鹽蝕條件下瀝青混合料路用性能及表面功能演化規律研究

吳 強, 徐 霈

(1.招商局公路網絡科技控股股份有限公司, 北京 100022; 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司, 重慶 400067)

撒布氯化鈉(NaCl)融雪鹽是冬季道路除冰最常用的方法之一,但融雪鹽會對瀝青路面的長期性能產生影響[1-3]。特別當鹽分滲入瀝青路面內部,且受行車荷載造成的動水壓力作用,會進一步加劇鹽分的侵蝕,從而降低瀝青路面服役壽命[4]。實際路面的鹽蝕損傷受多種作用影響,如瀝青膜中的水分置換、寒冷季節的冰凍膨脹作用等,這些都會加速鹽分的侵蝕。

目前,已有學者研究了鹽蝕作用對瀝青路面的損害,并對其性能損傷演化進行了研究[5-8]。Xiong等[9-10]基于自主開發的動態水鹽侵蝕儀,研究了瀝青混合料在氯鹽-水-溫度-載荷耦合作用下的力學性能變化規律,并采用CT掃描技術研究了其性能劣化與空隙率間的相關關系,研究結果指出,動態水加速了氯鹽對瀝青混合料的侵蝕,鹽溶液滲入瀝青混合料的空隙及裂縫中引起了結晶侵蝕,且沖刷時間是影響性能劣化進程的最重要因素。張苛等[11]分析了瀝青結合料鹽蝕前后的4組分及表面微觀形貌的變化,認為導致瀝青結合料在鹽蝕環境下性能劣化的主要原因是其化學組分發生了變化。崔亞楠等[12-14]研究了鹽凍循環條件下瀝青及瀝青砂漿的微觀形貌及流變性能,指出瀝青經鹽凍循環后發生不同程度的“水老化”,相較SBS改性瀝青的薄膜明顯被鹽晶粒破壞,膠粉改性瀝青中的膠粉顆粒能顯著抑制鹽晶粒生長,表現出較好的形態。此外,瀝青與骨料間的接觸界面損傷受融雪鹽濃度的影響較大,鹽凍環境對瀝青砂漿的初期彈性變形影響顯著,而對其粘性變形影響較小。Luis等[15]對熱拌瀝青混合料和多孔瀝青混合料直接浸入鹽溶液,并將鹽作為細骨料摻入混合料以及將骨料浸鹽后再制備混合料等3種情況下的性能進行了對比,研究結果表明,傳統熱拌瀝青混合料的力學性能、水穩定性、高溫性能及粘聚性能等幾乎不受鹽分影響,但多孔瀝青混合料的各項性能受到鹽蝕作用的影響較為顯著。Guo等[16]采用拉拔試驗研究了瀝青-集料在融雪鹽和凍融循環作用下的界面損傷狀態,研究結果表明,相較純水浸泡環境,鹽溶液浸泡和凍融循環作用下的拉伸強度損失較為顯著。綜上研究結果可知,鹽凍條件下瀝青混合料的性能劣化誘因主要分為2部分:一是水凝結成冰時的膨脹作用力,二是瀝青-骨料界面間的破壞以及砂漿斷裂。在此過程中,水分滲透、鹽化學腐蝕和凍脹作用導致瀝青與骨料間的粘附作用下降。

綜上所述,瀝青路面長期處于鹽蝕、有水以及冰凍等復雜環境下,其內部以及表面都會發生不同程度的加速損傷,但目前瀝青路面的設計理念并沒有考慮鹽蝕環境的影響,使其難以從根本上解決高鹽區路面的耐久性問題。雖已有學者試圖模擬瀝青路面所處的鹽蝕環境,也對鹽蝕及環境耦合作用下瀝青混合料的性能演化進行了研究,但所得研究結論存在部分矛盾的情況:有研究認為鹽蝕作用對瀝青混合料的高溫、低溫以及水穩定性等具有顯著影響,但也有研究認為鹽溶液對熱拌瀝青混合料的影響不明顯,而對多孔瀝青混合料的路用性能影響顯著。已有研究中,鹽分對路面表面功能的影響研究鮮有報道。為此,本文充分考慮瀝青路面在干濕循環、干濕-凍融循環作用下的鹽蝕環境,對瀝青混合料鹽蝕作用下的路用性能及表面抗滑降噪功能演化規律進行探究。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料及其技術指標

采用SK 90#基質瀝青制備瀝青混合料試件,其技術性質如表1所示。集料級配選擇AC-13密級配,設計空隙率為3%,如表2所示。在此基礎上成型標準馬歇爾試件、車轍板試件以及小梁試件用于高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性以及表面抗滑性能的室內試驗測試[17]。

1.2 試驗方案設計

為模擬融雪鹽對瀝青路面的侵蝕作用,采用NaCl制備濃度為0%(純水)、5%、10%、15%和20%的鹽溶液,將所需測試的試件置于鹽溶液中浸泡,以模擬路面鹽蝕環境,并在此基礎上分別進行鹽蝕-干濕循環及鹽蝕-干濕-凍融循環。

表1 瀝青結合料技術指標[17]

表2 集料級配組成[18]

1) 鹽蝕-干濕循環

為模擬瀝青混合料所處的鹽蝕-干濕循環條件,將待測試件置于各濃度的鹽溶液中分別進行0、3、6、9、12次干濕循環,其中1次鹽蝕-干濕循環程序的設定為:(1) 將所需測試試件置于25 ℃的鹽溶液中充分飽水12 h;(2) 置于25 ℃(模擬常溫)的干燥箱中干燥12 h。

2) 鹽蝕-干濕-凍融循環

為模擬瀝青混合料所處的鹽蝕-干濕-凍融循環條件,將待測試件分別進行0、3、6、9、12次的干濕-凍融循環,其中1次鹽蝕-干濕-凍融循環程序的設定為:(1) 將所需測試試件置于塑料袋內并充入25 ℃的鹽溶液直至浸沒試件,靜置12 h充分飽水后將塑料袋密封;(2) 置于-20 ℃(模擬冬季低溫狀態)的冰箱中冷凍12 h;(3) 將試件置于25 ℃的環境中融冰12 h;(4) 取出試件,將其置于25 ℃的干燥箱中干燥12 h。

對以上2種不同試驗條件的試件分別進行車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗以及加速磨耗試驗,以此評定其高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性以及表面抗滑降噪性能。其中,加速磨耗試驗采用0次、20 000次、40 000次、60 000次、80 000次的車輪加速加載作用于車轍板試件,隨后測試其擺值;噪聲測試則是采用聲音傳感器采集不同磨耗次數時的噪聲水平。

2 試驗結果與分析

2.1 鹽蝕作用下瀝青混合料高溫性能變化規律

通過車轍試驗研究瀝青混合料的高溫性能隨鹽蝕-干濕循環及鹽蝕-干濕-凍融循環作用次數的變化規律,試驗測試溫度為60 ℃,結果如圖1所示。

(a) 鹽蝕-干濕循環

(b) 鹽蝕-干濕-凍融循環

由圖1可知,隨著鹽蝕-干濕循環及鹽蝕-干濕-凍融循環作用次數的增加,瀝青混合料的動穩定度顯著下降,最大降幅分別為19.6%和27.2%。相較純水環境下,隨著鹽溶液濃度的增大,瀝青混合料的動穩定度逐漸降低,表明鹽蝕作用對瀝青路面高溫性能的不利影響顯著。在鹽蝕-干濕循環作用下,混合料的動穩定度隨循環次數的增加呈先降后趨穩的態勢,而在鹽蝕-干濕-凍融循環條件下,混合料的動穩定度隨循環次數的增加呈加速劣化的趨勢,且隨鹽溶液濃度的增大,劣化更加顯著。主因是干濕循環條件下,鹽溶液水分蒸發后由液體結晶為NaCl晶體,晶體膨脹致使瀝青混合料內部產生微裂紋,造成整體強度損傷,在干濕-凍融循環作用下,除NaCl結晶膨脹產生的結晶壓力外,水凝結成冰體積增大,引起瀝青混合料的內部損傷并累積,進一步加劇了瀝青混合料強度的衰減。此外,也有學者認為NaCl在60 ℃的試驗溫度下晶體融化,在集料間會起到潤滑劑的作用,降低了集料間的內摩阻力[19],導致了瀝青混合料高溫性能的劣化。

2.2 鹽蝕作用下瀝青混合料低溫性能變化規律

通過MTS萬能試驗機進行小梁低溫彎曲試驗,研究瀝青混合料低溫性能隨鹽蝕-干濕循環及鹽蝕-干濕-凍融循環作用次數的變化規律,試驗溫度和加載速率分別設定為-10 ℃和50 mm/min,結果如圖2所示。

由圖2可知,隨著鹽蝕-干濕循環及鹽蝕-干濕-凍融循環作用次數的增加,瀝青混合料的破壞應變有所降低,最大降幅分別為27.2%和39.4%。相較純水環境下,隨著鹽溶液濃度的增大,瀝青混合料的破壞應變顯著下降,表明鹽蝕環境對瀝青混合料低溫性能的不利影響顯著。相較純水,鹽溶液中的氯離子使得瀝青變硬、變脆,瀝青柔性大幅降低,加之鹽分結晶產生的微膨脹應力以及凍融作用下的冰凍膨脹[20],使得瀝青混合料內部微裂紋不斷擴展,這又加速了鹽分侵蝕,致使瀝青混合料的低溫性能急劇衰減。

(a) 鹽蝕-干濕循環

(b) 鹽蝕-干濕-凍融循環

2.3 鹽蝕作用下瀝青混合料水穩性能變化規律

通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗,研究瀝青混合料水穩定性隨鹽蝕-干濕循環及鹽蝕-干濕-凍融循環作用次數的變化規律,結果如圖3和圖4所示。

(a) 鹽蝕-干濕循環

(b) 鹽蝕-干濕-凍融循環

(a) 鹽蝕-干濕循環

(b) 鹽蝕-干濕-凍融循環

從圖3(a)及圖4(a)可以看出,純水條件下的瀝青混合料經16次干濕循環作用后,其殘留穩定度及凍融劈裂強度比仍能滿足規范要求。但在20%的鹽溶液條件下,經16次干濕循環作用后,其殘留穩定度及凍融劈裂強度比顯著下降,降幅分別為19.4%和19.1%,已不能滿足規范殘留穩定度75%和凍融劈裂強度比70%的最低要求[21]。因此,鹽蝕作用強烈路段應充分考慮這一因素,提高瀝青路面的水穩定性。

觀察圖3(b)及圖4(b)可知,純水條件下的瀝青混合料經16次干濕-凍融循環作用后,其殘留穩定度及凍融劈裂強度比仍能滿足規范最低要求。10%的鹽溶液條件下,其殘留穩定度及凍融劈裂強度比相較于純水條件下顯著下降,最大降幅分別為29.3%和32.1%,經12次干濕-凍融循環作用后已不能滿足規范最低要求,表明在干濕-凍融循環作用強烈的地區對瀝青混合料的水穩定性要求更高。因此,本文建議針對高緯度低溫冰凍地區的瀝青路面應充分考慮鹽凍環境的影響,結合具體選材及環境情況,適當提高瀝青混合料設計階段馬歇爾殘留穩定度及凍融劈裂強度比指標。

綜上分析,鹽蝕作用下瀝青混合料的水穩定性顯著下降,且隨著鹽溶液濃度的增大,瀝青混合料的水穩定性逐步降低,降幅呈先增后減趨勢。主因是鹽溶液相較純水環境作用下,其表面張力較大,更容易侵蝕瀝青與集料表面,將瀝青層置換使其剝離集料表面。此外,在干濕循環及干濕-凍融循環的綜合作用下,鹽分結晶以及水結冰的膨脹應力造成混合料內部缺陷和損傷的不斷累積,進一步降低了瀝青與集料的粘附作用,最終使得瀝青混合料的水穩定性不斷衰減。

2.4 鹽蝕作用下瀝青混合料表面抗滑性能變化規律

通過加速磨耗試驗研究瀝青混合料表面抗滑性能受鹽蝕作用的影響,為保證試件的路用性能,根據前文研究結果,選擇鹽蝕-干濕循環及鹽蝕-干濕-凍融循環作用次數為8次,不同鹽濃度環境下瀝青混合料表面擺值變化規律如圖5所示。

(a) 鹽蝕-干濕循環

(b) 鹽蝕-干濕-凍融循環

由圖5可知,隨著磨耗次數的增加,瀝青混合料試件表面的擺值均呈先大幅減小后趨于穩定的態勢。主因是:1) 瀝青混合料表面一開始被瀝青膜裹覆,瀝青膜在車輪反復作用下較易被磨損,使得擺值在起初降低幅度較大;2) 隨著瀝青膜被全部磨耗,車輪主要作用于集料表面,該過程包含集料表面的磨耗以及試件內部結構的致密化,當集料的棱角被磨損,同時試件內部結構重構進而影響表面集料排列,其表面抗滑性能逐步趨于穩定。

此外,相較純水環境,鹽蝕環境下的瀝青混合料表面抗滑性能衰減顯著,鹽蝕-干濕循環及鹽蝕-干濕-凍融循環作用下擺值最大降幅分別為39.8%及47.7%,主因是鹽分作用加劇了瀝青膜的硬化,加之鹽溶液比純水更易置換瀝青層,導致瀝青更易于剝離集料表面。而鹽蝕-干濕循環作用與鹽蝕-干濕-凍融循環作用下瀝青混合料表面擺值的差異性較小,說明凍融循環作用雖然會顯著影響瀝青混合料的內部結構,但對表面的影響較小。

2.5 鹽蝕作用下瀝青混合料表面降噪性能變化規律

采用加速磨耗試驗研究瀝青混合料表面降噪性能受鹽蝕作用的影響,同樣選擇鹽蝕-干濕循環及鹽蝕-干濕-凍融循環作用次數為8次,不同鹽濃度環境下瀝青混合料表面噪聲水平變化規律如圖6所示。

由圖6可知,瀝青混合料表面的噪聲水平隨著磨耗次數的增加呈先減小后趨于穩定的態勢。主因是噪聲水平受路面表面構造及內部空隙影響顯著,表面構造越豐富,噪聲水平越大[22],而隨著表面被磨耗,試件內部結構被壓密趨于穩定后,噪聲水平逐步衰減至一個穩定區間。

此外,相較純水環境,鹽蝕環境下的瀝青混合料噪聲水平衰減更加顯著。在試驗初期,純水環境與鹽蝕環境下的表面噪聲水平差異明顯,隨后相互間的差異逐漸減小。主因是鹽蝕環境加速了試件表面瀝青層的剝落,致使集料暴露在輪胎作用下,試件表面構造被快速磨耗,從而使得噪聲水平快速衰減。但隨著鹽溶液濃度的增大,試件表面噪聲水平的差異性逐漸減小,且鹽蝕-干濕循環及鹽蝕-干濕-凍融循環作用下,試件表面的最終噪聲水平相當,主因是鹽分的存在使得溶液的結冰溫度有所降低,相當于減弱了水結冰的膨脹應力,最終致使試件在輪載作用下壓密后內部結構差異較小。

(a) 鹽蝕-干濕循環

(b) 鹽蝕-干濕-凍融循環

3 結論

本文采用室內加速鹽蝕試驗模擬了瀝青路面鹽蝕環境,研究了瀝青路面在鹽蝕作用下的路用性能及路面表面功能演化規律,并得出如下主要結論:

1) 鹽蝕作用對瀝青混合料高溫性能和低溫性能均有不利影響。隨著鹽蝕-干濕循環及鹽蝕-干濕-凍融循環作用次數的增加,瀝青混合料的服役性能均出現了不同程度的劣化,尤其是水穩定性下降嚴重。在20%的鹽溶液中經16次鹽蝕-干濕循環或10%的鹽溶液中經12次鹽蝕-干濕-凍融循環作用后,瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比已不滿足規范最低要求,但隨著循環作用次數的增加,瀝青混合料的性能劣化幅度趨于平緩。

2) 瀝青混合料表面抗滑性能及噪聲水平隨著鹽蝕-干濕循環及鹽蝕-干濕-凍融循環作用次數的增加而顯著降低,鹽蝕環境加劇了瀝青路面表面的抗滑性能衰減,但有利于表面降噪性能的改善。鹽蝕-干濕循環作用與鹽蝕-干濕-凍融循環作用下瀝青混合料表面擺值及噪聲水平的差異性較小。

3) 本文研究結果可為瀝青路面在鹽蝕環境下的性能損傷機理研究及耐久路面設計提供參數依據。