氯鹽腐蝕對密級配石灰巖瀝青混凝土水穩定性影響規律研究

■沈 智

（南平市公路事業發展中心浦城分中心，南平 353400）

中國大部分地區屬于溫帶大陸性氣候區，具有四季分明的特點。 冬季降雪在瀝青路面會經歷積雪，在此期間由于溫度驟降及車輛的碾壓，積雪會在路表形成結冰，進一步降低路面與輪胎的摩擦力引起車輛的滑行，極易誘發安全事故，嚴重威脅了瀝青道面的使用性和安全性。 為應對降雪結冰影響瀝青路面，融雪劑成為目前解決這一問題的最常用手段。 融雪劑主要包括醋酸鹽及氯鹽兩大類，醋酸類融雪劑是一種環境友好型除冰鹽類型，尤其對于鋼筋的腐蝕性較小，但由于成本價格等因素，無法得到大面積的使用。 氯鹽類融雪劑（除冰鹽）同樣具有較好的融雪性，易于實施且價格低廉，一般僅為醋酸類融雪劑的1/10， 因此在實際的應用過程中，選擇性更高[1]。 但在使用過程中發現此類除冰鹽使用過的路面往往會出現一些開裂、 松散坑槽等病害，造成了瀝青路面功能性甚至結構性的衰減[2-4]。

除冰鹽（氯鹽）的作用機理是將鹽溶于雪（水）后，使溶液的冰點下降，從而降低了雪水的凝固，阻礙了路面結冰[5]。但同時鹽溶液會沿著路面的孔隙及裂縫深入路面結構中， 從而降低了瀝青路面的穩定性。 密級配瀝青路面是我國常用的上面層類型。 因此，以室內試驗為基礎，基于改進的水穩定性試驗方法， 研究不同類型的除冰鹽對密級配瀝青混凝土水穩定性能， 有助于認識并選用合適的材料及方法，以減少氯鹽對密級配瀝青面層的潛在危害。本研究選取多種濃度（0、0.2、0.4、0.6 g/mL）常用的Ca-Cl2、NaCl 和MgCl2除冰鹽，研究其侵蝕下對密級配瀝青混凝土（AC-13、AC-16）的水穩定性影響規律。

1 原材料和混合料設計

1.1 集料

本試驗集料分別采用0 ～3、3 ～5、5 ～10、10 ～15 mm 共4 檔類型的石灰巖和玄武巖集料，填料采用磨細的石灰巖礦粉，其各項性能指標均滿足相關規范中使用要求，其相應的技術指標均滿足使用規范要求。

1.2 瀝青結合料

由于SBS 良好的高低溫性能，目前道路一般多采用SBS 改性瀝青作為結合料使用。本研究采用殼牌SBS 改性瀝青，進行瀝青混凝土的制備，其主要性能指標見表1。

表1 SBS 改性瀝青性能

1.3 除冰鹽

選用目前市面上應用最為廣泛的CaCl2、NaCl和MgCl2作為除冰鹽的溶劑成分。 其中CaCl2為白色立方體硬質碎塊，易溶于水同時大量放熱，水溶液呈微酸性。NaCl 為白色晶體粉末，穩定性較好，水溶液呈中性。 MgCl2呈無色片狀晶體，溶于水，在空氣中易潮解。 所選用的三種溶劑均為分析純（AR）。在常溫下分別制備0 （純水溶液）、0.2、0.4、0.6、0.8 g/mL 的3 種除冰鹽溶液用以后續性能試驗。

2 瀝青混凝土配合比設計

2.1 級配設計

實驗選用AC-13 和AC-16 作為主要密級配級配代表類型。 依據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）中對AC-13 級配范圍上下限的規定，設計本次試驗的級配曲線分別見圖1、2。

圖1 AC-13 級配曲線

圖2 AC-16 級配曲線

2.2 最佳油石比確定

為制備性能檢測用瀝青混凝土，按照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）中最佳油石比確定方法， 以4%作為目標空隙率， 制備AC-13和AC-16 級配標準馬歇爾瀝青混凝土試件。 按照馬歇爾設計法確定AC-13 和AC-16 最佳油石比分別為5.2%（石灰巖）、5.3%（玄武巖） 和4.8%（石灰巖）、4.9%（石灰巖）。

3 瀝青混凝土水穩定性

瀝青混凝土可以看作是三相體結構，分別由粗集料、瀝青結合料（或砂漿）及孔隙構成，其中瀝青結合料覆蓋在松散的顆粒表面從而將原本松散的顆粒粘結形成具有一定強度的骨架結構。 由于集料的親水性， 當水滲入原本穩定的瀝青混凝土結構后，會逐漸剝離瀝青裹附集料的狀態，尤其是在鹽溶液狀態下更為嚴重，導致瀝青膜喪失粘結力從而脫落以及結構強度降低，誘發路面開裂、松散、坑槽等一系列病害。 因此有必要對氯鹽侵蝕下，密級配瀝青混凝土的水穩定性進行進一步的研究。

3.1 循環馬歇爾穩定度試驗

傳統浸水馬歇爾穩定度試驗步驟中規定將最佳油石比條件下制備的馬歇爾試件分位兩組，一組在（60±1）℃條件下浸水30～40 min，另一組在同樣溫度條件下浸水48 h 后取出，以兩者的強度比作為殘留穩定度值。 為研究氯鹽對瀝青混凝土的影響，以制備的多種濃度氯鹽溶液代替規范中高溫浸水保溫過程的水浴環境， 此外還考慮單濃度（0.4 g/mL）多循環下馬歇爾穩定度變化。 殘留穩定度為48 h 后試件的穩定度與30 min 穩定度的百分比，其計算公式如式（1）所示：

試中：MS0為試件殘留穩定度（%）；MS1為浸水（鹽溶液）48 h 穩定度（kN）。

圖3 和圖4 分別為氯鹽溶液濃度和循環次數對AC-13 和AC-16 兩種級配殘留穩定度的影響規律曲線。由圖3、圖4 可知，對于加入氯鹽后，AC-13瀝青混合料的殘留穩定度下降非常明顯，降低幅度8.7%～13.3%， 之后每增加0.2 g/mL 鹽溶液濃度，殘留穩定度下降程度在2.5%～6.9%。 圖3 為AC-16瀝青混合料殘留穩定度變化規律， 鹽溶液侵蝕下AC-16 的結果與AC-13 相似， 均存在一個跳躍性下降，之后隨著濃度的增加穩步下降。

圖3 AC-13 單循環瀝青混凝土殘留穩定度結果

圖4 AC-16 單循環瀝青混凝土殘留穩定度結果

考慮在原有標準馬歇爾穩定度試驗基礎上，多循環鹽侵蝕作用對單一濃度（0.4 g/mL）下密級配瀝青混合料殘留穩定度影響規律。 由圖5 和圖6 可知，循環次數的增加降低了密級配瀝青混凝土的殘留穩定度，其下降的趨勢接近線性。

圖5 AC-13 多循環瀝青混凝土殘留穩定度結果

圖6 AC-16 多循環瀝青混凝土殘留穩定度結果

通過馬歇爾殘留穩定度試驗可以發現，無論是單循環還是多循環鹽溶液侵蝕，氯鹽溶液的加入顯著降低了密級配瀝青混凝土馬歇爾殘留穩定度。 鹽溶液濃度的增加，會進一步降低瀝青混凝土的穩定度，表明侵蝕更為嚴重。 類似的，增加鹽溶液循環條件后也會顯著降低馬歇爾殘留穩定度的值。 玄武巖相對石灰巖性能略優，這可能是由于石灰巖具有更多的氣孔導致的。 根據鹽溶劑類型對穩定度的影響程度可知，存在NaCl＞CaCl2＞MgCl2的規律。

3.2 多循環凍融劈裂強度

本文主要通過凍融劈裂試驗，以不同鹽凍循環后凍融劈裂強度比（TSR）值評價鹽溶液種類及濃度對密級配瀝青混凝土的長期水穩定性影響程度。 該部分方法參考馬歇爾穩定度部分試驗的方法， 分別在飽水、 凍結及水浴過程中均采用制備的鹽溶液代替水溶液。 此外，作為有無鹽溶液侵蝕效果的比較，采用水溶液循環作為對照組。 其余操作均按照規范中進行。圖7 和圖8 分別為AC-13 和AC-16 兩種級配多循環下氯鹽對瀝青混凝土TSR 的影響規律。

圖7 不同氯鹽溶液種類（濃度）下AC-13 瀝青混凝土TSR 結果

圖8 不同氯鹽溶液種類（濃度）下AC-16 瀝青混凝土TSR 結果

由圖7 和圖8 可知，鹽溶液的增加顯著降低了瀝青混凝土的TSR 值， 將試驗全過程中水溶液改為鹽溶液后， 單次凍融循環下，TSR 下降幅度為7.5%～12.3%，鹽溶液濃度越大，降低的幅度也越大。循環次數對TSR 結果影響顯著，且隨著凍融循環次數的增加，TSR 下降幅度明顯增加， 這表示實際鹽凍循環下，如果不及時清理路面的鹽溶液會導致路面加速破壞。 3 種氯鹽溶液中，NaCl 對混凝土的TSR 值影響最大，損害最為嚴重。 CaCl2和MgCl2對混凝土TSR 值的影響基本相同。在不同于溶劑濃度對瀝青混凝土的影響中，氯鹽類型對瀝青混凝土的影響程度更為明顯。

3.3 漢堡車轍試驗

漢堡車轍試驗室國外常用的水穩定性評價試驗，用來評估一些交通量較大的行車道路的車轍和抗剝落性能。 試驗選用水域環境為50℃，本試驗中以氯鹽代替水域環境。 最終以20 000 次碾壓后車轍深度作為評價的主要標準（表2）。

表2 AC-13 和AC-16 的漢堡車轍試驗結果。

根據漢堡車轍試驗結果可知，氯鹽水浴環境下會加深路面的車轍深度，鹽濃度的增加降低了試件的強度，從而造成了更大的車轍深度。3 種鹽溶液對車轍深度的影響大小依次是NaCl、CaCl2、MgCl2。

通過對標準試驗改進的水穩定性能試驗結果可知，鹽溶液的加入對密級配瀝青混凝土的水穩定性能影響顯著。 這可能是因為氯鹽溶液的Na+、Ca2+、Mg2+以及Cl-具有較強的極性，鹽溶劑溶于水后發生電離，從而產生大量的極性離子，它們對于集料的吸附能力大于瀝青對于集料的吸附能力[6]，從而導致了集料與瀝青表面的分離剝落，使得原本穩定的瀝青混合料失去了瀝青的裹附粘結， 從而喪失了原有的穩定性和強度， 最終導致一系列病害的產生。

4 結論

本研究采用3 種常用除冰鹽類型，基于改進的非標準水穩定性能試驗方法，研究了常用除冰氯鹽類型及濃度對密級配瀝青混凝土的水穩定性影響規律， 在原有標準試驗規范基礎上替換溶液類型，得到了以下結論：（1）相較于普通的浸水，受到鹽溶液侵蝕的密級配瀝青混凝土水穩定性能存在著明顯的下降，殘留穩定度及單次凍融循環結果表明在鹽溶液條件下， 兩種強度的降幅在8.7%～13.3%（0.2 g/mL 梯度）。 相同濃度下3 種氯鹽對水穩定性影響從大到小依次是NaCl、CaCl2、MgCl2。 （2）鹽溶液種類對水穩定性的影響程度要大于溶液濃度對密級配瀝青混凝土水穩定性的影響程度。 （3）多循環凍融劈裂試驗結果表明隨著凍融循環次數的增加，密級配瀝青混凝土的TSR 會加速下降，即表明水穩定性將加速降低。 因此，應及時通過清掃及排水設施將路面范圍內殘留的鹽溶液清除，避免二次侵蝕破壞。 （4）漢堡車轍試驗結果表明氯鹽溶液會降低瀝青混凝土的抗車轍性能， 加深路面的車轍，容易誘發交通事故。