈裂强度下降幅度略小。

b.中性盐雾环境作用15 d后，沥青混合料的水稳定性已经不能满足规范要求。

为了研究盐雾环境作用周期对沥青混合料冻融劈裂强度的影响趋势，对上述试验结果进行回归分析，结果如表4、图2所示。

表3 不同盐雾作用时间的冻融劈裂试验结果Table 3 Test results of freeze-thaw splitting test with different action time in salt spray environment

表4 水稳定试验结果的回归方程Table 4 Regression equation for water stability test results

图2 水稳定性试验结果的回归曲线Figure 2 Regression curve of water stability test results

由回归曲线和拟合方程可知，3种沥青混合料的冻融劈裂强度与盐雾环境作用时间成线性相关，且都随盐雾环境作用时间增加，其冻融劈裂强度降低，表明沥青混合料抵抗水损害的能力逐渐减弱。3种沥青混合料相比，改性沥青SMA-13回归曲线下降的速率更趋平缓，表明其对盐雾环境作用时间敏感性略低。

2.3 盐雾环境作用周期变化对沥青混合料耐久性的影响

盐环境对沥青混合料耐久性的劣化作用具有直接性和普遍性［15］。3种沥青混合料试件在盐雾养护箱中固定作用温度为35℃保温12 h，放入-18℃冰柜冷冻12 h，冻融次数分别为5、10、15、20、25次。冻融循环后的试件，按照试验规程做冻融劈裂试验，并设置与未经盐雾环境作用的冻融劈裂试件做对比，评价沥青混合料受盐雾侵蚀的耐久性，试验结果如表5所示。

试验结果分析：

a.在盐雾环境下，随着冻融次数的增加，3种沥青混合料的冻融劈裂强度在初期有一定程度的上升，冻融循环10次后劈裂强度开始不断降低。3种混合料相比，改性沥青AC-13具有略高的冻融劈裂强度。

b.与对比组试件相比，经历盐雾-冻融作用5、10、15、20和25次后，基质沥青AC-13冻融劈裂强度比分别为：102%、73%、63%、52%和37%；改性沥青AC-13冻融劈裂强度比分别为：102%、80%、69%、58%和49%；改性沥青SMA-13冻融劈裂强度比分别为：106%、86%、76%、68%和54%。3种混合料对比，改性沥青SMA-13的冻融劈裂强度比下降幅度小。

c.沥青混合料随着冻融次数的增加，由于盐雾的侵蚀作用，盐溶液不断向混合料内部渗透，随着盐溶液浓度的增加，在混合料孔隙内不断有NaCl晶体析出，减小了沥青混合料的空隙率，从一定程度上提升了沥青混合料抵抗劈裂破坏的能力。冻融5次时，3种沥青混合料的劈裂强度比分别为102%、102%和106%。随着结晶作用的加强，对沥青混合料产生正应力，随着应力的增加导致沥青混合料劈裂强度的下降，在冻融循环10次以上3种沥青混合料的劈裂强度明显下降。

d.盐雾与温度耦合作用后，为保证路面的正常使用，在冻融循环10次左右宜加强滨海地区沥青路面的维护和保养工作。

为研究盐雾环境下随着冻融循环次数的的增加，3种沥青混合料冻融劈裂强度的长期变化趋势，结合现有试验数据结果做回归分析如表6、图3所示。

表6 耐久性试验结果的回归方程Table 6 Regression equation for durability test results

图3 耐久性试验结果的回归曲线Figure 3 Regression curve of durability test results

由回归曲线和拟合方程可知，3种沥青混合料冻融循环后的劈裂强度与盐雾环境冻融循环次数成线性相关，且都随冻融循环次数的增加，沥青混合料的冻融劈裂强度降低，3种沥青混合料相比，改性沥青SMA-13回归曲线下降的速率更趋平缓，其耐久性能略好。

3 盐雾环境对沥青混合料侵蚀作用的机理分析

沥青混合料在高浓度腐蚀环境下，短时间内，其浸水残留稳定度略有提高，但随着冻融次数的增加高浓度盐环境将加速沥青混合料的侵蚀作用［16］。劈裂试验后，从试件断口处取代表性试样进行SEM观测，细观形貌如图4所示。可以看出，在试件断口处聚集了盐分并产生结晶现象，劈裂断口从此处开始并向内部扩展，表明滨海盐雾环境服役的沥青混凝土表面及开口空隙中会有盐分聚集，从而影响材料强度和耐久性。耐久性试验时，沥青混合料在经过冻融循环后析出了白色晶体，这些白色晶体存在于沥青混合料裂缝处，表明在冻融循环作用下，盐溶液聚集并沿着裂缝进入到了混合料孔隙中，给周围施加结晶压作用。沥青混合料内部一方面受到来自溶液结冰体积膨胀的压力，另一方面受到盐溶液结晶的结晶压力，随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的耐久性降低，使用寿命变短，将加速沥青混合料的侵蚀破坏。建议在滨海地区宜定期洒水以降低路面盐分含量来提高路面耐久性。

图4 细观形貌照片Figure 4 The photos of Mesoscopic morphology

4 结论

本文通过对比试验，分析了经历一定周期盐雾环境作用后，改性沥青SMA-13、改性沥青AC-13、基质沥青AC-13这3种沥青混合料的水稳定性、低温抗裂性和耐久性变化规律，结论如下：

a.经历不同时间的盐雾环境作用后，3种沥青混合料的低温抗拉强度、冻融劈裂强度均明显降低，且随着盐雾作用时间增长、冻融循环次数增加，沥青混合料的强度降低明显。研究表明，高温、高湿盐雾环境对沥青混合料的低温抗裂性、水稳定性和耐久性影响显著。

b.3种沥青混合料在不同盐雾作用周期后的性能对比，改性沥青AC-13具有更高的低温抗拉强度和冻融劈裂强度；改性沥青SMA-13的强度比降低幅度最小，对盐雾作用周期的敏感性最低，具有更稳定的耐盐雾侵蚀能力。

c.盐雾环境作用时间超过15 d后，沥青混合料试件的冻融劈裂强度比降幅超过规范限值，3种沥青混合料的水稳定性已不满足规范要求。冻融循环超过10次后，3种沥青混合料的冻融劈裂残留强度比接近规范限值。在夏热冬冷滨海地区应开发耐盐雾侵蚀能力更好的沥青混合料。

d.分析盐雾侵蚀机理认为：盐溶液渗入混合料孔隙不断积累和冰冻作用，形成结晶压和结冰膨胀压，导致沥青混合料破坏。结合滨海地区环境特点，宜加强道路路面的日常养护工作。