融雪盐对沥青混合料的腐蚀作用研究

张文刚，王 芳，丁龙亭

(1.山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255000； 2.山东理工大学 物理与光电工程学院，山东 淄博 255000； 3.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

融雪盐被广泛应用于道路的除雪工作中[1-2]，主要成分为氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化钾等，以氯化钠为主。融雪盐具有可溶性、吸潮性、冰点低等特性[3]。融雪盐溶于水后，水中离子浓度上升使水的液相蒸气压下降，但冰的固态蒸气压不变，达到冰水混合物固液蒸气压相等的状态，冰便溶化，这对于道路行驶安全十分有利[4-5]。但氯化钠本身是有腐蚀性的[6-7]，大量的氯化物残留在沥青路面的孔隙中，会对路面造成严重的腐蚀。Peng 等[8]指出，氯化钠融雪盐可以提高沥青胶凝材料的高温性能，但低温下会变得更脆。Kalevi等[9]发现氯化钠融雪盐可以影响沥青中芳香烃的数量和质量。黄民如等[10]通过室内试验发现氯化钠融雪盐降低了沥青混合料的高温性及水稳定性。 查湘义[11]对比了氯化钠、氯化镁、氯化钙等不同类型融雪剂，发现氯化钠对沥青延度的影响最大。曹恒涛等[12]通过体积浓度为0.25 g/mL的氯化钠溶液对沥青混合料进行浸泡试验，检测结果显示沥青混合料的各项路用性能均呈现出不同程度的下降。 刘宝奎[13]利用冻融循环试验分析了多种融雪盐对沥青混合料性能的影响，发现氯化钠融雪盐对混合料冻融劈裂残留强度百分比影响最大。 马晨[14]认为氯盐溶液浓度越高，沥青混合料各类性能下降幅度越大。Tang等[15]发现冻融循环过程中融雪盐的存在对沥青混凝土腐蚀严重，盐浓度影响显著。Xu 等[16]发现含有氯化钠的抑冰材料能够降低沥青混合料的抗车辙性能、水稳定性和低温弯曲性能。Özgan等[17]对不同盐浓度腐蚀下的沥青混合料马歇尔试件进行测试，发现4、3、2 mmol/L的氯化钠溶液对沥青混凝土马歇尔稳定度的降低率分别为13.7%、11.22%和10.28%。

笔者利用氯化钠融雪盐制备了不同浓度的溶液，并对不同沥青混合料进行了干湿循环腐蚀试验。着重研究了融雪盐浓度、干湿循环次数与沥青混合料路用性能之间的关系，为降低融雪盐腐蚀提供理论参考。

1 试验材料与试验方法

1.1 原材料

采用的SBSI-C改性沥青和TPS改性沥青均为山东高速物资储运有限公司生产，其技术指标见表1。集料采用玄武岩，矿粉采用石灰岩，其技术指标见表2。

表1 沥青技术性能Table 1 Performance of asphalts

表2 集料与矿粉主要技术指标Table 2 Performance of aggregate and mineral powder

利用SBSI-C改性沥青、玄武岩和矿粉制备SMA-13及AC-13，级配均为规范中值；利用TPS改性沥青、玄武岩和矿粉制备OGFC-13，级配曲线见图1。3种沥青混合料空隙率(VV)、动稳定度(DS)、残留稳定度(MS′)、冻融劈裂残留强度百分比(TSR)和破坏应变(εB)等技术指标见表3。

图1 级配曲线Figure 1 Gradation curve

表3 沥青混合料技术性能Table 3 Performance of asphalt mixtures

1.2 试验方法

采用融雪盐和纯净水配置氯盐质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%的溶液备用，将待测试件分别置入25 ℃的不同质量分数溶液中浸泡12 h，取出后置于干燥箱中，常温干燥12 h。完成上述一次过程为一个循环，试验过程中循环次数分别为0、10、20、30、40次。图2为沥青混合料腐蚀前及20%氯盐溶液干湿循环腐蚀40次后外观形态对比图。

图2 腐蚀前及干湿循环腐蚀40次后沥青混合料的外观形态Figure 2 Photos of asphalt pavement before and after 40 times drying and watering cycle corrosion

从图2可以看出，腐蚀后沥青混合料变得暗淡，并在试件表面覆盖了些许析出的晶体。

氯盐溶液干湿循环试验结束后，对待测试件分别进行DS、MS′、TSR和εB等指标的测试，探索氯盐腐蚀对沥青混合料路用性能的影响规律。

2 融雪盐对沥青混合料路用性能的影响

2.1 高温性能

高温性能的优劣直接影响到沥青混合料抗车辙的能力，对经历不同融雪盐质量分数及干湿循环腐蚀作用后的沥青混合料进行车辙试验，并将试验结果汇总至图3。

图3 融雪盐浓度、干湿循环腐蚀次数与动稳定度关系曲线Figure 3 The relationship among DS, concentration of melting snow salt solution and drying-watering cycle times

从图3可以看出，对于不同混合料类型(SMA-13、AC-13)，融雪盐溶液腐蚀后的动稳定度的变化规律相似:在相同干湿循环腐蚀次数下，融雪盐质量分数越高，动稳定度降低的程度越大；当融雪盐溶液质量分数相同时，干湿循环次数越大，沥青混合料的动稳定度降低程度越大。

虽然TPS改性沥青具有较好的耐腐蚀性，OGFC-13高温性能受腐蚀的影响却更明显，在较低质量分数及较少的腐蚀次数下，动稳定度的降低程度明显高于SMA-13与AC-13。原因可能与OGFC-13空隙率较大、腐蚀物质渗透容易有关。

DS与沥青质量及级配关系较大，由于腐蚀前后级配并未发生变化，其必然是沥青遭受融雪盐的侵蚀而造成的。 融雪盐通过对沥青的飞散作用劣化了其感温性，且Na+一定程度上破坏了改性沥青的网状结构，降低了软化点，从而使得沥青混合料的高温性能遭到了一定程度的破坏。

2.2 低温性能

低温性能主要反映沥青混合料抵抗低温裂缝的能力。对不同融雪盐质量分数及干湿循环腐蚀后沥青混合料进行低温弯曲试验，结果见图4。

图4 融雪盐质量分数、干湿循环腐蚀次数与低温破坏应变关系曲线Figure 4 The relationship among εB, concentration solution of melting snow salt solution and drying-watering cycle times

分析图4发现，随着干湿循环腐蚀次数增加，沥青混合料破坏应变值越来越小；且随着融雪盐质量分数增大，沥青混合料破坏应变值也越来越小。

造成低温性能降低的原因有两方面：一是试验过程中NaCl晶体不断析出，析出的晶体沿着沥青混合料的内部空隙分布，最终产生混合料内部膨胀压力，对沥青混合料的力学性能产生了损害。 此外，残存于沥青混合料内部的水分由于蒸发作用不断地沿孔隙向外迁移，加速了沥青与集料的剥离，对沥青混合料的水稳定性产生了损害。 二是融雪盐对沥青具有侵蚀-飞散作用，当飞散力大于沥青内部分子间作用力时，会产生絮状物，劣化沥青的感温性，对低温性能不利。 Na+与沥青之间形成的化学吸附层，侵蚀着沥青与集料界面，在一定程度上也造成了低温性能的下降。

2.3 水稳定性

水稳定性是影响沥青混合料耐久性的一项重要指标，对不同融雪盐质量分数、干湿循环腐蚀作用次数下的沥青混合料马歇尔试件进行残留稳定度及冻融劈裂残留强度百分比的测试，结果见图5。

从图5看出，随着干湿循环腐蚀次数增加，沥青混合料的MS′和TSR越来越小；同时,随着融雪盐质量分数增大，沥青混合料的MS′和TSR也越来越小。SMA-13与AC-13间未见有明显区别，OGFC水稳定性损失程度略高于另外两种混合料。

造成沥青混合料水稳定性降低的主要原因是低价的Na+能够与沥青之间形成极不稳定的化学吸附层，侵蚀沥青与集料界面，引发沥青薄膜局部脱落，显著降低了沥青与集料之间的黏附性，导致沥青混凝土的水稳定性降低。

在上述沥青混合料高温、低温及水稳定性等性能试验中，空隙率的大小是沥青混合料抵抗融雪盐腐蚀的重要参数，空隙率越大，混合料的性能损失越大。其主要原因是空隙率决定着融雪盐与沥青混合料的接触面积，空隙率越大，侵蚀-飞散作用更剧烈，侵蚀集料与沥青界面也更容易；同时，Na+对沥青的腐蚀及对改性沥青网状结构的破坏作用也越发严重。 因此，融雪盐对空隙率大的沥青混合料腐蚀更为严重。

3 沥青混合料残留路用性能预估

基于室内试验数据 ，分别对融雪盐质量分数、干湿循环腐蚀次数与DS、εB、MS′、TSR之间的关系进行预估。

DS采用模型(1)，MS′和TSR采用模型(2)，εB采用模型(3)，分别对应式(1)、(2)、(3)：

P=aTb(c·C3+d·C2+f·C)+DS；

(1)

P=Te(a·C3+b·C2+c·C+d)；

(2)

P=aTb(c·C3+d·C2+f·C)+εB。

(3)

式中：P为腐蚀后残留路用性能；C为融雪盐质量分数；T为干湿循环腐蚀次数;a、b、c、d、f为回归系数。

按照式(1)～(3)对腐蚀后的各项路用性能进行拟合，结果见表4。上述公式可为制定减轻融雪盐对路面的损害措施提供依据。

图5 融雪盐质量分数、干湿循环腐蚀次数与沥青混合料水稳定性关系Figure 5 The relationship among water stability, mass concentration solution of melting snow salt solution and drying-watering cycle times

表4 路用性能预估公式汇总表Table 4 The prediction of residual pavement performances after corrosion

4 结束语

随着融雪盐质量分数的增大与干湿循环腐蚀次数的增多，沥青混合料的DS、εB、MS′、TSR均呈现出较大程度的减小，融雪盐对沥青混合料有较大的腐蚀作用。同等条件下，OGFC比SMA及AC更易遭受融雪盐的腐蚀。