鹽蝕環(huán)境下瀝青混合料耐久性劣化研究進(jìn)展

熊 銳，王 璐，楊 發(fā)，關(guān)博文

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710061； 2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理系， 西安 710018；3. 云南省公路開發(fā)投資有限責(zé)任公司， 昆明 650200)

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鹽蝕環(huán)境下瀝青混合料耐久性劣化研究進(jìn)展

熊 銳1，王 璐2，楊 發(fā)3，關(guān)博文1

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710061； 2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理系， 西安 710018；3. 云南省公路開發(fā)投資有限責(zé)任公司， 昆明 650200)

鹽蝕環(huán)境對瀝青混合料耐久性的劣化作用具有普遍性和直接性?？偨Y(jié)國內(nèi)外關(guān)于瀝青混合料鹽蝕耐久性劣化的研究成果，闡述目前瀝青混合料鹽蝕劣化研究領(lǐng)域存在的問題，提出該領(lǐng)域待研究的方向及方法。

道路工程；瀝青混合料；硫酸鹽侵蝕；氯鹽侵蝕；性能劣化

瀝青混合料耐久性一直是國內(nèi)外道路工程界關(guān)注的重要問題之一。無論是海霧頻發(fā)、含鹽高濕的沿海地區(qū)，還是深居內(nèi)陸的鹽湖、鹽漬土地區(qū)，富集的氯鹽和硫酸鹽等侵蝕性介質(zhì)往往使道路工程材料僅使用幾年就遭受嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致道路服役壽命大為縮短，不僅給國家造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且還嚴(yán)重威脅道路行駛安全。為此，國內(nèi)外每年都會投入大量資金進(jìn)行路面的養(yǎng)護(hù)與翻修，以延長其服役壽命。然而，在富鹽地區(qū)的特殊環(huán)境下，瀝青混合料的設(shè)計理念并未納入鹽蝕的不利影響，從而難以從根本上解決其耐久性問題。

近年來，隨著除冰鹽、融雪劑等含鹽類物質(zhì)廣泛使用于冬季道路雪害的防治，由此帶來的一系列問題亦日漸引起國內(nèi)外道路工作者的關(guān)注，并成為一個重要的研究課題。但該研究才剛剛起步，故亟需開展該領(lǐng)域的研究工作，以填補(bǔ)相應(yīng)空白。

1 國外研究概況

1.1 鹽蝕環(huán)境下瀝青混合料性能劣化研究

國外針對瀝青混合料在濕度、溫度與荷載等作用下性能變化的研究始于20世紀(jì)90年代。美國SHRP研究計劃建立了環(huán)境條件系統(tǒng)ECS，對野外環(huán)境進(jìn)行了實際模擬，即在施加900 N動荷載時，通過對試件進(jìn)行多次凍融循環(huán)來分析瀝青路面受到溫度、濕度與荷載共同作用的效果[1-2]。在鹽蝕方面，美國聯(lián)邦公路局1996年的研究報告顯示，除冰鹽會降低瀝青混凝土路面的抗滑性能[3]。Hassan等[4]對氯鹽影響下礦料和瀝青混合料的性能變化展開研究，測定指標(biāo)包括瀝青混合料的質(zhì)量變化、間接拉伸強(qiáng)度、彈性模量變化等，研究結(jié)果表明石灰?guī)r和石英巖在氯鹽作用下會產(chǎn)生明顯的侵蝕破壞，瀝青混合料經(jīng)多次凍融循環(huán)作用后，其間接拉伸強(qiáng)度和彈性模量減小。Behnam等[5]對凍融循環(huán)作用下鹽(乙酸鈣和除冰鹽)與動水作用對瀝青混合料性能的影響進(jìn)行了研究，認(rèn)為鹽的存在加劇了瀝青混合料性能的損傷。

1.2 不同因素條件下瀝青混合料損傷機(jī)理研究

Davide等[6]研究認(rèn)為，高溫、氧氣、輻射等是引起瀝青混合料松散破壞的主要因素，其導(dǎo)致瀝青路面在低溫下不能適應(yīng)交通荷載引起的微應(yīng)變，從而發(fā)生脆性破壞。Wang L B等[7]將CT斷層掃描技術(shù)應(yīng)用于路面瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)性能評價中，根據(jù)數(shù)學(xué)模型及CT掃描圖像的相關(guān)參數(shù)定量表征了瀝青混合料的損傷過程參數(shù)，并對瀝青混合料試樣進(jìn)行了三維重建。Hassan 等[8]利用CT掃描技術(shù)對間接拉伸試驗和疲勞試驗過程中瀝青混合料空隙和裂縫的細(xì)觀特性進(jìn)行了定量研究，并利用相關(guān)邏輯運算提取空隙與裂縫圖像，對其細(xì)觀特征進(jìn)行了定量表達(dá)，且利用空隙形狀特性來表征混合料性能的衰減程度。

2 國內(nèi)研究概況

2.1 鹽蝕環(huán)境下瀝青混合料性能劣化研究

在國內(nèi)，隨著除冰鹽在道路融冰除雪中的大量應(yīng)用，針對氯鹽劣化瀝青混合料性能的研究成果較為豐碩。傅廣文[9]認(rèn)為經(jīng)氯鹽作用后，瀝青-集料體系粘附能力降低，瀝青混合料的高低溫性能及水穩(wěn)定性均有所下降，且NaCl的影響程度超過CaCl2。鄭建華[10]通過NaCl溶液浸泡試件的方法模擬了實際瀝青路面受氯鹽侵蝕情況，并認(rèn)為氯鹽的侵蝕降低了瀝青混凝土受荷時抵抗變形的能力及其低溫抗裂性能。叢培良等[11]研究了氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣和醋酸鉀4種除冰鹽對瀝青混凝土性能的影響，指出氯鹽可以增加瀝青混合料的拉伸破壞強(qiáng)度和常規(guī)劈裂強(qiáng)度，但也會致使瀝青混合料的斷裂能降低；在凍融循環(huán)條件下，除冰鹽會明顯降低瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度。張爭奇等[12-14]研究了含鹽(NaCl)高濕環(huán)境對瀝青混合料內(nèi)部形態(tài)、力學(xué)特性及耐久性的影響，認(rèn)為高溫、鹽分、水分及其耦合效應(yīng)是引起瀝青混合料耐久性降低的主要原因。

雖然，國內(nèi)外對嚴(yán)酷的硫酸鹽侵蝕環(huán)境造成瀝青混合料性能劣化的研究甚少，但其亦逐漸引起道路工作者的關(guān)注與探索。張俊等[15]通過自行設(shè)計的瀝青灌縫試塊抗剪強(qiáng)度試驗，探討了試塊在不同氯化鈉、硫酸鈉溶液濃度下的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，認(rèn)為鹽分的存在不利于路面加鋪及路面裂縫修補(bǔ)。任傳軍等[16]針對東部沿海地區(qū)鹽侵蝕環(huán)境下的SBS改性瀝青混合料開展了瀝青混合料耐海水腐蝕性能研究，認(rèn)為海水、硫酸鹽溶液對混合料的水穩(wěn)定性有一定程度劣化，通過摻加纖維能夠有效改善其水穩(wěn)定性。此外，筆者對硫酸鹽-干濕循環(huán)/凍融循環(huán)協(xié)同作用下瀝青混合料鹽蝕劣化效應(yīng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗研究，采用干濕/凍融循環(huán)加速侵蝕方式，多角度評估了鹽蝕作用對瀝青混合料耐久性的影響，并提出摻加礦物纖維可以有效改善瀝青混合料在硫酸鹽腐蝕環(huán)境下的使用性能[17-24]。

2.2 不同因素條件下瀝青混合料損傷機(jī)理研究

在國內(nèi)，肖慶一等[25]基于表面能理論研究了瀝青結(jié)合料與集料界面間的粘結(jié)性能，并推導(dǎo)出瀝青與礦料表面的粘附模型以及水損壞模型。潘寶峰[26]提出以松弛模量作為瀝青混合料動水壓力損傷的宏觀力學(xué)指標(biāo)，并結(jié)合三軸試驗研究了三向應(yīng)力條件下路面材料在水與荷載藕合重復(fù)作用下的損傷過程。張鵬[27]針對夏季高溫多雨地區(qū)瀝青混合料在水-溫-光(紫外線)耦合作用下的損傷特性開展了系統(tǒng)研究，闡明了不同級配瀝青混合料在水-溫-光循環(huán)中的損傷特性和演化規(guī)律。

3 國內(nèi)外研究概況評述

3.1 鹽蝕環(huán)境下瀝青混合料性能劣化研究

由于除冰鹽、融雪劑等含鹽類物質(zhì)在世界范圍內(nèi)的使用，國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究多集中在氯鹽對瀝青混合料宏觀性能的劣化方面，而在室內(nèi)外試驗層面上尚未形成統(tǒng)一的測試裝置、試驗方法與評價指標(biāo)，難以對研究成果進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，且研究成果的適用性亦有待評判。

與氯鹽相比，硫酸鹽在道路工程中造成的損害更為嚴(yán)重。然而國外對硫酸鹽侵蝕環(huán)境下瀝青混合料耐久性劣化研究未見報道；在國內(nèi)，也僅有筆者與極少數(shù)研究者在瀝青混合料硫酸鹽侵蝕損傷方面開展了初步試驗研究，其評價體系亟需完善。

3.2 鹽蝕條件下瀝青混合料損傷機(jī)理研究

在瀝青混合料損傷機(jī)理研究方面，國內(nèi)外多集中于水-溫-熱-光-力單因素或多因素共同作用下的機(jī)理探討，鮮有考慮鹽蝕與其他因素耦合作用下瀝青混合料的損傷演化機(jī)制，亦無法闡明鹽蝕地區(qū)瀝青混合料的工作本質(zhì)。

瀝青混合料是一種典型多相復(fù)合材料，其內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)在很大程度上決定其宏觀力學(xué)行為。傳統(tǒng)采用經(jīng)驗和試驗相結(jié)合的瀝青混合料設(shè)計方法屬于偏重于宏觀角度的范疇，其忽略了瀝青混合料材料內(nèi)部的復(fù)雜細(xì)觀結(jié)構(gòu)，難以揭示材料的每一組分在整體材料中所起到的作用，更無法解決鹽蝕環(huán)境下瀝青路面出現(xiàn)的各類損壞。因此，唯有采用宏細(xì)觀相結(jié)合的方法，明確瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與宏觀特性之間的相互關(guān)系，才能合理優(yōu)化瀝青混合料的材料設(shè)計。

4 結(jié)論

1) 縱觀近年來與鹽蝕環(huán)境下瀝青混合料耐久性劣化相關(guān)的研究，可以發(fā)現(xiàn)：(1) 尚未形成統(tǒng)一的鹽蝕(以硫酸鹽和氯鹽為代表)作用下的瀝青混合料性能劣化測試裝置、試驗方法與評價指標(biāo)；(2) 鮮有針對鹽蝕條件下水-溫-熱-光-力多因素耦合作用下的瀝青混合料耐久性劣化機(jī)制研究；(3) 已有研究多集中于宏觀層面，鮮有細(xì)觀層面或微觀層面分析；(4) 鮮有針對硫酸鹽侵蝕條件下瀝青混合料耐久性劣化進(jìn)行的研究。

2) 目前，基于數(shù)字圖像技術(shù)的瀝青混合料計算機(jī)輔助設(shè)計是一種前瞻性技術(shù)，在美國被預(yù)測為“下一代基礎(chǔ)設(shè)施材料研究”“基于系統(tǒng)的分析建模和設(shè)計方法”。同時，應(yīng)用工業(yè)計算機(jī)斷層掃描獲取瀝青混合料結(jié)構(gòu)組成數(shù)字圖像信息的技術(shù)不斷取得新的進(jìn)展，從而為材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的精確量測和數(shù)字表述提供了有效手段。為此，可借助計算機(jī)斷層掃描技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，并結(jié)合數(shù)值模擬方法，捕捉宏觀層次、室內(nèi)試驗無法獲取和測量的瀝青混合料各相介質(zhì)間的細(xì)觀響應(yīng)。

3) 為從根本上提高富鹽環(huán)境下瀝青混合料耐久性，延長其服役壽命，系統(tǒng)開展宏-細(xì)觀層次上鹽-水-溫-熱-光-力多因素耦合作用下瀝青混合料耐久性劣化研究十分必要。

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Progress of Study on Degradation of Durability of Asphalt Mixture under Saline Corrosion Environment

XIONG Rui1, WANG Lu2, YANG Fa3, GUAN Bowen1

The salt corrosion environment has popular and direct degradation to durability of asphalt mixture. This paper summarizes domestic and overseas study results regarding degradation of salt corrosion durability of asphalt mixture, and illustrates the problems existing in asphalt mixture saline corrosion degradation research and suggests direction and method in studies in this field.

road project; asphalt mixture; sulphate corrosion; chloride corrosion; performance degradation

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.009

國家自然科學(xué)基金項目(51608046);中國博士后科學(xué)基金項目(2014M550476)；青海省重大科技專項(2014-GX-A2A)

2016-07-07

熊 銳(1982-)，男，河南省羅山縣人，博士，講師。

1009-6477(2016)05-0032-04

U416.217

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