侵蚀对透水纤维沥青混合料水稳定性的影响

叶树鹏，吴金荣*，陈 超

(1.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心,淮南 232001；2.安徽理工大学土木建筑学院,淮南 232001)

透水沥青路面有很多优点，如防滑、降噪、避免路面积水等。但随着沥青路面使用年限的增加，会出现开裂、变形等破坏。同时，氯盐类融雪剂被广泛应用在除雪、除冰中，盐分对沥青路面侵蚀作用加剧了沥青路面的水损伤[1-3]。为此，研究人员做了大量的试验研究。研究人员对沥青的种类对透水沥青混合料水稳定性的影响进行了试验，结果表明高黏透水沥青混合料以及在苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer,SBS)改性沥青中添加高黏改性剂的混合料，其水稳定性明显高于SBS改性沥青混合料[4]。通过在SBS改性沥青中掺加纤维来代替TPS(tafpack-super)高黏改性沥青，其沥青混合料的水稳定性、高温性能、低温性能均达到或超过TPS高黏改性沥青的混合料；表明掺加纤维的SBS改性沥青和高黏改性沥青性能相近[5]。通过在透水沥青混合料中掺加消石灰、抗剥落剂以及普通硅酸盐水泥来研究沥青的抗剥落性，结果表明消石灰可以显著改善沥青的抗剥落性，可以替代抗剥落剂，普通硅酸盐水泥的改善效果最差；因此，对于更易遭受水损害的透水沥青混合料来说，添加适量的消石灰可以改善水稳定性[6-8]。

在沿海地区，沥青路面受海水盐分影响严重，其中沥青混合料的低温抗裂性能显著降低；同时，盐分对沥青混合料水稳定性也有一定的影响[9]；在此基础上，王富玉等[10]进一步研究了氯盐对沥青混合料水稳定性的影响：随着氯盐浓度的增加，冻融劈裂抗拉强度逐渐降低。为了提高沥青混合料的路用性能，研究人员在混合料中掺加聚酯纤维，试验结果表明聚酯纤维能够有效提高混合料的高温性能、低温性能以及水稳定性[11]；吴金荣等[12]研究了聚酯纤维的掺量对沥青混合料水稳定性的影响，聚酯纤维掺量为0.2%时，水稳定性最佳；综合以上研究，研究人员探索了掺加聚酯纤维、木质素纤维、玄武岩纤维的沥青混合料抵抗氯盐侵蚀的能力，根据试验得出玄武岩纤维能够有效提高沥青混合料抵抗氯盐侵蚀的能力[13]。

通过上述文献可知，关于盐分对沥青路面的影响已经做了很多研究，研究人员也给出了提高沥青路面抗盐分侵蚀的建议，如改性沥青、掺加不同的填料以及掺加纤维。关于水稳定性的研究主要集中在密级配沥青混合料，而透水沥青混合料水稳定性的研究较少。基于此，现从透水沥青混合料水稳定性出发，探究透水沥青混合料水稳定性在盐分作用下的变化规律，以期为提高透水沥青混合料水稳定性提供措施和方案。

1 试验材料和试验方法

1.1 原材料

选用AH-70号重交沥青，沥青的性能参数如表1所示。

粗、细集料为石灰岩，矿粉为石灰石矿粉，均满足规范要求。试验选用PAC-13型级配，矿料级配组成如表2所示。

采用某公司生产的聚酯纤维，外观如图1所示，技术指标如表3所示。

表1 沥青性能参数Table 1 Asphalt performance parameters

表2 矿料级配Table 2 Mineral aggregate gradation

表3 聚酯纤维的技术指标Table 3 Indicators of polyester fiber

图1 聚酯纤维Fig.1 Polyester fiber

聚酯纤维本身的强度高、韧性好、耐高温，在沥青混合料拌合以及冷却成型后都能起到良好的联结作用，使得集料与沥青间的黏附性增强[14-15]。根据已有的研究表明，在透水沥青混合料中聚酯纤维的掺量一般为0.3%～0.5%[16]。因此，选择0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%的聚酯纤维掺量，来研究其水稳定性能。

1.2 最佳沥青用量

根据沥青膜厚法可以得出透水沥青混合料沥青的初始用量为5%[17]，而最佳沥青用量则由谢伦堡析漏试验和马歇尔试验共同确定[18-19]。当聚酯纤维掺量为0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%时，透水沥青混合料的最佳沥青用量分别为4.9%、5.0%、5.1%、5.2%、5.3%。

1.3 试验方法

常温状态下，饱和NaCl溶液的浓度为26%、饱和Na2SO4溶液的浓度为16%。试验研究饱和状态以及半饱和状态下的盐溶液对透水沥青混合料水稳定性的影响，即浓度为13%、26%的NaCl溶液和浓度为8%、16%的Na2SO4溶液，同时设置清水对照组。

评价沥青混合料水稳定性的方法有冻融劈裂试验、浸水车辙试验以及浸水马歇尔试验。浸水车辙试验通过动态模拟，能够较好地反映出路面实际情况，但试验的可操作性差；浸水马歇尔试验不能有效反映实际路面情况；相较而言，冻融劈裂试验简单易操作，可以直观地反映冬季沥青路面在除冰盐的作用下水稳定性的变化[5]。

试件采用标准的马歇尔试件[Φ(101.6±0.2)mm×(63.5±1.3)mm]，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[20]中要求的击实法成型。由于聚酯纤维掺量不同，透水沥青混合料的空隙率也有所差别，大致为17.4%～19.1%。

制作每种聚酯纤维掺量的马歇尔试件各40个，5种掺量下共计200个。每种聚酯纤维掺量下的试件又分成5组，每组8个；其中平行试件为4个。前4组试件分别放置在13%、26%NaCl溶液和8%、16%Na2SO4溶液中，进行侵蚀；第五组试件放置在清水中，作为对照。

试验前，先将每组8个试件中的4个平行试件进行真空饱水15 min；随后在水或盐溶液中浸泡0.5 h，再将试件与10 mL水或盐溶液装入密封袋中，在(-18±2)℃下保温16 h；取出试件，将其放在装满相应溶液，且温度设置为(60±0.5)℃的恒温水浴箱中保温24 h，即完成冻融试验。最后将剩下的4个平行试件与经过冻融的平行试件一起放置在装满相应溶液的(25±0.5)℃恒温水浴箱中养生2 h后，按照50 mm/min的速率进行劈裂试验。

2 试验结果分析

2.1 试验结果

按照规范进行试件的劈裂试验和冻融劈裂试验，表4为最终的实验结果。

其中冻融劈裂抗拉强度比(TSR)的计算公式为

(1)

式(1)中:RT1为未经过冻融的沥青混合料劈裂抗拉强度，MPa；RT2为冻融后的沥青混合料冻融劈裂抗拉强度，MPa。

2.2 聚酯纤维的影响

由表4可以看出，在聚酯纤维掺量从0.3%增加到0.5%的过程中，试件的劈裂抗拉强度、冻融劈裂抗拉强度都呈现出先增大后减小的趋势。在掺入的聚酯纤维为0.4%时，冻融前后的劈裂抗拉强度均达到峰值。

表4 冻融劈裂试验结果Table 4 Test results of freeze-thaw splitting

以浸泡在清水中的试件为例，当聚酯纤维掺量从0.3%增大到0.4%时，未经冻融的试件劈裂抗拉强度由0.600 MPa增大至0.749 MPa，冻融后试件的劈裂抗拉强度由0.472 MPa增大至0.600 MPa；当聚酯纤维掺量由0.4%逐渐增大到0.5%时，未经冻融试件的劈裂抗拉强度反而由0.749 MPa逐渐减小至0.720 MPa，冻融后试件的劈裂抗拉强度则由0.600 MPa逐渐减小至0.390 MPa。由此可以看出，聚酯纤维掺量存在最佳值，而不是越多越好。

冻融劈裂抗拉强度比更能清楚地反映出试件强度的变化规律，是衡量沥青混合料水稳定性的重要指标[21-22]。在试件中的聚酯纤维从0.3%增加到0.5%的过程中，试件的冻融劈裂抗拉强度比也呈现出先增大后减小的趋势；掺入的聚酯纤维为0.4%时，各组试件都达到了最大的冻融劈裂抗拉强度比，也说明试件的水稳定性此时最佳。

2.3 NaCl溶液的影响

浸泡在不同浓度NaCl盐溶液中的试件，其劈裂抗拉强度RT1、冻融劈裂抗拉强度RT2变化规律如图2(a)、图2(b)所示。

由图2(a)和图2(b)可以看出，当试件中聚酯纤维掺量相同时，随着NaCl溶液浓度增加，试件的劈裂抗拉强度、冻融劈裂抗拉强度均减小。聚酯纤维掺量为0.4%时，浸泡在13%和26%NaCl溶液中的试件劈裂抗拉强度分别为0.658、0.595 MPa，与浸泡在清水中的试件劈裂抗拉强度0.749 MPa相比，分别下降了12.1%、20.6%；浸泡在13%和26%NaCl溶液中的试件冻融劈裂抗拉强度分别为0.495、0.455 MPa，与浸泡在清水中试件的冻融劈裂抗拉强度0.600 MPa相比，分别下降了17.5%、24.2%。

浸泡在NaCl溶液中的试件，其劈裂抗拉强度、冻融劈裂抗拉强度较清水中的试件均有不同程度的下降；由此可以得出，NaCl溶液对透水沥青混合料具有侵蚀作用；且经过冻融后，NaCl溶液的侵蚀作用更加明显。随着NaCl溶液浓度的增加，试件冻融前后的劈裂抗拉强度都越来越低，侵蚀更加严重。

浸泡在NaCl溶液中的试件，其冻融劈裂抗拉强度比(TSR)变化规律如图2(c)所示。

当试件中聚酯纤维掺量相同时，试件的冻融劈裂抗拉强度比随着NaCl溶液浓度的增加而逐渐减小。在聚酯纤维掺量为0.35%时，透水沥青混合料浸泡在13%、26%的NaCl溶液中的冻融劈裂抗拉强度比分别为78.2%、75.6%，与放置在清水中试件的冻融劈裂抗拉强度比79.0%相比，分别下降0.8%和3.4%。由冻融劈裂抗拉强度比的变化规律可以得出，NaCl溶液浓度越大，试件的水稳定性越差。

图2 不同浓度NaCl溶液下的沥青混合料指标关系曲线Fig.2 The relationship curve of asphalt mixture index under different concentration of NaCl solution

2.4 Na2SO4溶液的影响

浸泡在Na2SO4溶液中的透水沥青混合料劈裂抗拉强度、冻融劈裂抗拉强度如图3(a)、图3(b)所示。

由图3可知，在经过8%和16% Na2SO4溶液侵蚀过后的试件相较于清水环境下的试件虽然强度降低了，但下降幅度却在变缓。0.4%纤维掺量情况下，8%和16% Na2SO4溶液侵蚀下的劈裂抗拉强度相较于清水环境下的强度分别下降了15.2%、23.1%，两者仅相差7.9%。冻融劈裂抗拉强度同样满足该趋势，0.4%纤维掺量情况下，浸泡在8%和16% Na2SO4溶液中试件的冻融劈裂抗拉强度相较于清水环境下的冻融劈裂抗拉强度分别下降了20%、34.8%，两者相差14.8%。

紧接着在第三段，评论员指出：Those who believe the current level of cyber attack is“war”are missing the bigger picture：War is war.People die in wars.Countries disappear and new countries are formed by war.People are displaced by war.Fortunes are made and fortunes are lost in war.

由以上的数据可以得出：随着Na2SO4浓度的增加，劈裂抗拉强度以及冻融劈裂抗拉强度都有不同程度的下降。从清水达到半饱和盐溶液状态的过程中，试件的强度下降较多；然而盐溶液从半饱和状态和达到饱和状态的过程中，试件的强度下降变缓。

浸泡在Na2SO4溶液中的试件，其冻融劈裂抗拉强度比(TSR)变化规律如图3(c)所示。

图3 不同浓度Na2SO4溶液下的沥青混合料指标关系曲线Fig.3 The relationship curve of asphalt mixture index under different concentration of Na2SO4 solution

在最佳掺量0.4%情况下，浸泡在清水中和8% Na2SO4溶液中试件的冻融劈裂抗拉强度比分别为80%和79.3%，两者仅相差0.7%。然而浸泡在16% Na2SO4溶液中试件的冻融劈裂抗拉强度比67.9%，相较于浸泡在清水中和8% Na2SO4溶液中试件的冻融劈裂抗拉强度比分别下降12.1%和11.4%。

由此可见，虽然随着盐溶液浓度的增加，试件强度的降低有所减缓，但对试件本身而言仍然有较大的影响。

3 水稳定性破坏分析

水稳定性损伤是指沥青薄膜和集料之间的水分阻断了薄膜与集料的相互结合，沥青薄膜发生脱落，导致试件的强度降低。

聚酯纤维状态稳定，抗酸碱腐蚀的性能极强，能够减少水分和盐溶液通过存在的缝隙进入沥青膜和集料界面内部，提高透水沥青混合料抗水损和抗侵蚀的能力[11]。然而当纤维掺量过多时，纤维不能有效的分布，聚集在一起，在试件的内部形成薄弱层，加筋和桥接等增强作用减弱[23]。

如浸泡在清水中的试件，其冻融劈裂抗拉强度在纤维掺量为0.3%和0.35%时分别为0.472、0.494 MPa；在聚酯纤维掺量为0.4%时达到最大为0.600 MPa，相较于掺量为0.3%和0.35%的试件强度提升了27.1%和21.5%；0.45%和0.5%纤维掺量的试件冻融劈裂抗拉强度分别为0.400、0.390 MPa，相较于0.4%纤维掺量时的冻融劈裂抗拉强度则大幅降低了33.3%和35%，其冻融劈裂强度甚至低于0.3%和0.35%纤维掺量的试件。

试件的冻融劈裂抗拉强度比在聚酯纤维掺量为0.3%～0.4%时不断上升，一旦聚酯纤维掺量超过0.4%，冻融劈裂抗拉强度比开始急剧下降，降幅超过20%。

无论是NaCl溶液还是Na2SO4溶液，均对透水沥青混合料的水稳定性有着严重影响。经过饱和盐溶液的侵蚀，冻融劈裂抗拉强度开始出现较大的差别，被Na2SO4溶液侵蚀的试件强度明显低于被NaCl溶液侵蚀的试件强度；冻融劈裂抗拉强度比更能直观地反映出这种差别。通过清水、饱和NaCl溶液和饱和Na2SO4溶液的对比发现，在掺入的聚酯纤维为0.4%时，透水沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比分别为80%、76.5%、67.9%。因此，Na2SO4溶液对试件水稳定性的影响大于NaCl溶液。

在盐溶液浓度较低时，被NaCl溶液、Na2SO4溶液侵蚀过的试件，其冻融劈裂抗拉强度比和浸泡在清水中的试件相比，差距都不大；然而被饱和盐溶液侵蚀过的试件，其冻融劈裂抗拉强度比和浸泡在清水中的试件相比有较大差别。说明被饱和盐溶液侵蚀过的试件，其内部出现损伤，经过冻融后，试件的劈裂强度快速下降。

因此，要避免沥青路面被高浓度盐溶液侵蚀。在冬季撒布融雪剂时，应选择盐分含量较少的产品；避免撒布融雪剂后，路面的盐溶液浓度大于盐溶液的半饱和状态。并且，硫酸盐对于沥青路面的影响明显大于氯盐；市政部门在选购融雪剂时，应避免选择含有硫酸盐的融雪剂；对于复合盐的融雪剂，也应选择硫酸盐含量低的融雪剂。

与此同时，为了提高透水沥青混合料抵抗盐溶液侵蚀的能力，可以在透水沥青混合料中掺加聚酯纤维。由试验可知，掺入的聚酯纤维为0.4%时最佳，此时透水纤维沥青混合料的各项性能均达到最佳，水稳定性也是最好。

4 结论

通过对浸泡在不同种类不同浓度盐溶液中的透水纤维沥青混合料试件进行劈裂试验，得到的结论如下。

(1)适量的聚酯纤维掺入到透水沥青混合料中，可以改善透水沥青混合料的水稳定性，提高透水沥青混合料抵抗盐分侵蚀的能力。通过试验可知，掺入的聚酯纤维为0.4%时最佳。

(2)盐分对透水沥青混合料的侵蚀损伤随着盐溶液浓度的增加而加深，水稳定性也随之降低。在融雪作业时，应选择低浓度盐的融雪剂。

(3)NaCl溶液和Na2SO4溶液对透水纤维沥青混合料的侵蚀效果不尽相同，从冻融劈裂抗拉强度比可以看出，Na2SO4溶液对透水纤维沥青混合料的侵蚀更严重。因此，应减少或避免使用硫酸盐融雪剂，以减少道路损伤。