冻融循环作用下盐分侵蚀对沥青性能的影响

邓晓宁，刘家庆，王红伟

(广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

我国大约85%的国土面积受降雪结冰影响，冬季路面积雪结冰导致路面抗滑系数下降，严重威胁人民的生命财产安全。研究表明，冬季由于路面积雪结冰引发的交通事故占15%～30%。撒布融雪除冰剂作为一种高效的清除路面积雪结冰的方式被广泛采用，融雪除冰剂的主要成分一般为氯盐，具有作用效果明显、造价低、资源丰富且材料易于存储等优点[1-2]。但是，大量的融雪除冰剂会对路面及桥梁附属结构物造成影响，并且易污染周围的土壤、水源和植物[3]。

单鸣宇[4]研究盐分及冻融循环作用下胶粉改性沥青混合料的低温性能，研究结果表明：在冻融循环作用下，沥青胶结料会发生老化，低温抗开裂性能变差。张苛[5]对沥青在氯盐溶液中干湿及冻融循环作用条件下的四组分进行研究，结果表明：沥青中轻质组分减少，沥青质含量相对增加，盐分侵蚀使沥青化学组分发生改变，表现为“盐老化”。

目前国内对于冻融循环作用下盐分侵蚀的影响研究主要集中在沥青混合料的路用性能和力学性能以及沥青化学成分的变化方面，而对于沥青基本指标影响的研究较少。本研究将三种类型的沥青浸泡在不同浓度的盐溶液中，并经过不同的冻融循环次数，测试沥青三大指标的变化，以针入度指数、当量软化点和延度评价沥青的感温性能、高温性能和低温性能，探究盐溶液侵蚀与冻融循环双重作用下沥青性能变化规律，为冬季路面选择合适的沥青提供科学依据。

1 原材料性能及试验方案

1.1 原材料

为了探究盐分侵蚀对不同类型沥青的影响，本研究选用三种类型的沥青分别为70#基质沥青、SBS改性沥青、胶粉改性沥青，各沥青的主要技术指标如下页表1所示。

表1 沥青主要技术指标表

1.2 试验方案

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)开展T0604-2011 沥青针入度试验、T0605-2011沥青延度试验和T0606-2011沥青软化点试验(环球法)。为了计算针入度指数，研究中分别测试了15 ℃、25 ℃和30 ℃的针入度值。

2 沥青预处理

2.1 试验方案设计

目前国内普遍采用的融雪除冰剂材料主要为氯盐类，本研究中选用CaCl2分析纯为盐溶液侵蚀的主要盐化物类型，并配制成质量分数为0、2%、4%、6%的CaCl2溶液作为盐分侵蚀溶液。

结合前人的研究经验[6-7]，沥青的冻融循环过程为：将盐分侵蚀后的沥青在-10 ℃环境中冷冻30 min，再在室温为15 ℃的环境箱中保温30 min，即完成一次冻融循环。

表2 盐溶液侵蚀和冻融循环试验设计表

2.2 预处理过程

(1)配制不同质量浓度的盐溶液。

(2)将基质沥青、SBS改性沥青、胶粉改性沥青分别加热到流动状态，然后将沥青倒入不同浓度的盐溶液中。

(3)将沥青在20 ℃的盐溶液中浸泡2 h，然后取出放入60 ℃的烘箱中保温30 min，再浸入20℃的盐溶液中浸泡30 min，此过程为盐溶液的侵蚀过程。

(4)将经过盐溶液侵蚀后的沥青，按照相应的冻融循环过程依次完成3、9、16、25次冻融循环，并测试每次冻融循环后沥青的针入度、延度、软化点。

3 试验结果分析与讨论

3.1 各影响因素对针入度指数的影响

如图1、图2所示，三种沥青的针入度指数基本上都表现出胶粉改性沥青>SBS改性沥青>基质沥青的情况，说明三种沥青中胶粉改性沥青的感温性能较好，基质沥青温度敏感性最差。胶粉和SBS改性剂都可以使沥青的感温性得到改善。

图2 冻融循环次数对沥青针入度指数的影响曲线图

通过单因素分析盐溶液浓度、冻融循环次数对三种类型沥青针入度指数的影响，计算其针入度指数极差最大值，得出以下结论：

(1)以盐溶液浓度为影响因素时，基质沥青在冻融循环25次时，最大极差值为0.215 1；SBS改性沥青在冻融循环3次时，最大极差值为0.203 8；胶粉改性沥青在冻融循环25次时，最大极差值为0.204 0。

(2)以冻融循环次数为影响因素时，基质沥青在盐溶液浓度为2%时，最大极差值为0.111 3；SBS改性沥青在盐溶液浓度为6%时，最大极差值为0.177 7；胶粉改性沥青在盐溶液浓度为6%时，最大极差值为0.234 0。

通过对图1、图2及极差分析可知，胶粉改性沥青的感温性能最好，基质沥青的感温性能最差，对于环境温差变化大的地区，推荐采用胶粉改性沥青作为胶结料。盐溶液的浓度对基质沥青和SBS沥青的感温性能影响较大，冻融循环次数对胶粉改性沥青的感温性能影响较大。

3.2 各影响因素对延度的影响

如下页图3、图4所示，盐溶液的浓度和冻融循环次数对于SBS沥青、胶粉改性沥青的延度影响较小，延度基本上不发生变化。基质沥青在两种影响因素条件下的延度变化较大，低温性能影响较大。分析其主要原因为：SBS改性剂与沥青之间，SBS改性剂之间形成较强的化学键，盐溶液侵蚀和冻循环次数对于化学键的破坏能力较差。胶粉改性沥青材料中，胶粉与沥青之间的模量差别较大，在界面处容易出现应力集中，盐溶液侵蚀和冻融循环次数的影响不能体现。而对于基质沥青，由于材料的均一性，盐溶液侵蚀和冻融循环次数都会影响沥青的均匀性，所以表现为延度出现明显的变化。

图3 盐溶液浓度对沥青延度的影响曲线图

图4 冻融循环次数对沥青延度的影响曲线图

3.3 各影响因素对沥青当量软化点的影响

如后页图5、图6所示，对比盐溶液浓度和冻融循环次数影响因素条件下，基质沥青的当量软化点最小，说明基质沥青的高温性能较差。胶粉改性沥青和SBS沥青的高温性能受两种不同影响因素作用而不同。

图5 盐溶液浓度对沥青当量软化点的影响曲线图

图6 冻融循环次数对沥青当量软化点的影响曲线图

通过单因素分析盐溶液浓度、冻融循环次数对三种类型沥青当量软化点的影响，计算各类型沥青当量软化点的极差最大值，得出以下结论：

(1)以盐溶液浓度为影响因素时，基质沥青在冻融循环3次时，最大极差值为1.1 ℃；SBS改性沥青在冻融循环3次时，最大极差值为1.3 ℃；胶粉改性沥青在冻融循环25次时，最大极差值为1.8 ℃。

(2)以冻融循环次数为影响因素时，基质沥青在盐溶液浓度为4%时，最大极差值为0.7 ℃；SBS改性沥青在各浓度盐溶液中极差值均约为1.0 ℃；胶粉改性沥青在盐溶液浓度为6%时，最大极差值为1.5 ℃。

由极差分析可知，盐溶液的浓度对基质沥青和SBS沥青的高温性能影响较大，冻融循环次数对胶粉改性沥青的高温性能影响较大。

4 结语

对三种沥青进行盐溶液的侵蚀和冻融循环作用，测试三种沥青在不同条件下的针入度、延度、当量软化点，并采用单因素分析和极差分析方法对沥青的感温性能、低温性能和高温性能进行评价，得出以下结论：

(1)盐溶液侵蚀和冻融循环次数对沥青的感温性能和高温性能影响较大。三种沥青的低温性能受两种影响因素的影响较小。

(2)两种影响因素对不同类型的沥青的影响程度不同，盐溶液侵蚀对基质沥青和SBS沥青的感温性能和高温性能影响较大；冻融循环次数对胶粉改性沥青的感温性能和高温性能影响较大。

(3)三种沥青的感温性能为胶粉改性沥青>SBS改性沥青>基质沥青。对于温差变化较大的地区推荐采用胶粉改性沥青。