冻融、盐蚀对多孔沥青混凝土的损伤机理研究

邓欢

摘要：冬季雨雪天气路政部门经常使用除冰盐来减轻冰雪对交通的影响，但传统的除冰盐对路面性能会产生不利影响。而多孔沥青排水路面受到影响程度更甚。本文从物理、化学两方面研究了冬季常见的冻融、盐蚀过程对多孔沥青混凝土的损伤机理，并探讨了除冰盐对其他交通设施以及周围环境的影响。

关键词：多孔沥青混凝土;排水路面;除冰盐;冻融;盐蚀。

一、引言

多孔沥青混凝土路面凭借较大的空隙率能够快速排除路表水，具有非常好的防滑、防水漂、降噪、抑制水雾、减少眩光的功能，因此有着非常好的应用前景。其主要的应用范围包括：多雨地区的高等级公路及其桥面铺装;对安全性、舒适性要求较高的城市道路;生态景区、园区道路等。此类路面在国外已经得到了大量应用，近年来其材料、结构一直在持续发展更新。我国工程界也已逐渐认识到排水性路面优秀的路用性能，在一些地区已有使用排水路面的工程实例[1] 。

冰雪无疑是交通安全的大敌，路面积雪结冰导致的重大交通事故不可胜数，给社会造成了巨大损失。为了防止路面结冰、积雪引发安全事故，路政部门往往会在冰雪路面上撒除冰盐以加速融化冰雪。这种做法固然可以加速融雪、除冰，但也会在无形之中对道路及附属设施造成负面影响。

现在广泛使用的除冰盐主要是氯盐，经过调查了解到，市场上的除冰盐主要化学成分为MgCl2、NaCl和CaCl2。这些成分溶于水形成盐溶液，可能会对道路路面性质产生影响。由于多孔沥青混合料的空隙较多，外部盐溶液很容易进入路面内部，在低温天气容易结成冰而无法及时排出，水分和盐分与沥青混凝土接触面积更大、接触时间更长，故多孔沥青混合料更容易受到此种损害。

二、冻融、盐蚀破坏机理研究

冻融、盐蚀作用对多孔沥青混合料性能影响可分为物理、化学两方面，过程涉及水、盐等多种成分的复合作用。

从物理变化方面，首先由于除冰盐降低了冰雪的熔点使之更易熔化成水，盐类溶解于水中形成较高浓度的盐溶液并进入路面的空隙内部。不同空隙中的盐溶液浓度很可能是不均匀的，因此导致的渗透压力长期作用下脆弱部位容易产生损坏。

当温度低于熔点，空隙中的溶液结成冰体积增大产生膨胀应力，可能导致空隙被扩大。在马歇尔试件冻融循环试验中发现经历冻融后的试件体积有所膨胀，尤其径向有明显增长，佐证了这一观点。而当温度高于熔点，内部的冰会融化，体积减小，空隙内失去支撑变得脆弱[2] 。并且在不同深度盐溶液浓度往往不同所以熔点不同，空隙内部水结冰情况也不同。在低温环境，孔隙水并不是均匀、同时结冰，而是按照由外及内、由大孔隙向小孔隙的顺序，内部孔隙水的冰點一般比正常冰点低。假如仅有上层结冰则会阻碍下层空隙中的水流出，在车辆碾压时造成内部巨大的压力。水经历的这种结冰和融化交替往复过程使混合料的空隙成为受力薄弱部位，内部损伤逐渐积累，进而导致强度降低。

除此之外，盐类的溶解是一个吸热过程，而这些热量大部分都来源于覆盖在冰雪之下的沥青路面，这会使沥青混凝土内部温度不均，引发一定的温度应力，产生不利影响。

化学变化方面，由于溶解后的钠离子的乳化反应和氯离子的腐蚀作用，盐溶液本身对于沥青混合料就有一定的侵蚀作用[3] 。此外由于表面张力作用，水侵入沥青与集料界面后会造成沥青逐渐脱离集料，这种表面张力在高浓度盐溶液中更加显著 [4] [5] ，所以盐溶液比纯水侵入矿料与沥青的接触界面速度更快。当盐溶液与多孔沥青混合料接触，由于溶液中的氯离子和钠离子具有强极性，会降低沥青与集料之间的黏附力，使沥青和集料之间的粘结作用变弱，从而加速了沥青的老化剥离，使沥青混凝土的强度逐渐降低。

三、结语

本文研究和探讨了冬季多孔沥青混合料受到冻融、盐蚀影响下受到损伤的机理，而除冰盐对路面性能的长期损害只是其不利影响的一个方面。除此之外，盐类对汽车轮胎寿命也有影响，轮胎由橡胶制成，接触盐溶液会造成橡胶的老化、韧性降低。道路桥梁的附属设施，如排水系统、护栏、交通标识牌的金属部分，在接触了氯盐溶液后也会加速锈蚀，增加运营维护成本。一部分盐溶液经由排水系统汇入地下水源，引起部分区域地下水盐含量升高，同时这些盐分在一定程度上还会使排水管道加速锈蚀。这些盐溶液也将影响附近的土壤环境，使土壤盐渍化。高盐浓度的土壤环境会抢夺水分，导致植物枯竭死亡。故使用氯盐除冰盐对周边土壤环境和植物的影响也是不可忽视的危害之一。

由于传统除冰盐对于路面、交通附属设施和环境有以上不利影响，许多国家已经不使用传统的除冰盐[6] ，如比利时、意大利、澳大利亚、荷兰等国家道路除冰作业使用液体融雪剂。我国一些地区也在研究、试用新型除冰盐，这将对道路养护和设施保养工作带来帮助。

参考文献

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

[2] 吴钊.冻融循环对沥青混合料性能的影响研究[D].武汉理工大学，2011.

[3] 熊 锐，陈拴发，关博文， 等.冻融与腐蚀耦合作用下沥青混凝土性能研究[J].武汉理工大学学报，2011，（02 ）.

[4] 马芹永，吴金荣，秦凯.氯盐对沥青混凝土冻融劈裂抗拉强度影响的试验与分析[J].冰川冻土，2013，35（5）：1202-1208. DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2013.0135.

[5] 秦凯.盐分对沥青混合料冻融劈裂性能影响的试验研究[D].安徽理工大学，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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