凍融、鹽蝕對多孔瀝青混凝土的損傷機理研究

鄧歡

摘要：冬季雨雪天氣路政部門經常使用除冰鹽來減輕冰雪對交通的影響，但傳統的除冰鹽對路面性能會產生不利影響。而多孔瀝青排水路面受到影響程度更甚。本文從物理、化學兩方面研究了冬季常見的凍融、鹽蝕過程對多孔瀝青混凝土的損傷機理，并探討了除冰鹽對其他交通設施以及周圍環境的影響。

關鍵詞：多孔瀝青混凝土;排水路面;除冰鹽;凍融;鹽蝕。

一、引言

多孔瀝青混凝土路面憑借較大的空隙率能夠快速排除路表水，具有非常好的防滑、防水漂、降噪、抑制水霧、減少眩光的功能，因此有著非常好的應用前景。其主要的應用范圍包括：多雨地區的高等級公路及其橋面鋪裝;對安全性、舒適性要求較高的城市道路;生態景區、園區道路等。此類路面在國外已經得到了大量應用，近年來其材料、結構一直在持續發展更新。我國工程界也已逐漸認識到排水性路面優秀的路用性能，在一些地區已有使用排水路面的工程實例[1] 。

冰雪無疑是交通安全的大敵，路面積雪結冰導致的重大交通事故不可勝數，給社會造成了巨大損失。為了防止路面結冰、積雪引發安全事故，路政部門往往會在冰雪路面上撒除冰鹽以加速融化冰雪。這種做法固然可以加速融雪、除冰，但也會在無形之中對道路及附屬設施造成負面影響。

現在廣泛使用的除冰鹽主要是氯鹽，經過調查了解到，市場上的除冰鹽主要化學成分為MgCl2、NaCl和CaCl2。這些成分溶于水形成鹽溶液，可能會對道路路面性質產生影響。由于多孔瀝青混合料的空隙較多，外部鹽溶液很容易進入路面內部，在低溫天氣容易結成冰而無法及時排出，水分和鹽分與瀝青混凝土接觸面積更大、接觸時間更長，故多孔瀝青混合料更容易受到此種損害。

二、凍融、鹽蝕破壞機理研究

凍融、鹽蝕作用對多孔瀝青混合料性能影響可分為物理、化學兩方面，過程涉及水、鹽等多種成分的復合作用。

從物理變化方面，首先由于除冰鹽降低了冰雪的熔點使之更易熔化成水，鹽類溶解于水中形成較高濃度的鹽溶液并進入路面的空隙內部。不同空隙中的鹽溶液濃度很可能是不均勻的，因此導致的滲透壓力長期作用下脆弱部位容易產生損壞。

當溫度低于熔點，空隙中的溶液結成冰體積增大產生膨脹應力，可能導致空隙被擴大。在馬歇爾試件凍融循環試驗中發現經歷凍融后的試件體積有所膨脹，尤其徑向有明顯增長，佐證了這一觀點。而當溫度高于熔點，內部的冰會融化，體積減小，空隙內失去支撐變得脆弱[2] 。并且在不同深度鹽溶液濃度往往不同所以熔點不同，空隙內部水結冰情況也不同。在低溫環境，孔隙水并不是均勻、同時結冰，而是按照由外及內、由大孔隙向小孔隙的順序，內部孔隙水的冰點一般比正常冰點低。假如僅有上層結冰則會阻礙下層空隙中的水流出，在車輛碾壓時造成內部巨大的壓力。水經歷的這種結冰和融化交替往復過程使混合料的空隙成為受力薄弱部位，內部損傷逐漸積累，進而導致強度降低。

除此之外，鹽類的溶解是一個吸熱過程，而這些熱量大部分都來源于覆蓋在冰雪之下的瀝青路面，這會使瀝青混凝土內部溫度不均，引發一定的溫度應力，產生不利影響。

化學變化方面，由于溶解后的鈉離子的乳化反應和氯離子的腐蝕作用，鹽溶液本身對于瀝青混合料就有一定的侵蝕作用[3] 。此外由于表面張力作用，水侵入瀝青與集料界面后會造成瀝青逐漸脫離集料，這種表面張力在高濃度鹽溶液中更加顯著 [4] [5] ，所以鹽溶液比純水侵入礦料與瀝青的接觸界面速度更快。當鹽溶液與多孔瀝青混合料接觸，由于溶液中的氯離子和鈉離子具有強極性，會降低瀝青與集料之間的黏附力，使瀝青和集料之間的粘結作用變弱，從而加速了瀝青的老化剝離，使瀝青混凝土的強度逐漸降低。

三、結語

本文研究和探討了冬季多孔瀝青混合料受到凍融、鹽蝕影響下受到損傷的機理，而除冰鹽對路面性能的長期損害只是其不利影響的一個方面。除此之外，鹽類對汽車輪胎壽命也有影響，輪胎由橡膠制成，接觸鹽溶液會造成橡膠的老化、韌性降低。道路橋梁的附屬設施，如排水系統、護欄、交通標識牌的金屬部分，在接觸了氯鹽溶液后也會加速銹蝕，增加運營維護成本。一部分鹽溶液經由排水系統匯入地下水源，引起部分區域地下水鹽含量升高，同時這些鹽分在一定程度上還會使排水管道加速銹蝕。這些鹽溶液也將影響附近的土壤環境，使土壤鹽漬化。高鹽濃度的土壤環境會搶奪水分，導致植物枯竭死亡。故使用氯鹽除冰鹽對周邊土壤環境和植物的影響也是不可忽視的危害之一。

由于傳統除冰鹽對于路面、交通附屬設施和環境有以上不利影響，許多國家已經不使用傳統的除冰鹽[6] ，如比利時、意大利、澳大利亞、荷蘭等國家道路除冰作業使用液體融雪劑。我國一些地區也在研究、試用新型除冰鹽，這將對道路養護和設施保養工作帶來幫助。

參考文獻

[1] 沈金安. 瀝青及瀝青混合料路用性能[M]. 人民交通出版社， 2001.

[2] 吳釗.凍融循環對瀝青混合料性能的影響研究[D].武漢理工大學，2011.

[3] 熊 銳，陳拴發，關博文， 等.凍融與腐蝕耦合作用下瀝青混凝土性能研究[J].武漢理工大學學報，2011，（02 ）.

[4] 馬芹永，吳金榮，秦凱.氯鹽對瀝青混凝土凍融劈裂抗拉強度影響的試驗與分析[J].冰川凍土，2013，35（5）：1202-1208. DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2013.0135.

[5] 秦凱.鹽分對瀝青混合料凍融劈裂性能影響的試驗研究[D].安徽理工大學，2013.

[6] Aikaterini Varveri，Stavros Avgerinopoulos，Athanasios Scarpas.Experimental evaluation of long- and short-term moisture damage characteristics of asphalt mixtures[J].Road Materials and Pavement Design，2016，17（1）：168-186.

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