氯盐腐蚀对密级配石灰岩沥青混凝土水稳定性影响规律研究

■沈 智

（南平市公路事业发展中心浦城分中心，南平 353400）

中国大部分地区属于温带大陆性气候区，具有四季分明的特点。 冬季降雪在沥青路面会经历积雪，在此期间由于温度骤降及车辆的碾压，积雪会在路表形成结冰，进一步降低路面与轮胎的摩擦力引起车辆的滑行，极易诱发安全事故，严重威胁了沥青道面的使用性和安全性。 为应对降雪结冰影响沥青路面，融雪剂成为目前解决这一问题的最常用手段。 融雪剂主要包括醋酸盐及氯盐两大类，醋酸类融雪剂是一种环境友好型除冰盐类型，尤其对于钢筋的腐蚀性较小，但由于成本价格等因素，无法得到大面积的使用。 氯盐类融雪剂（除冰盐）同样具有较好的融雪性，易于实施且价格低廉，一般仅为醋酸类融雪剂的1/10， 因此在实际的应用过程中，选择性更高[1]。 但在使用过程中发现此类除冰盐使用过的路面往往会出现一些开裂、 松散坑槽等病害，造成了沥青路面功能性甚至结构性的衰减[2-4]。

除冰盐（氯盐）的作用机理是将盐溶于雪（水）后，使溶液的冰点下降，从而降低了雪水的凝固，阻碍了路面结冰[5]。但同时盐溶液会沿着路面的孔隙及裂缝深入路面结构中， 从而降低了沥青路面的稳定性。 密级配沥青路面是我国常用的上面层类型。 因此，以室内试验为基础，基于改进的水稳定性试验方法， 研究不同类型的除冰盐对密级配沥青混凝土水稳定性能， 有助于认识并选用合适的材料及方法，以减少氯盐对密级配沥青面层的潜在危害。本研究选取多种浓度（0、0.2、0.4、0.6 g/mL）常用的Ca-Cl2、NaCl 和MgCl2除冰盐，研究其侵蚀下对密级配沥青混凝土（AC-13、AC-16）的水稳定性影响规律。

1 原材料和混合料设计

1.1 集料

本试验集料分别采用0 ～3、3 ～5、5 ～10、10 ～15 mm 共4 档类型的石灰岩和玄武岩集料，填料采用磨细的石灰岩矿粉，其各项性能指标均满足相关规范中使用要求，其相应的技术指标均满足使用规范要求。

1.2 沥青结合料

由于SBS 良好的高低温性能，目前道路一般多采用SBS 改性沥青作为结合料使用。本研究采用壳牌SBS 改性沥青，进行沥青混凝土的制备，其主要性能指标见表1。

表1 SBS 改性沥青性能

1.3 除冰盐

选用目前市面上应用最为广泛的CaCl2、NaCl和MgCl2作为除冰盐的溶剂成分。 其中CaCl2为白色立方体硬质碎块，易溶于水同时大量放热，水溶液呈微酸性。NaCl 为白色晶体粉末，稳定性较好，水溶液呈中性。 MgCl2呈无色片状晶体，溶于水，在空气中易潮解。 所选用的三种溶剂均为分析纯（AR）。在常温下分别制备0 （纯水溶液）、0.2、0.4、0.6、0.8 g/mL 的3 种除冰盐溶液用以后续性能试验。

2 沥青混凝土配合比设计

2.1 级配设计

实验选用AC-13 和AC-16 作为主要密级配级配代表类型。 依据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中对AC-13 级配范围上下限的规定，设计本次试验的级配曲线分别见图1、2。

图1 AC-13 级配曲线

图2 AC-16 级配曲线

2.2 最佳油石比确定

为制备性能检测用沥青混凝土，按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中最佳油石比确定方法， 以4%作为目标空隙率， 制备AC-13和AC-16 级配标准马歇尔沥青混凝土试件。 按照马歇尔设计法确定AC-13 和AC-16 最佳油石比分别为5.2%（石灰岩）、5.3%（玄武岩） 和4.8%（石灰岩）、4.9%（石灰岩）。

3 沥青混凝土水稳定性

沥青混凝土可以看作是三相体结构，分别由粗集料、沥青结合料（或砂浆）及孔隙构成，其中沥青结合料覆盖在松散的颗粒表面从而将原本松散的颗粒粘结形成具有一定强度的骨架结构。 由于集料的亲水性， 当水渗入原本稳定的沥青混凝土结构后，会逐渐剥离沥青裹附集料的状态，尤其是在盐溶液状态下更为严重，导致沥青膜丧失粘结力从而脱落以及结构强度降低，诱发路面开裂、松散、坑槽等一系列病害。 因此有必要对氯盐侵蚀下，密级配沥青混凝土的水稳定性进行进一步的研究。

3.1 循环马歇尔稳定度试验

传统浸水马歇尔稳定度试验步骤中规定将最佳油石比条件下制备的马歇尔试件分位两组，一组在（60±1）℃条件下浸水30～40 min，另一组在同样温度条件下浸水48 h 后取出，以两者的强度比作为残留稳定度值。 为研究氯盐对沥青混凝土的影响，以制备的多种浓度氯盐溶液代替规范中高温浸水保温过程的水浴环境， 此外还考虑单浓度（0.4 g/mL）多循环下马歇尔稳定度变化。 残留稳定度为48 h 后试件的稳定度与30 min 稳定度的百分比，其计算公式如式（1）所示：

试中：MS0为试件残留稳定度（%）；MS1为浸水（盐溶液）48 h 稳定度（kN）。

图3 和图4 分别为氯盐溶液浓度和循环次数对AC-13 和AC-16 两种级配残留稳定度的影响规律曲线。由图3、图4 可知，对于加入氯盐后，AC-13沥青混合料的残留稳定度下降非常明显，降低幅度8.7%～13.3%， 之后每增加0.2 g/mL 盐溶液浓度，残留稳定度下降程度在2.5%～6.9%。 图3 为AC-16沥青混合料残留稳定度变化规律， 盐溶液侵蚀下AC-16 的结果与AC-13 相似， 均存在一个跳跃性下降，之后随着浓度的增加稳步下降。

图3 AC-13 单循环沥青混凝土残留稳定度结果

图4 AC-16 单循环沥青混凝土残留稳定度结果

考虑在原有标准马歇尔稳定度试验基础上，多循环盐侵蚀作用对单一浓度（0.4 g/mL）下密级配沥青混合料残留稳定度影响规律。 由图5 和图6 可知，循环次数的增加降低了密级配沥青混凝土的残留稳定度，其下降的趋势接近线性。

图5 AC-13 多循环沥青混凝土残留稳定度结果

图6 AC-16 多循环沥青混凝土残留稳定度结果

通过马歇尔残留稳定度试验可以发现，无论是单循环还是多循环盐溶液侵蚀，氯盐溶液的加入显著降低了密级配沥青混凝土马歇尔残留稳定度。 盐溶液浓度的增加，会进一步降低沥青混凝土的稳定度，表明侵蚀更为严重。 类似的，增加盐溶液循环条件后也会显著降低马歇尔残留稳定度的值。 玄武岩相对石灰岩性能略优，这可能是由于石灰岩具有更多的气孔导致的。 根据盐溶剂类型对稳定度的影响程度可知，存在NaCl＞CaCl2＞MgCl2的规律。

3.2 多循环冻融劈裂强度

本文主要通过冻融劈裂试验，以不同盐冻循环后冻融劈裂强度比（TSR）值评价盐溶液种类及浓度对密级配沥青混凝土的长期水稳定性影响程度。 该部分方法参考马歇尔稳定度部分试验的方法， 分别在饱水、 冻结及水浴过程中均采用制备的盐溶液代替水溶液。 此外，作为有无盐溶液侵蚀效果的比较，采用水溶液循环作为对照组。 其余操作均按照规范中进行。图7 和图8 分别为AC-13 和AC-16 两种级配多循环下氯盐对沥青混凝土TSR 的影响规律。

图7 不同氯盐溶液种类（浓度）下AC-13 沥青混凝土TSR 结果

图8 不同氯盐溶液种类（浓度）下AC-16 沥青混凝土TSR 结果

由图7 和图8 可知，盐溶液的增加显著降低了沥青混凝土的TSR 值， 将试验全过程中水溶液改为盐溶液后， 单次冻融循环下，TSR 下降幅度为7.5%～12.3%，盐溶液浓度越大，降低的幅度也越大。循环次数对TSR 结果影响显著，且随着冻融循环次数的增加，TSR 下降幅度明显增加， 这表示实际盐冻循环下，如果不及时清理路面的盐溶液会导致路面加速破坏。 3 种氯盐溶液中，NaCl 对混凝土的TSR 值影响最大，损害最为严重。 CaCl2和MgCl2对混凝土TSR 值的影响基本相同。在不同于溶剂浓度对沥青混凝土的影响中，氯盐类型对沥青混凝土的影响程度更为明显。

3.3 汉堡车辙试验

汉堡车辙试验室国外常用的水稳定性评价试验，用来评估一些交通量较大的行车道路的车辙和抗剥落性能。 试验选用水域环境为50℃，本试验中以氯盐代替水域环境。 最终以20 000 次碾压后车辙深度作为评价的主要标准（表2）。

表2 AC-13 和AC-16 的汉堡车辙试验结果。

根据汉堡车辙试验结果可知，氯盐水浴环境下会加深路面的车辙深度，盐浓度的增加降低了试件的强度，从而造成了更大的车辙深度。3 种盐溶液对车辙深度的影响大小依次是NaCl、CaCl2、MgCl2。

通过对标准试验改进的水稳定性能试验结果可知，盐溶液的加入对密级配沥青混凝土的水稳定性能影响显著。 这可能是因为氯盐溶液的Na+、Ca2+、Mg2+以及Cl-具有较强的极性，盐溶剂溶于水后发生电离，从而产生大量的极性离子，它们对于集料的吸附能力大于沥青对于集料的吸附能力[6]，从而导致了集料与沥青表面的分离剥落，使得原本稳定的沥青混合料失去了沥青的裹附粘结， 从而丧失了原有的稳定性和强度， 最终导致一系列病害的产生。

4 结论

本研究采用3 种常用除冰盐类型，基于改进的非标准水稳定性能试验方法，研究了常用除冰氯盐类型及浓度对密级配沥青混凝土的水稳定性影响规律， 在原有标准试验规范基础上替换溶液类型，得到了以下结论：（1）相较于普通的浸水，受到盐溶液侵蚀的密级配沥青混凝土水稳定性能存在着明显的下降，残留稳定度及单次冻融循环结果表明在盐溶液条件下， 两种强度的降幅在8.7%～13.3%（0.2 g/mL 梯度）。 相同浓度下3 种氯盐对水稳定性影响从大到小依次是NaCl、CaCl2、MgCl2。 （2）盐溶液种类对水稳定性的影响程度要大于溶液浓度对密级配沥青混凝土水稳定性的影响程度。 （3）多循环冻融劈裂试验结果表明随着冻融循环次数的增加，密级配沥青混凝土的TSR 会加速下降，即表明水稳定性将加速降低。 因此，应及时通过清扫及排水设施将路面范围内残留的盐溶液清除，避免二次侵蚀破坏。 （4）汉堡车辙试验结果表明氯盐溶液会降低沥青混凝土的抗车辙性能， 加深路面的车辙，容易诱发交通事故。