张 苛, 罗要飞

(1.长沙理工大学公路养护技术国家工程实验室， 长沙 410114； 2.阜阳师范大学信息工程学院， 阜阳 236041； 3.郑州航空工业管理学院土木建筑学院， 郑州 450046)

雪灾造成交通困难，特别是危及人身安全。为保证路面上车辆的正常通行，需要及时地清除路面上的积雪。撒布除冰盐、融雪剂是冬季融雪化冰的有效方式，可有效缓解路面上积雪的问题，保障路面上车辆的行车安全[1]。但是，除冰盐和融雪剂等主要成分是盐类物质，使用除冰盐等形成的盐蚀环境会对沥青路面等基础设施会产生侵蚀作用，显著地影响路面的使用寿命。

目前，专家学者逐渐认识到除冰盐、融雪剂等对沥青路面的危害。在盐分的侵蚀作用下，沥青混合料的力学特性出现不同程度的劣化[2-3]。Xiong等[4]开发了沥青混合料动态水盐侵蚀仪，采用劈裂试验评价沥青混合料在氯盐-水-温度-载荷耦合作用下的力学性能。同时，基于CT扫描技术，探讨了沥青混合料性能劣化与空隙变化之间的关系[5]。Fakhri等[6]通过室内试验研究了除冰盐对温拌再生橡胶沥青混合料水稳定性的影响。Juli-Gandara等[7]研究了除冰盐对沥青混合料力学性能的影响。Yang等[8]研究了纳米黏土和碳纤维在改善非氯化物除冰剂引起的沥青混凝土性能劣化中的作用。Luo等[9]研究了含盐高湿环境对温拌沥青混合料力学性能的影响。Özgan等[10]采用统计学和实验方法研究了暴露于纯水和不同盐浓度下的沥青混凝土(AC)的工程性能。

除冰盐、融雪剂的使用对沥青结合料和沥青胶浆的性能也产生了显著影响[11]。Xiong等[12]采用内掺和在盐溶液中冻融循环的方式研究了硫酸盐对沥青结合料性能的影响。Cui等[13]采用单轴蠕变试验评价盐分冻融循环条件下沥青砂浆的黏弹性行为。Starck等[14]通过测量沥青胶浆在-25 ℃的劲度模量、沥青相的玻璃化转变温度和沥青的软化点来研究除冰盐溶液对沥青胶浆性能的影响。Guo等[15]采用拉拔试验研究了盐溶液浓度和冻融循环次数对沥青-集料界面黏结特性的影响。

以上研究证实盐蚀环境处理后沥青及其混合料的性能均有不同程度的衰减，但很少涉及沥青结合料的微纳观形貌特性及性能劣化机理。采用氯盐溶液干湿循环和冻融循环模拟除冰盐等形成的盐蚀环境对沥青结合料的侵蚀作用。通过开展沥青四组分试验和原子力显微镜试验分析盐蚀环境对沥青组分及表面微纳观形貌特性的影响。开展针入度、软化点、延度和黏度试验，探讨盐蚀环境下沥青结合料的性能演化情况。研究成果可为认识盐蚀环境下沥青混合料的性能损伤机理提供一定的参考依据。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

沥青采用镇海70#沥青，其基本性能指标如表1所示，各项指标均能满足相关规范要求。

表1 镇海70#沥青性能试验结果

1.2 试验方法

1.2.1 盐蚀环境的室内模拟

在实验室内，采用氯盐溶液干湿循环和冻融循环方式模拟冬季除冰盐、融雪剂等形成的盐蚀环境对沥青结合料性能的影响。参考沥青薄膜加热试验，采用直径150 mm的不锈钢圆盘作为盛样皿，分别向盛样皿中注入50 g沥青，如图1所示，然后将盛样皿连同沥青一起进行干湿循环和冻融循环处理。

(1)干湿循环。

将沥青结合料置于浓度为50 g/L和100 g/L的NaCl溶液中干湿循环3、6、9、12、15次，并设置未进行干湿循环作用的对比组。其中，以沥青结合料在30 ℃的NaCl溶液中浸泡11～12 h，然后在25 ℃环境下放置12～13 h为一次干湿循环，NaCl溶液和环境的温度通过空调控制调节室内温度。

图1 沥青结合料盐蚀处理试样Fig.1 Sample of asphalt binder for salt erosion treatment

(2)冻融循环。

根据安徽北部地区的年平均极端气温和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTC E20—2011)中的相关规定[16]，确定沥青结合料的冻融温度分别为-20 ℃和30 ℃。冻融循环前，先将沥青结合料置于50 g/L和100 g/L的NaCl溶液中浸泡24 h以充分饱水。然后，在-20～30 ℃的温度条件下对沥青结合料进行3、6、9、12和15次冻融循环处理。其中，规定1次冻融循环如下：将试件置于-20 ℃的恒温冰箱中冷冻11～12 h，并置于30 ℃的NaCl溶液中浸泡12～13 h。

1.2.2 沥青组分含量变化评价

沥青的化学组分显著影响其与矿料的黏附特性，组分含量是决定其路用性能的主要因素。采用SYD-0618A型四组分试验仪器，对经过干湿循环和冻融循环处理后的镇海70#沥青进行四组分试验，分析盐蚀环境对沥青结合料组分含量的影响。

1.2.3 沥青微纳观形貌特性评价

采用原子力显微镜(AFM)对处理后的沥青表面进行扫描，成像模式采用轻敲式。观测时，每个试样表面测试6个点，各点的扫描范围为10 μm×10 μm，即可得到沥青微观尺度下的表面粗糙度信息。统计分析AFM扫描的沥青表面的三维形貌信息，采用轮廓算术平均偏差Ra作为沥青表面粗糙度的评价指标，如式(1)所示[17]。同时，采用MATLAB计算沥青试样扫描图中的蜂状结构二维面积百分比A指标，定量分析盐蚀环境的作用对沥青结合料微纳观形貌特性的影响。

(1)

式(1)中：Zj为AFM扫描图中每一点的高程；N为总的测试点数。

1.2.4 盐蚀环境下沥青结合料性能评价

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的相关规定，分别对经过干湿循环和冻融循环处理后的镇海70#沥青进行针入度试验、软化点试验、延度试验和黏度试验[18-19]，探讨除冰盐、融雪剂形成的盐蚀环境下沥青结合料性能的演化情况。这里，针入度试验、延度试验和黏度试验的温度分别是25、10和135 ℃。

2 结果与讨论

2.1 沥青组分变化规律分析

将经过50 g/L和100 g/L的NaCl溶液干湿循环和冻融循环处理不同次数后的沥青，进行沥青四组分试验，试验结果如表2所示。

表2 盐蚀环境下沥青结合料四组分含量变化

从表2可以看出，在盐溶液中干湿循环和冻融循环处理后，不同处理方式对沥青组分中沥青质、饱和分、芳香分和胶质的影响趋势相近。随着作用次数的增加，沥青结合料的沥青质、胶质含量增加，饱和分和芳香分含量下降，其中饱和分含量下降幅度较大。同原样沥青相比，在100 g/L的盐溶液中干湿循环处理15次后，沥青结合料的沥青质、胶质分别增加78.6%和91.5%，饱和分和芳香分分别下降57.8%和34.7%。在100 g/L的盐溶液中冻融循环处理15次后，沥青结合料的沥青质、胶质分别增加90.8%和105.6%，饱和分和芳香分分别下降62.9%和42.5%。同干湿循环相比，在相同浓度的氯盐溶液中冻融循环处理后，沥青结合料各组分的变化更明显。

同50 g/L的氯盐溶液相比，在100 g/L的盐溶液中干湿循环处理15次后，沥青质和胶质分别增加10.1%和6.2%，饱和分和芳香分分别下降15.6%和7.6%；在100 g/L的盐溶液中冻融循环处理15次后，沥青质和胶质分别增加10.7%和4.6%，饱和分和芳香分分别下降11.2%和10.2%。显而易见，随着氯盐溶液浓度的增加，沥青结合料中各组分的变化幅度增大。

在盐溶液中处理后，沥青各组分含量变化的主要原因是盐蚀环境的作用加速沥青结合料的老化进程。在沥青胶体中，相比于胶质与沥青质，芳香分与饱和分化学性质更为活泼[20]。随着盐分的侵蚀作用，沥青中羧酸类和酚类等轻质含氧化合物发生一定的溶解和电离。羧酸与盐溶液中的Na+等碱性金属离子生成低价高级有机酸钠盐属于典型的皂类化合物，易溶于水。因此，经过NaCl溶液处理过的沥青结合料，轻质成分有一定的溶解，表现为芳香分和饱和分含量减小，沥青质含量相对增大。

2.2 沥青表面微纳观形貌特性分析

采用原子力显微镜在轻敲模式下扫描沥青结合料的表面形貌。基于MATLAB图像处理技术，对50 g/L和100 g/L盐溶液干湿循环和冻融循环处理后的沥青表面图像进行处理，统计分析沥青扫描图的粗糙度参数Ra和蜂状结构面积百分比A，结果如图2和图3所示。

从图2和图3可以看出，沥青结合料在氯盐溶液中干湿循环和冻融循环处理后，Ra均有不同程度的下降。在50 g/L的氯盐溶液中干湿循环和冻融循环处理15次后，沥青结合料的Ra分别下降38.6%和45.3%；在100 g/L的氯盐溶液中干湿循环和冻融循环处理15次后，Ra分别下降41.9%和48.6%。这是因为沥青中不同组分的物理化学性质相差较大，化学组分比例的改变必然影响沥青表面的形貌特征。在盐蚀环境处理后，沥青发生一定程度的老化，沥青中轻组分减少，而沥青质比例增加且分散状况变差，沥青质的聚集使不同区域之间的相互关系减弱。同时，饱和分、芳香分等轻质组分的挥发，导致每个区域内部高低起伏减小，沥青表面高低起伏的齿状凸起的数量减小[17]。氯盐溶液浓度越大，沥青中各组分的变化更显著。在盐蚀环境处理后，沥青表面整体微观构造呈现“均一化”的趋势。

图2 盐蚀环境下沥青表面粗糙度参数Fig.2 Roughness parameter of asphalt surface in salt erosion environment

图3 盐蚀环境下沥青蜂状结构面积百分比Fig.3 Area ratio of bee structure of asphalt surface in salt erosion environment

沥青结合料在氯盐溶液中干湿循环和冻融循环处理后，蜂状结构面积百分比也出现不同程度的下降。在50 g/L的氯盐溶液中干湿循环和冻融循环处理15次后，沥青结合料的蜂状结构面积百分比分别下降20.2%和30.3%；在100 g/L的氯盐溶液中干湿循环和冻融循环处理15次后，蜂状结构面积百分比分别下降28.4%和38.2%。分析原因可能是，蜂状结构的形成与沥青中不同组分的构成比例密切相关。随着侵蚀作用次数的增加，沥青的老化程度加深，轻质组分挥发的越来越多，导致组成蜂状结构的物质逐渐减少，蜂状结构的数量下降，蜂状结构所占的总面积比逐渐减小[21]。沥青表面的微观粗糙度主要是由蜂状结构决定，进一步证实盐蚀环境处理后，沥青的Ra逐渐下降是合理的。

干湿循环和冻融循环对沥青结合料表面微纳观形貌特性的影响程度不同。当在50 g/L的氯盐溶液中作用15次后，冻融循环处理的沥青结合料的表面粗糙度比干湿循环处理的小10.8%，蜂状结构面积百分比小12.7%；当在100 g/L的氯盐溶液中作用15次后，冻融循环处理的沥青结合料的表面粗糙度比干湿循环处理的小11.6%，蜂状结构面积百分比小13.6%。可见，同干湿循环处理相比，在氯盐溶液中冻融循环处理后，沥青结合料表面粗糙度和蜂状结构面积百分比在相同作用次数条件下的下降幅度更大，盐冻环境对沥青结合料微纳观形貌特性的影响更显著。

2.3 沥青路用性能演化分析

将经过不同浓度的氯盐溶液干湿循环和冻融循环一定次数处理后的沥青，进行针入度试验、软化点试验、延度试验和黏度试验，试验结果如图4和图5所示。

图4 盐蚀环境下沥青结合料的三大指标Fig.4 Three major indexes of asphalt binder in salt erosion environment

从图4可以看出，在盐溶液中干湿循环和冻融循环处理后，沥青结合料的针入度和延度均有不同程度的下降，软化点出现不同程度的升高。具体来说，同原样沥青相比，在50 g/L的盐溶液中干湿循环处理15次后，沥青结合料的针入度、延度分别下降19.9%和25.1%，软化点升高7.0%；在50 g/L的盐溶液中冻融循环处理15次后，沥青结合料的针入度、延度分别下降28.0%和33.2%，软化点升高8.5%。在100 g/L的盐溶液中干湿循环处理15次后，沥青结合料的针入度、延度分别下降22.9%和28.0%，软化点升高10.0%；在100 g/L的盐溶液中冻融循环处理15次后，沥青结合料的针入度、延度分别下降30.2%和34.9%，软化点升高10.8%。可见，同干湿循环相比，在相同浓度的盐溶液中冻融循环处理后，沥青结合料三大指标(尤其是针入度和软化点)的变化更明显。随着干湿循环作用次数的增加，沥青结合料针入度、延度的下降速率和软化点的升高速率在超过12次后变缓。对于冻融循环的处理方式，沥青结合料三大指标变化趋势的临界作用次数为9次。

结合前文盐蚀环境下沥青组分变化规律分析结果，沥青结合料三大指标变化的主要原因是在氯盐溶液中干湿循环和冻融循环处理后，沥青结合料的化学成分和组分发生改变，出现了一定程度的“盐老化现象”。即盐溶液中的Cl-在干湿循环和冻融循环状态下与沥青接触时加速沥青的老化进程[13]，沥青中的沥青质含量增加，饱和分和芳香分等轻质组分含量减少。沥青质是沥青中不溶于水的黑色或棕色无定形固体，热稳定性较好，其含量增加会导致沥青变硬。芳香分是沥青组分中分子质量最低的物质，对沥青具有软化和润滑作用，热稳定性差，芳香分含量的减少，也将导致沥青发生硬化。同时，以晶体形式存在于沥青分子中的氯盐离子，在沥青分子受温度影响运动时吸收一部分热量，造成沥青产生温度变化。另外，存在于沥青分子中的氯盐离子，晶体颗粒较大，会阻断沥青之间的连接，在低温时沥青容易发生断裂。随着氯盐溶液浓度的提高，存在于沥青分子中的氯盐离子也逐渐增加，沥青结合料的性能指标变化更明显。

图5 盐蚀环境下沥青结合料的黏度Fig.5 Viscosity of asphalt binder in salt erosion environment

从图5可以看出，在盐溶液中干湿循环和冻融循环处理后，沥青结合料的黏度出现不同程度的增加。同原样沥青相比，在50 g/L和100 g/L的盐溶液中干湿循环处理15次后，沥青结合料的分别增加14.0%和20.6%；在50 g/L和100 g/L的盐溶液中冻融循环处理15次后，沥青结合料的黏度分别升高17.1%和23.1%。可见，对于相同的处理方式，随着氯盐溶液浓度增加，沥青结合料黏度增加的幅度越明显。同干湿循环处理方式相比，在冻融循环方式处理后，沥青结合料的黏度更大。随着氯盐侵蚀次数的增加，两种不同处理方式下沥青结合料黏度增加的趋势都趋向平缓，说明当氯盐侵蚀作用达到一定次数后，其对沥青黏度的影响降低。对于干湿循环和冻融循环处理方式，不同浓度的盐溶液的临界作用次数分别是12次和9次。

出现这种现象的根本原因是盐分的侵蚀作用导致沥青结合料的组分发生明显变化，由于分子质量较大的沥青质和胶质含量的增加，试验过程中转子需要克服更大的分子间作用力来保持固定的转速，表现为沥青黏度的升高[22-23]；此外，由于氯盐离子的存在，分子运动时要克服的阻力也变大，即在固定的转速下，转子克服阻力需要的扭矩也相应变大，同样表现为沥青黏度的升高，并且沥青的黏度随着氯盐溶液浓度的增加而增大。

3 结论

(1)在氯盐溶液中干湿循环和冻融循环处理后，不同处理方式对沥青各组分的影响趋势相近。随着盐溶液浓度和作用次数的增加，沥青结合料的沥青质、胶质含量增加，饱和分和芳香分含量下降。在盐蚀环境处理后，沥青结合料表面粗糙度和蜂状结构面积百分比等微纳观形貌特性参数也出现不同程度的下降。同干湿循环方式相比，在相同浓度的盐溶液中冻融循环处理后，沥青结合料各组分和微观形貌特征的变化更明显。

(2)在氯盐溶液中干湿循环和冻融循环处理后，沥青结合料的针入度和延度均有不同程度的下降，软化点和黏度出现一定程度的升高。对于干湿循环和冻融循环处理方式，沥青性能指标变化的临界作用次数分别是12次和9次。在评价盐分对沥青结合料性能的影响时，建议在100 g/L的氯盐溶液中干湿循环12次或冻融循环9次模拟实际路面上融雪剂的侵蚀作用。

(3)沥青结合料性能劣化的主要原因是在盐蚀环境中沥青结合料的化学组分发生改变，出现一定程度的“盐老化现象”。以晶体形式存在于沥青分子中的氯盐离子，在受温度影响时吸收一部分热量。同时，氯盐晶体会阻断沥青分子间的连接，沥青的低温抗裂性能下降。随着氯盐溶液浓度的提高，沥青分子中的氯盐离子也逐渐增加，沥青结合料的性能指标变化更明显。