盐蚀环境对沥青混合料性能的影响

Effect of Salt-erosion Environment on Performance of Asphalt Mixture

摘要

为探究盐蚀环境下沥青混合料的耐久性劣化机制，以AC-13沥青混合料为研究对象，通过短期（7 d）和长期（28 d）盐溶液（Na₂SO₄与NaCl）浸泡、干湿循环及冻融循环处理，结合车辙试验、小梁弯曲试验、劈裂试验、红外光谱及扫描电镜等手段，系统分析盐分种类、质量浓度及环境耦合作用对混合料性能的劣化规律。结果表明：短期盐蚀下，随着盐溶液质量浓度升高，沥青混合料的高低温性能和水稳定性能均显著下降，且相同质量浓度下Na₂SO₄溶液的劣化效应强于NaCl。在长期侵蚀中，劈裂强度随侵蚀时间增加持续降低，不同侵蚀条件的影响程度排序为：盐-冻融水-冻融盐-干湿水-干湿盐浸泡水浸泡。通过红外光谱和扫描电镜分析，发现盐分对沥青无化学侵蚀，盐晶体在沥青混合料内部形成密集堆积，产生的结晶压力导致混合料出现微裂纹扩展、结构损伤及力学性能的渐进性衰减，而硫酸盐因易结聚特性较氯盐更具破坏性。

Abstract

To explore the deterioration mechanism of asphalt mixture durability in salt-erosion environments, AC-13 asphalt mixture was taken as the research object. Through short-term (7 d) and long-term (28 d) salt solution (Na₂SO₄ and NaCl) immersion, dry-wet cycling and freeze-thaw cycling treatments, combined with rutting tests, beam bending tests, splitting tests, infrared spectroscopy and scanning electron microscopy, the deterioration laws of mixture performance under the influence of salt type, concentration and environmental coupling were systematically analyzed. The results show that under short-term salt erosion, with the increase of salt solution concentration, the high and low temperature performance and water stability of asphalt mixture significantly decrease, and the deterioration effect of Na₂SO₄ solution is stronger than that of NaCl at the same concentration. In long-term erosion, the splitting strength continuously decreases with the increase of erosion time. The influence degree of different erosion conditions is ranked as: Salt-freeze-thaw water-freeze-thaw salt-dry-wet water-dry-wet salt immersion water immersion. Through infrared spectroscopy and scanning electron microscopy analysis, it is found that salt has no chemical erosion on asphalt, and salt crystals form dense accumulation inside the asphalt mixture. The crystallization pressure generated leads to the expansion of micro-cracks, structural damage of the mixture, as well as the progressive attenuation of its mechanical properties. Sulfates are more destructive than chlorides due to their easy aggregation characteristics.

Graphical abstract

关键词

沥青混合料 / 直接浸泡 / 干湿循环 / 冻融循环 / 盐蚀

Key words

Asphalt mixture / Direct immersion / Dry-wet cycling / Freeze-thaw cycling / Salt-erosion

近年来，随着道路基础设施建设的蓬勃发展，道路工程材料的综合性能，特别是耐久性，日益受到重视。沥青混合料作为道路路面的重要组成部分，其性能直接影响道路的使用寿命和行车安全^[1-3]。然而，在实际服役过程中，沥青路面常常暴露于高湿度、盐分侵蚀、干湿交替以及冻融循环等复杂多变的环境^[4-6]。这些环境因素会显著加速沥青混合料的老化与劣化，导致路面出现开裂、松散、车辙等病害，进而增加养护成本并威胁交通安全^[7-9]。特别是在中国沿海地区和盐渍土地区，环境中富集大量盐分，同时寒冷地区冬季的除雪剂和融雪盐的大量撒布使道路表面的盐分含量显著增加，对沥青混合料的长期性能构成严重威胁^[10-14]。

沥青混合料的性能劣化主要源于环境因素与荷载作用的耦合效应。其中，盐分侵蚀是导致沥青混合料性能退化的重要因素^[15-16]。道路表面常因融雪剂或海洋环境中的盐雾而积累盐分，这些盐分通过渗透作用进入沥青混合料内部并对其造成侵蚀破坏^[9，17]。研究表明，盐分的结晶膨胀会破坏沥青-集料界面黏结，而盐分的存在则会加剧沥青胶结料的老化^[15，18]。此外，干湿循环与冻融循环会进一步放大盐分的侵蚀效应：干湿循环通过周期性吸湿与蒸发加速盐分结晶与溶解，导致孔隙结构损伤；冻融循环则因水分结冰膨胀使混合料内部应力集中，进而破坏其微观结构^[19-24]。

近年来，国内外研究人员针对盐蚀环境下沥青混合料的性能开展大量研究。郑建华^[25]指出，氯盐溶液浸泡会显著降低沥青混合料的低温抗裂性能。黄新颜等^[26]研究发现，在盐分浸泡侵蚀作用下，沥青混合料的高低温性能、水稳定性和疲劳性能均发生不同程度的劣化。褚辞等^[21]通过盐分-干湿循环试验发现，干湿循环会促进盐分对沥青混合料的侵蚀作用。GUO等^[27]研究发现，盐-冻融循环会破坏沥青-集料的界面强度，导致沥青混合料性能劣化。姚华彦等^[22]通过半圆弯拉试验和核磁共振试验发现，冻融循环会使沥青混合料中的小孔隙变大，导致其抗裂性能劣化。综上所述，盐分与水、干湿循环和冻融循环耦合均会劣化沥青混合料的性能，但现有研究多集中于单一耦合作用的影响，而对诸多耦合作用的系统性研究仍较少。此外，关于不同盐类(如硫酸盐与氯盐)在长期侵蚀下的作用差异及其机理尚未形成统一结论。

鉴于此，本研究以AC-13混合料制备马歇尔试件，以不同质量浓度的盐溶液对其进行短期浸泡，分析盐溶液质量浓度对沥青混合料性能的影响，选择适宜盐质量浓度对沥青混合料进行直接浸泡、干湿循环和冻融循环等长期侵蚀，通过劈裂试验分析不同盐蚀环境长期作用对沥青混合料性能的影响，同时采用红外光谱和扫描电镜探究盐对沥青的侵蚀机制和沥青混合料的微观结构演化特征，以期为沥青混合料盐蚀耐久性方面的研究提供有益参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

沥青，SK-90#基质沥青，兰州高盛石化物资有限公司；细集料，玄武岩，永登县玄武矿业有限公司；填料，石灰岩矿粉，大通县豫昌微粉厂；氯盐和硫酸盐，氯化钠(NaCl)和无水硫酸钠(Na₂SO₄)，国药集团工业有限公司。沥青技术指标按照JTG E20—2011进行测试，表1为沥青技术指标；粗、细集料技术指标按JTG E42—2005进行测试，表2为粗、细集料技术指标；矿粉技术指标按JTG E42—2005进行测试，表3为矿粉技术指标。

1.2 仪器与设备

傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，BRUKER TENSOR Ⅱ，广州普凡科学仪器有限公司。

1.3 样品制备

图1为AC-13设计级配曲线。按既定级配，遵照JTG E20—2011(T 0702)规范，以击实法双面各击50次成型AC-13马歇尔试件，确定最佳油石比后，即可拌制AC-13。

1.4 试验方法设计

1.4.1 短期侵蚀

按照JTG E20—2011制备沥青混合料试件，将试件分别在清水，质量浓度为2.5%、5.0%、7.5%和10.0%的Na₂SO₄溶液，质量浓度为5.0%、10.0%、15.0%和20.0%的NaCl溶液中浸泡7 d。

1.4.2 长期侵蚀

(1) 直接浸泡。

将试件浸泡在25 ℃的溶液中，以7 d为一个龄期，分别浸泡7、14、21、28 d。

(2) 干湿循环。

将制备的沥青混合料马歇尔试件浸泡在溶液中12 h，然后再置于40 ℃的烘箱中干燥12 h，作为一次干湿循环(1 d)，以7次作为一个龄期，分别循环7、14、21、28 d。

(3) 冻融循环。

将沥青混合料马歇尔试件分别浸泡在不同的溶液中并置于多场耦合环境试验箱中，并经1 h逐渐降温至-18 ℃，在此温度下冷冻15 h，然后经1 h逐渐升温至60 ℃，在此温度下保温7 h，作为一次冻融循环(1 d)，以7次作为一个龄期，分别循环7、14、21、28 d。

1.5 性能测试与表征

1.5.1 短期侵蚀性能测试

根据JTG E20—2011的要求，利用车辙试验评价盐蚀AC-13沥青混合料的高温稳定性，采用动稳定度(DS)进行结果分析；利用小梁弯曲试验评价其低温抗裂性，采用抗弯拉强度和破坏时最大弯拉应变进行结果分析；利用冻融劈裂试验评价其水稳定性，采用冻融劈裂强度比(TSR)进行试验结果分析。

1.5.2 长期侵蚀性能测试

根据JTG E20—2011，在25 ℃下利用沥青混合料劈裂试验测试长期侵蚀后不同龄期下的沥青混合料试件的劈裂强度，研究不同侵蚀环境的长期作用对沥青混合料力学性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 盐水短期浸泡沥青混合料性能

2.1.1 高温性能

图2为盐蚀环境下沥青混合料的动稳定度。从图2可以看出，被清水浸泡7 d后，沥青混合料动稳定度减少12.1%。但相较清水，盐溶液浸泡对沥青混合料动稳定度的影响更大。随着盐溶液质量浓度的增加，沥青混合料的动稳定度呈递减趋势，且动稳定度的降幅随盐溶液质量浓度增加而递增。当Na₂SO₄和NaCl溶液的质量浓度分别增加至10.0%和20.0%时，沥青混合料的动稳定度降幅最大，分别降低49.2%和44.0%。此外，当Na₂SO₄和NaCl溶液的质量浓度较低时，沥青混合料的动稳定度相差较小；而当两者的质量浓度逐渐增加，在相同质量浓度下，Na₂SO₄溶液浸泡下的沥青混合料动稳定度明显低于NaCl溶液浸泡。

2.1.2 低温性能

图3为盐蚀环境下沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变。从图3可以看出，利用清水对沥青混合料浸泡7 d后，其低温性能有一定程度的劣化，抗弯拉强度和最大弯拉应变分别降低5.5%和14.9%。相较清水，盐溶液浸泡下沥青混合料的低温性能进一步劣化，且随着盐溶液质量浓度的增加，沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变逐渐降低。当Na₂SO₄和NaCl溶液的质量浓度分别增加至10.0%和20.0%时，沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变降至最低，分别为9.10 MPa、1 634和8.42 MPa、1 346，相较未浸泡的沥青混合料(10.52 MPa、2 611)分别降低13.0%、37.4%和20.0%、48.4%。此外，在相同质量浓度与浸泡龄期的条件下，NaCl溶液浸泡下沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变基本上小于Na₂SO₄溶液浸泡。

2.1.3 水稳定性

图4为盐蚀环境下沥青混合料的冻融劈裂强度比(TSR)。从图4可以看出，清水浸泡7 d后，沥青混合料的TSR略有降低，降至90.5%左右。而当质量浓度为2.5%的Na₂SO₄溶液和5.0%的NaCl溶液浸泡7 d后，沥青混合料的TSR相较清水浸泡略有增加。这可能是因为盐溶液蒸发后，部分盐结晶有效填补了沥青混合料的内部微空隙，增强了试件的整体劈裂强度，从而使TSR提升。但随着盐溶液质量浓度的增加，沥青混合料的TSR逐渐降低，明显小于清水浸泡的沥青混合料，且当Na₂SO₄和NaCl溶液的质量浓度增加至10.0%和20.0%时，沥青混合料的动稳定度降至最低，分别为降低6.8%和4.2%。这可能是因为随着盐溶液质量浓度持续升高，侵蚀效应逐渐占据主导地位，盐分结晶产生的体积膨胀及盐分对沥青的侵蚀作用超过孔隙填充带来的强度增益，导致TSR呈下降趋势。此外，在相同质量浓度下，NaCl侵蚀后的沥青混合料TSR明显大于Na₂SO₄侵蚀，表明硫酸盐对混合料水稳定性的劣化效应更为显著。

2.2 长期盐蚀条件下沥青混合料性能

为分析长期盐分侵蚀下沥青混合料的性能变化，选用清水、质量浓度10.0%的Na₂SO₄溶液和质量浓度10.0%、20.0%的NaCl溶液对沥青混合料进行长达28 d的直接浸泡、干湿循环和冻融循环处理，并通过劈裂试验进行验证。

2.2.1 直接浸泡

图5为直接浸泡下沥青混合料的劈裂强度。从图5可以看出，不论是清水还是盐溶液，沥青混合料的劈裂强度均随着浸泡龄期的增加而逐渐降低，当龄期为28 d时，清水、质量浓度为10.0%的Na₂SO₄溶液和质量浓度为10.0%、20.0%的NaCl溶液浸泡下的沥青混合料劈裂强度分别降低10.8%、16.4%、13.0%和16.2%。在长期浸泡条件下，相较清水浸泡，沥青混合料被盐溶液浸泡后，其劈裂强度降低的趋势更为显著。此外，质量浓度为10.0%的Na₂SO₄溶液和20.0%的NaCl溶液条件下，沥青混合料的劈裂强度降幅相差不大，但对于质量浓度为10.0%的Na₂SO₄溶液和10.0%的NaCl溶液，硫酸盐浸泡下的沥青混合料劈裂强度明显小于氯盐浸泡。

2.2.2 干湿循环

图6为干湿循环下沥青混合料的劈裂强度。从图6可以看出，清水浸泡条件下，随着干湿循环次数的增加，沥青混合料的劈裂程度呈递减趋势，说明干湿循环会导致沥青混合料劈裂强度降低。而盐溶液条件下，混合料劈裂强度降幅更加显著，表明盐分的存在加剧了混合料力学性能的劣化。当龄期为7 d时，沥青混合料的劈裂强度降幅最大，随着龄期递增，清水、质量浓度为10.0%和20.0%的NaCl溶液条件下，混合料的劈裂强度降幅较为平稳，而在质量浓度为10.0%的Na₂SO₄溶液条件下，当龄期为28 d时，降幅又突然增大。其中，当龄期为28 d时，清水、质量浓度为10.0%的Na₂SO₄溶液和10.0%、20.0%的NaCl溶液条件下，沥青混合料的劈裂强度分别降低24.9%、44.5%、32.6%和37.3%。此外，在相同的干湿循环龄期以及盐溶液条件下，硫酸盐溶液中的沥青混合料劈裂强度显著小于氯盐溶液。

2.2.3 冻融循环

图7为冻融循环下沥青混合料的劈裂强度。从图7可以看出，在冻融循环条件下，沥青混合料的劈裂强度变化趋势与干湿循环条件下类似，均随着龄期的增加逐渐降低，且盐溶液条件下的沥青混合料劈裂强度均明显小于清水条件下。当龄期为28 d时，清水、质量浓度为10.0%的Na₂SO₄溶液和10.0%、20.0%的NaCl溶液条件下，沥青混合料的劈裂强度分别降低5.5%、52.3%、50.0%和51.6%。当龄期为7 d时，沥青混合料的劈裂强度降幅最大，随着龄期逐渐增加，其降幅较为平稳。此外，在相同的冻融龄期以及盐溶液条件下，硫酸盐溶液中的沥青混合料劈裂强度降幅显著大于氯盐溶液。

2.2.4 不同侵蚀条件下沥青混合料劈裂强度变化

图8为不同侵蚀条件下沥青混合料的劈裂强度变化。从图8可以看出，对于沥青混合料劈裂强度的影响程度：盐-冻融水-冻融盐-干湿水-干湿盐浸泡水浸泡。不论是直接浸泡、干湿循环，还是冻融循环，盐溶液条件下沥青混合料劈裂强度的降幅均大于清水条件。这是因为盐分的存在会促进沥青的老化并加速水分在沥青-集料界面处的渗透过程，降低沥青与集料的界面能，削弱沥青胶结料与集料颗粒间的黏结作用。相较直接浸泡，盐-干湿循环条件下沥青混合料的劈裂强度降幅更大。这是因为盐溶液在干燥阶段因水分蒸发导致盐分析出并形成结晶膨胀应力，而在湿润阶段该应力得以释放。在干湿交替循环作用下，混合料微观结构持续经受膨胀加载与卸载作用，其引发的疲劳损伤效应相较于盐溶液静态浸泡的单一侵蚀模式更为显著。而盐-冻融条件下，沥青混合料劈裂强度降幅最大，这是由于该条件下除盐分的侵蚀以及盐结晶的膨胀应力，可能还因为冷热交替加速沥青老化以及孔隙水低温时结冰的膨胀应力破坏混合料内部结构，导致沥青与集料的黏附性降低，沥青混合料的性能劣化。此外，同一质量浓度下，硫酸盐条件下沥青混合料劈裂强度的降幅明显高于氯盐，这是因为Na₂SO₄结晶时易形成团聚状结晶体，体积膨胀，对沥青-集料界面黏结强度及混合料微观结构造成严重损伤。

2.3 沥青混合料盐蚀机理

2.3.1 盐蚀沥青红外光谱分析

图9为沥青混合料盐蚀前后的FTIR谱图。从图9可以看出，在基质沥青中，吸收峰主要分布在2 920、2 850、1 460、1 380 cm^-1处，指纹区(900~650 cm^-1)则呈现苯环取代区域；在Na₂SO₄侵蚀后的沥青中，吸收峰主要集中在1 175~1 080 cm^-1和600 cm^-1处等；在NaCl侵蚀后的沥青中，在低于500 cm^-1处的区域呈现极宽的强吸收带。经Na₂SO₄和NaCl浸泡后的沥青样品，均未出现显著的新特征峰，表明盐水浸泡对沥青无显著的化学作用。

2.3.2 盐蚀沥青混合料微观结构

图10为盐蚀后沥青混合料的SEM照片。从图10可以看出，溶液中的可溶性盐分会优先向沥青混合料内部的微观缺陷区域发生周期性迁移与结晶，盐晶体在材料表面及内部损伤界面处形成密集堆积，由此产生的结晶压应力持续作用于沥青-集料界面。该应力不仅抑制材料自愈合能力，更通过裂纹尖端应力集中效应促进微裂纹的扩展与连通，最终导致混合料力学性能的渐进性衰减。当累计损伤达到阈值时，孔隙结构趋于稳定，此时盐胀应力对空隙的扩张作用减弱，损伤机制逐渐转向以盐分侵蚀和水分侵蚀为主导的缓慢劣化阶段。

3 结论

在短期浸泡实验中，随着盐溶液质量浓度的增加，沥青混合料的动稳定度、TSR、抗弯拉强度和最大弯拉应变均呈递减趋势，表明盐分的存在会加速沥青混合料的性能劣化；在相同质量浓度下，硫酸盐溶液对混合料性能的劣化效应通常比氯盐溶液更为显著。在直接浸泡、干湿循环和冻融循环条件中，沥青混合料的劈裂强度均随着侵蚀时间的增加而逐渐降低。对沥青混合料的劈裂强度影响程度、排序为：盐-冻融水-冻融盐-干湿水-干湿盐浸泡水浸泡。水分和盐分的存在、干湿循环和冻融循环均会加速沥青的老化进程。盐分对沥青的侵蚀是物理作用。盐晶体在沥青混合料内部形成密集堆积，产生的结晶压力持续作用于沥青-集料界面，导致混合料力学性能的渐进性衰减。

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基金资助

青海省交通运输厅科技项目(2023-07)