酸雨对透水沥青路面抗滑耐久性的影响

2023-12-07周志刚王岩李刚高琼

交通科学与工程 2023年5期

周志刚，王岩，李刚，高琼

（长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点实验室，湖南长沙 410114）

路面的抗滑性能是行车安全的重要保障［1-2］。轮胎和路面之间的摩擦力受到车辆荷载［3-4］、环境因素、路面洁净程度的影响［5］。摆值和平均断面深度是表征路面抗滑性能的主要参数［6-9］。在行车荷载反复作用下，路面的表面构造发生改变［10］，主要表现在宏观构造和微观纹理，影响了路面的抗滑耐久性能［11-13］。透水沥青路面的排水沥青混凝土的内部粗骨料相互交错，形成大量连通孔隙网络结构［14］。雨水透过路面表层进入内部，再以水平方向排出，这显著提高了雨天路面排水效率，解决了传统密集配沥青路面在积水条件下抗滑性能不足的问题［15-16］。然而，由于透水沥青路面具有高孔隙率的结构特点，使其容易遭受酸雨的长时间、大面积腐蚀，对沥青混合料的结构和路用性能产生不利影响［17］。关于酸雨对沥青路面的侵蚀影响，国内外已经进行了一些研究。张倩等［18］采用周期浸泡的方式，研究了4 种不同级配混合料在3 种pH 值的酸溶液中的腐蚀。化学侵蚀导致沥青混合料的空隙率增加，结构疏松，强度下降，其中，AC-16 沥青混合料耐酸溶液腐蚀较好。冯新军等［19］对酸溶液浸泡腐蚀后的沥青混合料进行了路用性能测试，指出沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性的下降幅度随着酸溶液浓度和浸泡周期的增大而增大。周兴林等［20］采用平板磨光法对经过酸溶液喷淋后的试件进行磨光试验，得到试件加载初期、前期、后期的摆值衰减趋势，指出SMA-13沥青混合料的抗滑性能要优于AC-13沥青混合料的。

综上所述，目前国内外主要针对酸溶液对沥青混合料的腐蚀机理和力学性能的影响进行研究，而关于循环荷载作用下酸腐蚀对沥青混合料抗滑性能影响的研究并不多见。考虑到透水沥青混合料在抗滑性能上优于其他类型的沥青混合料，但是关于透水沥青混合料在酸雨环境下的抗滑性能，以及与其他类型混合料进行对比和定量评价的资料很匮乏。因此，本研究通过湿干循环浸泡处理沥青混合料试件，模拟酸雨环境，利用小型加速加载设备进行加速加载试验，采用激光断面仪和摆式仪测试、评价混合料表面的抗滑性能，并对透水沥青混合料OGFC-13 和密集配沥青混合料AC-13 在不同酸浓度和浸泡周期的影响下的抗滑耐久性能进行对比分析。

1 试验材料

1.1 沥青及改性剂

AC-13 所用沥青为SBS 改性沥青，OGFC-13 所用沥青为高黏沥青，即在SBS 改性沥青中投入HVA高黏剂，掺量比例为SBS改性沥青∶HVA高黏剂=92∶8。SBS 改性沥青按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的方法和《公路沥青路面施工技术规范》中的技术要求进行检测，SBS改性沥青的技术指标见表1。

表1 SBS改性沥青改性前后技术指标Table 1 Technical indexes of the SBS modified asphalt before and after modification

1.2 沥青混合料集料与级配设计

OGFC-13 沥青混合料和AC-13 沥青混合料的粗集料均为辉绿岩，细集料均为石灰岩，矿粉均为石灰岩矿粉。根据《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）中的试验方法和《公路沥青路面施工技术规范》（JTG E40—2004）中的技术要求对集料和矿粉进行检测，OGFC-13 沥青混合料和AC-13 沥青混合料的最佳油石比分别为4.2%、4.7%，空隙率分别为20.15%、3.11%，各筛孔的通过率见表2。

表2 OGFC-13和AC-13沥青混合料集料级配Table 2 Aggregate gradation of the OGFC-13 and the AC-13 asphalt mixture %

1.3 酸溶液制备

酸雨中的酸性物质主要来自人为排放的SO2、NOx 等气体，这些气体经过氧化和水解作用，形成H2SO4、HNO3、HNO2。本试验采用0.05 mol/L 的H2SO4、0.1 mol/L 的HNO3以及蒸馏水在常温下配制了酸溶液。蒸馏水是用蒸馏水发生器自行制备的。按照c（SO42-）∶c（NO3-）=9∶1 的比例，配置了pH 值为2、4 的酸溶液［21］。这些酸溶液与蒸馏水溶液（pH 值为7）进行了对比。

2 试验方法

2.1 酸环境腐蚀模拟试验

采用周期循环湿干浸泡对OGFC-13 沥青混合料和AC-13 沥青混合料进行处理，每个浸泡周期为7 d，其中，前6 d对试件进行浸泡处理，第7 d将试件放置在室内环境晾干。为保证溶液酸性的稳定，在浸泡过程中每天定时测量溶液的pH 值，若发现pH值发生了变化，及时更换溶液。同时，为避免室内环境温度的变化对酸溶液的腐蚀速度造成影响，本试验采用恒温棒将溶液的温度维持在30 ℃。

2.2 加速加载试验

采用MMLS3 加速加载仪对沥青混合料试件进行加速磨耗试验。该加速加载仪有4 个充气橡胶加载轮胎，轮胎宽度80 mm。试验中，设置的轮载为2 700 N，胎压为0.7 MPa，加载速度为每小时6 000次，试验加载次数达到80万次时结束。

2.3 路表纹理构造检测

采用加速加载仪配套的MMLS PM900路面激光断面仪检测路表的纹理构造。在扫描过程中，激光扫描范围为100 mm，扫描频带为1 mm/次，扫描精度为0.01 mm。使用激光断面仪测量与行车方向垂直的横断面，并在2 万次、40 万次和70 万次对试件进行测量。通过扫描图像求平均断面深度DMP，并以DMP来表征路表宏观构造的变化趋势。DMP的测量原理如图1所示。

图1 平均断面深度Fig. 1 Average section depth

其计算公式如下：

式中：

DMP为平均断面深度，mm；

h1、h2分别为断面前、后半周期最高波峰的高程，mm；

h为断面的平均高程，mm。

2.4 抗滑性能摆值检测

采用BM-Ⅲ型摆式摩擦系数测定仪，检测加速加载试验后试件的摩擦摆值。在加速加载试验的前期［0～10］万次，每隔2 万次测量一次试件的摆值。在（10，20）万次，每隔5 万次测量一次试件的摆值。在大于等于20 万次，每隔10 万次测量一次试件的摆值。

3 腐蚀现象分析

1）试件表面出现气泡现象。

如图2所示，经过酸溶液浸泡后，试件表面产生了大量气泡。在pH 值为2的溶液中，试件表面的气泡数量明显多于pH 值为4溶液中的试件表面气泡，而在pH 值为7的溶液中，试件表面几乎没有气泡产生。这是因为沥青混合料的细集料是石灰岩，其主要成分是CaCO3，可与硝酸、硫酸发生化学反应生成CO2气体。酸性越强，该反应越剧烈，导致试件表面气泡数量增加。

图2 试件表面气泡Fig. 2 Bubbles on specimen surface

2）试件表面沥青膜出现剥落现象。

经过酸溶液浸泡后，试件表面沥青膜的面积减小，露出了白色集料。在pH 值为2 的溶液中，试件表面露出集料的面积较大。而在pH 值为7 的溶液中，试件表面集料不外露，沥青膜保持完整。这是由于酸性物质与沥青膜发生了氧化腐蚀，使得沥青中的胶质含量下降，同时沥青膜产生了微裂缝。酸雨可以从沥青膜的微裂缝中进入沥青膜内部，与沥青膜包裹的集料发生化学反应，造成集料钠、镁、钙等粒子的流失，降低了集料和沥青的黏附性，导致沥青膜脱落。酸雨透过集料空隙，渗透至内部，加剧了腐蚀。相较于AC-13 沥青混合料，OGFC-13沥青混合料剥落的沥青膜较少，这是因为前者的沥青膜较厚、黏性较强，水分难以侵蚀并剥落沥青膜。浸泡2 个周期和4 个周期的试件表面裸露的集料面积无明显变化，表明在前2 个周期沥青膜已经基本剥落完毕。浸泡2 个周期后的试件如图3所示。

图3 试件表面沥青膜剥落Fig. 3 Asphalt film spalling on specimen surface

4 摆值测试结果与分析

经过pH 值为2、4、7 的溶液浸泡4 个周期后的试件和未浸泡的试件，在加速加载设备中进行加载后测得的摆值结果如图4 所示。利用该图对比分析溶液酸浓度对抗滑性能的影响。未经过任何处理的试件，在pH 值为2 时，浸泡2 个周期和4 个周期的试件进行加速加载试验后测摆值，结果如图5所示。利用该图对比分析浸泡周期对抗滑性能的影响。

图4 不同pH值条件下试件摆值衰变曲线Fig. 4 Pendulum decay curves of specimens under different pH values

图5 不同浸泡周期处理后试件摆值衰变曲线Fig. 5 Pendulum decay curves of specimens after different immersion cycles

为了使试件的摆值准确反映路面的常态抗滑能力，将加载2 万次后测得的摆值作为曲线起点。在初始加载阶段（前6 万次），未浸泡试件的摆值呈上升趋势，这是因为沥青膜在加载过程中被去除；而浸泡过的试件由于沥青膜在浸泡过程中就已经被腐蚀破坏，故其摆值随加载次数呈下降趋势。整体上，AC-13 沥青混合料和OGFC-13 沥青混合料在前20万次加载中，摆值的衰减速率较快。当加载次数达到50 万次后，试件的摆值变化不大。根据KANE［22］提出的路面全寿命周期内抗滑性能随磨耗次数变化的模型，可以将加载前20万次划分为快速衰减阶段，将加载20～50 万次划分为缓慢衰减阶段，将加载50～80万次划分为稳定阶段。

对于未浸泡试件，在循环加载前期（约6～8 万次），AC-13 沥青混合料的摆值高于OGFC-13 沥青混合料的。然而，在沥青膜逐渐剥落的过程中，AC-13沥青混合料的摆值逐渐降低，而OGFC-13沥青混合料的摆值逐渐升高。在加载30万次之后，这种差距变得更加明显。这是因为在前期沥青膜剥落前，虽然OGFC-13 沥青混合料的纹理构造深度（DMP=0.77）大于AC-13 沥青混合料的纹理构造深度（DMP=0.31），但轮胎橡胶与沥青膜之间的黏性摩擦力占主导地位，轮胎橡胶直接接触沥青膜，集料宏微观构造的切削摩擦力尚未体现出来。由于AC-13沥青混合料的表面接触面积大于OGFC-13 沥青混合料的，因此AC-13 沥青混合料的抗滑性能强于OGFC-13 沥青混合料的。随着循环加载次数增加，试件表面的沥青膜逐渐剥落，集料宏微观构造的切削摩擦力增强，逐渐占据主导地位。因此，后期OGDC-13 沥青混合料的抗滑性能强于AC-13 沥青混合料的。

对于经过浸泡处理的试件，由于沥青膜在加载过程中剥落，经历了前期（加载前2 万次）短暂的循环作用后（进一步促使沥青膜剥落），AC-13 沥青混合料的摆值逐渐低于OGFC-13沥青混合料的。这一变化规律及其原因与未浸泡试件的抗滑性能的分析相同。

5 酸腐蚀对沥青混合料抗滑性能的衰变效应

5.1 酸浓度的影响

引入摆值损失率和变化率作为沥青混合料抗滑性能阶段性衰减评价指标［22-24］，分别计算试件在各阶段的摆值损失率和变化率，结果如图6 所示。从图6（a）可以看出，随着酸浓度增加，摆值损失率呈增大趋势，路面抗滑性能下降更为明显。其中，OGFC-13 沥青混合料的摆值损失率远小于AC-13沥青混合料的。从图6（b）可以看出，摆值的衰减主要集中在快速衰减阶段，在稳定期变化很小。随着酸浓度增加，混合料摆值在前期衰减速率加快。整体上，OGFC-13 沥青混合料的摆值衰减速率低于AC-13 沥青混合料的。因此，与AC-13 沥青混合料相比，OGFC-13 沥青混合料具有更好的抗滑耐久性能，酸腐蚀对其抗滑性能的衰变效应相对较弱。

图6 不同酸浓度下摆值损失率及变化率Fig. 6 Loss rate and change rate of swing value at different acid concentrations

采用指数模型Y=AeBx+C来分析抗滑指标与荷载作用次数之间的关系［25-28］。Y为抗滑指标（摆值或构造深度）；x为荷载作用次数。当加载次数趋近于0 时，A+C可以代表混合料的抗滑初始值，而当加载次数趋近于无穷大时，C表示混合料在稳定阶段的抗滑性能指标，B表示混合料抗滑性能的衰减速率，A表示混合料抗滑性能的衰减幅度。摆值拟合结果见表3。

表3 不同酸浓度下摆值指数模型拟合结果Table 3 Fitting results of pendulum index model under different acid concentrations

根据表6 中C与沥青混合料实测摆值的对比，可以得出以下结论：在pH 值为2、4、7 和未浸泡条件下，AC-13 沥青混合料进入稳定阶段所需的荷载作用次数，分别为30、40、50、50 万次。而对于OGFC-13 沥青混合料，在相同的pH 值和未浸泡条件下，进入稳定阶段所需的荷载作用次数，分别为40、50、60、60 万次。随着酸浓度的增加，混合料进入稳定阶段的加载次数有所减少，这对路面的抗滑耐久性是不利的。值得注意的是，OGFC-13 沥青混合料在腐蚀后，其抗滑耐久性优于AC-13 沥青混合料的。

使用激光断面仪对试件进行测量，得到与行车方向垂直的横断面，并计算加载2 万次与40 万次的断面高程差以及加载40 万次与70 万次的断面高程差，如图7 所示。试件在加载2 万次与40 万次之间的断面高程差较大，40万次与70万次之间的断面高程差较小。这表明试件在40万次加载之前，混合料的宏观构造已经被压密实。随着酸浓度的增加，加载2万次和40万次之间的断面高程差增大，而40万次和70 万次之间的断面高程差减小。这表明40 万次加载之前，酸浓度的增加会加速沥青膜剥落，促使表面集料的进一步挤密平整，导致断面高程差衰减增大，而在前期稳定后，酸浓度的增加反而导致后期难以继续挤密，因此后期断面高程差随着酸浓度的增加会减小。通常情形下，OGFC-13 沥青混合料的DMP值衰减率大于AC-13 沥青混合料的，这与其空隙率较大有关。尽管如此，OGFC-13 沥青混合料经酸腐蚀后，加载前、后的DMP值均远大于AC-13沥青混合料的，因此可以提供更好的抗滑耐久性能。

图7 不同酸浓度下激光断面高程差Fig. 7 Elevation difference of laser section under different acid concentration

5.2 酸浸泡周期的影响

不同浸泡周期下摆值损失率及变化率的结果如图8所示。

图8 不同浸泡周期下摆值损失率及变化率Fig. 8 Loss rate and change rate of pendulum value under different soaking cycles periods

从图8可以看出，随着浸泡周期的增加，摆值损失率呈明显上升趋势。与AC-13 沥青混合料相比，OGFC-13 沥青混合料的摆值损失率较低，表明酸环境对OGFC-13 沥青混合料抗滑性能的影响相对较弱，OGFC-13 沥青混合料具有更好的抗滑耐久性能。比较这两种类型混合料在酸溶液中分别浸泡2个周期和4 个周期后的摆值损失率及摆值变化率时，它们之间的差异并不显著。这表明在2 个周期的酸环境下，试件已经被腐蚀。因此，增加浸泡时间，并不会显著改变抗滑性能的衰变速率和衰变程度。

根据表4 摆值指数模型的拟合结果，两种混合料在不浸泡、浸泡2 个周期、浸泡4 个周期条件下进入稳定阶段的荷载作用次数如下：对于AC-13 混合料，为50、40、40 万次；对于OGFC-13 混合料，为60、60、40 万次。随着浸泡周期的增加，混合料进入抗滑稳定阶段所需要的加载次数减少，这表明浸泡周期的增加会降低混合料的抗滑耐久性。

表4 不同浸泡周期下摆值指数模型拟合结果汇总Table 4 Summary of fitting results of pendulum index model under different soaking cycles periods

不同浸泡周期下的断面高程差结果如图9 所示。从图9可以看出，浸泡2个周期的试件加载2万次和40 万次之间的断面高程差是未浸泡的2 倍以上，浸泡2 个周期和4 个周期的断面高程差并没有明显差别。在加载后期，断面高程差变化不大。这是因为试件在浸泡2 个周期后已经被腐蚀，浸泡2个周期之后再增加浸泡时间对试件的腐蚀程度影响不大。