酸雨對透水瀝青路面抗滑耐久性的影響

周志剛，王巖，李剛，高瓊

（長沙理工大學 道路結構與材料交通行業重點實驗室，湖南 長沙 410114）

路面的抗滑性能是行車安全的重要保障［1-2］。輪胎和路面之間的摩擦力受到車輛荷載［3-4］、環境因素、路面潔凈程度的影響［5］。擺值和平均斷面深度是表征路面抗滑性能的主要參數［6-9］。在行車荷載反復作用下，路面的表面構造發生改變［10］，主要表現在宏觀構造和微觀紋理，影響了路面的抗滑耐久性能［11-13］。透水瀝青路面的排水瀝青混凝土的內部粗骨料相互交錯，形成大量連通孔隙網絡結構［14］。雨水透過路面表層進入內部，再以水平方向排出，這顯著提高了雨天路面排水效率，解決了傳統密集配瀝青路面在積水條件下抗滑性能不足的問題［15-16］。然而，由于透水瀝青路面具有高孔隙率的結構特點，使其容易遭受酸雨的長時間、大面積腐蝕，對瀝青混合料的結構和路用性能產生不利影響［17］。關于酸雨對瀝青路面的侵蝕影響，國內外已經進行了一些研究。張倩等［18］采用周期浸泡的方式，研究了4 種不同級配混合料在3 種pH 值的酸溶液中的腐蝕?；瘜W侵蝕導致瀝青混合料的空隙率增加，結構疏松，強度下降，其中，AC-16 瀝青混合料耐酸溶液腐蝕較好。馮新軍等［19］對酸溶液浸泡腐蝕后的瀝青混合料進行了路用性能測試，指出瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性的下降幅度隨著酸溶液濃度和浸泡周期的增大而增大。周興林等［20］采用平板磨光法對經過酸溶液噴淋后的試件進行磨光試驗，得到試件加載初期、前期、后期的擺值衰減趨勢，指出SMA-13瀝青混合料的抗滑性能要優于AC-13瀝青混合料的。

綜上所述，目前國內外主要針對酸溶液對瀝青混合料的腐蝕機理和力學性能的影響進行研究，而關于循環荷載作用下酸腐蝕對瀝青混合料抗滑性能影響的研究并不多見?？紤]到透水瀝青混合料在抗滑性能上優于其他類型的瀝青混合料，但是關于透水瀝青混合料在酸雨環境下的抗滑性能，以及與其他類型混合料進行對比和定量評價的資料很匱乏。因此，本研究通過濕干循環浸泡處理瀝青混合料試件，模擬酸雨環境，利用小型加速加載設備進行加速加載試驗，采用激光斷面儀和擺式儀測試、評價混合料表面的抗滑性能，并對透水瀝青混合料OGFC-13 和密集配瀝青混合料AC-13 在不同酸濃度和浸泡周期的影響下的抗滑耐久性能進行對比分析。

1 試驗材料

1.1 瀝青及改性劑

AC-13 所用瀝青為SBS 改性瀝青，OGFC-13 所用瀝青為高黏瀝青，即在SBS 改性瀝青中投入HVA高黏劑，摻量比例為SBS改性瀝青∶HVA高黏劑=92∶8。SBS 改性瀝青按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）的方法和《公路瀝青路面施工技術規范》中的技術要求進行檢測，SBS改性瀝青的技術指標見表1。

表1 SBS改性瀝青改性前后技術指標Table 1 Technical indexes of the SBS modified asphalt before and after modification

1.2 瀝青混合料集料與級配設計

OGFC-13 瀝青混合料和AC-13 瀝青混合料的粗集料均為輝綠巖，細集料均為石灰巖，礦粉均為石灰巖礦粉。根據《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）中的試驗方法和《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG E40—2004）中的技術要求對集料和礦粉進行檢測，OGFC-13 瀝青混合料和AC-13 瀝青混合料的最佳油石比分別為4.2%、4.7%，空隙率分別為20.15%、3.11%，各篩孔的通過率見表2。

表2 OGFC-13和AC-13瀝青混合料集料級配Table 2 Aggregate gradation of the OGFC-13 and the AC-13 asphalt mixture %

1.3 酸溶液制備

酸雨中的酸性物質主要來自人為排放的SO2、NOx 等氣體，這些氣體經過氧化和水解作用，形成H2SO4、HNO3、HNO2。本試驗采用0.05 mol/L 的H2SO4、0.1 mol/L 的HNO3以及蒸餾水在常溫下配制了酸溶液。蒸餾水是用蒸餾水發生器自行制備的。按照c（SO42-）∶c（NO3-）=9∶1 的比例，配置了pH 值為2、4 的酸溶液［21］。這些酸溶液與蒸餾水溶液（pH 值為7）進行了對比。

2 試驗方法

2.1 酸環境腐蝕模擬試驗

采用周期循環濕干浸泡對OGFC-13 瀝青混合料和AC-13 瀝青混合料進行處理，每個浸泡周期為7 d，其中，前6 d對試件進行浸泡處理，第7 d將試件放置在室內環境晾干。為保證溶液酸性的穩定，在浸泡過程中每天定時測量溶液的pH 值，若發現pH值發生了變化，及時更換溶液。同時，為避免室內環境溫度的變化對酸溶液的腐蝕速度造成影響，本試驗采用恒溫棒將溶液的溫度維持在30 ℃。

2.2 加速加載試驗

采用MMLS3 加速加載儀對瀝青混合料試件進行加速磨耗試驗。該加速加載儀有4 個充氣橡膠加載輪胎，輪胎寬度80 mm。試驗中，設置的輪載為2 700 N，胎壓為0.7 MPa，加載速度為每小時6 000次，試驗加載次數達到80萬次時結束。

2.3 路表紋理構造檢測

采用加速加載儀配套的MMLS PM900路面激光斷面儀檢測路表的紋理構造。在掃描過程中，激光掃描范圍為100 mm，掃描頻帶為1 mm/次，掃描精度為0.01 mm。使用激光斷面儀測量與行車方向垂直的橫斷面，并在2 萬次、40 萬次和70 萬次對試件進行測量。通過掃描圖像求平均斷面深度DMP，并以DMP來表征路表宏觀構造的變化趨勢。DMP的測量原理如圖1所示。

圖1 平均斷面深度Fig. 1 Average section depth

其計算公式如下：

式中：

DMP為平均斷面深度，mm；

h1、h2分別為斷面前、后半周期最高波峰的高程，mm；

h為斷面的平均高程，mm。

2.4 抗滑性能擺值檢測

采用BM-Ⅲ型擺式摩擦系數測定儀，檢測加速加載試驗后試件的摩擦擺值。在加速加載試驗的前期［0～10］ 萬次，每隔2 萬次測量一次試件的擺值。在（10，20） 萬次，每隔5 萬次測量一次試件的擺值。在大于等于20 萬次，每隔10 萬次測量一次試件的擺值。

3 腐蝕現象分析

1） 試件表面出現氣泡現象。

如圖2所示，經過酸溶液浸泡后，試件表面產生了大量氣泡。在pH 值為2的溶液中，試件表面的氣泡數量明顯多于pH 值為4溶液中的試件表面氣泡，而在pH 值為7的溶液中，試件表面幾乎沒有氣泡產生。這是因為瀝青混合料的細集料是石灰巖，其主要成分是CaCO3，可與硝酸、硫酸發生化學反應生成CO2氣體。酸性越強，該反應越劇烈，導致試件表面氣泡數量增加。

圖2 試件表面氣泡Fig. 2 Bubbles on specimen surface

2） 試件表面瀝青膜出現剝落現象。

經過酸溶液浸泡后，試件表面瀝青膜的面積減小，露出了白色集料。在pH 值為2 的溶液中，試件表面露出集料的面積較大。而在pH 值為7 的溶液中，試件表面集料不外露，瀝青膜保持完整。這是由于酸性物質與瀝青膜發生了氧化腐蝕，使得瀝青中的膠質含量下降，同時瀝青膜產生了微裂縫。酸雨可以從瀝青膜的微裂縫中進入瀝青膜內部，與瀝青膜包裹的集料發生化學反應，造成集料鈉、鎂、鈣等粒子的流失，降低了集料和瀝青的黏附性，導致瀝青膜脫落。酸雨透過集料空隙，滲透至內部，加劇了腐蝕。相較于AC-13 瀝青混合料，OGFC-13瀝青混合料剝落的瀝青膜較少，這是因為前者的瀝青膜較厚、黏性較強，水分難以侵蝕并剝落瀝青膜。浸泡2 個周期和4 個周期的試件表面裸露的集料面積無明顯變化，表明在前2 個周期瀝青膜已經基本剝落完畢。浸泡2 個周期后的試件如圖3所示。

圖3 試件表面瀝青膜剝落Fig. 3 Asphalt film spalling on specimen surface

4 擺值測試結果與分析

經過pH 值為2、4、7 的溶液浸泡4 個周期后的試件和未浸泡的試件，在加速加載設備中進行加載后測得的擺值結果如圖4 所示。利用該圖對比分析溶液酸濃度對抗滑性能的影響。未經過任何處理的試件，在pH 值為2 時，浸泡2 個周期和4 個周期的試件進行加速加載試驗后測擺值，結果如圖5所示。利用該圖對比分析浸泡周期對抗滑性能的影響。

圖4 不同pH值條件下試件擺值衰變曲線Fig. 4 Pendulum decay curves of specimens under different pH values

圖5 不同浸泡周期處理后試件擺值衰變曲線Fig. 5 Pendulum decay curves of specimens after different immersion cycles

為了使試件的擺值準確反映路面的常態抗滑能力，將加載2 萬次后測得的擺值作為曲線起點。在初始加載階段（前6 萬次），未浸泡試件的擺值呈上升趨勢，這是因為瀝青膜在加載過程中被去除；而浸泡過的試件由于瀝青膜在浸泡過程中就已經被腐蝕破壞，故其擺值隨加載次數呈下降趨勢。整體上，AC-13 瀝青混合料和OGFC-13 瀝青混合料在前20萬次加載中，擺值的衰減速率較快。當加載次數達到50 萬次后，試件的擺值變化不大。根據KANE［22］提出的路面全壽命周期內抗滑性能隨磨耗次數變化的模型，可以將加載前20萬次劃分為快速衰減階段，將加載20～50 萬次劃分為緩慢衰減階段，將加載50～80萬次劃分為穩定階段。

對于未浸泡試件，在循環加載前期（約6～8 萬次），AC-13 瀝青混合料的擺值高于OGFC-13 瀝青混合料的。然而，在瀝青膜逐漸剝落的過程中，AC-13瀝青混合料的擺值逐漸降低，而OGFC-13瀝青混合料的擺值逐漸升高。在加載30萬次之后，這種差距變得更加明顯。這是因為在前期瀝青膜剝落前，雖然OGFC-13 瀝青混合料的紋理構造深度（DMP=0.77）大于AC-13 瀝青混合料的紋理構造深度（DMP=0.31），但輪胎橡膠與瀝青膜之間的黏性摩擦力占主導地位，輪胎橡膠直接接觸瀝青膜，集料宏微觀構造的切削摩擦力尚未體現出來。由于AC-13瀝青混合料的表面接觸面積大于OGFC-13 瀝青混合料的，因此AC-13 瀝青混合料的抗滑性能強于OGFC-13 瀝青混合料的。隨著循環加載次數增加，試件表面的瀝青膜逐漸剝落，集料宏微觀構造的切削摩擦力增強，逐漸占據主導地位。因此，后期OGDC-13 瀝青混合料的抗滑性能強于AC-13 瀝青混合料的。

對于經過浸泡處理的試件，由于瀝青膜在加載過程中剝落，經歷了前期（加載前2 萬次）短暫的循環作用后（進一步促使瀝青膜剝落），AC-13 瀝青混合料的擺值逐漸低于OGFC-13瀝青混合料的。這一變化規律及其原因與未浸泡試件的抗滑性能的分析相同。

5 酸腐蝕對瀝青混合料抗滑性能的衰變效應

5.1 酸濃度的影響

引入擺值損失率和變化率作為瀝青混合料抗滑性能階段性衰減評價指標［22-24］，分別計算試件在各階段的擺值損失率和變化率，結果如圖6 所示。從圖6（a）可以看出，隨著酸濃度增加，擺值損失率呈增大趨勢，路面抗滑性能下降更為明顯。其中，OGFC-13 瀝青混合料的擺值損失率遠小于AC-13瀝青混合料的。從圖6（b）可以看出，擺值的衰減主要集中在快速衰減階段，在穩定期變化很小。隨著酸濃度增加，混合料擺值在前期衰減速率加快。整體上，OGFC-13 瀝青混合料的擺值衰減速率低于AC-13 瀝青混合料的。因此，與AC-13 瀝青混合料相比，OGFC-13 瀝青混合料具有更好的抗滑耐久性能，酸腐蝕對其抗滑性能的衰變效應相對較弱。

圖6 不同酸濃度下擺值損失率及變化率Fig. 6 Loss rate and change rate of swing value at different acid concentrations

采用指數模型Y=AeBx+C來分析抗滑指標與荷載作用次數之間的關系［25-28］。Y為抗滑指標（擺值或構造深度）；x為荷載作用次數。當加載次數趨近于0 時，A+C可以代表混合料的抗滑初始值，而當加載次數趨近于無窮大時，C表示混合料在穩定階段的抗滑性能指標，B表示混合料抗滑性能的衰減速率，A表示混合料抗滑性能的衰減幅度。擺值擬合結果見表3。

表3 不同酸濃度下擺值指數模型擬合結果Table 3 Fitting results of pendulum index model under different acid concentrations

根據表6 中C與瀝青混合料實測擺值的對比，可以得出以下結論：在pH 值為2、4、7 和未浸泡條件下，AC-13 瀝青混合料進入穩定階段所需的荷載作用次數，分別為30、40、50、50 萬次。而對于OGFC-13 瀝青混合料，在相同的pH 值和未浸泡條件下，進入穩定階段所需的荷載作用次數，分別為40、50、60、60 萬次。隨著酸濃度的增加，混合料進入穩定階段的加載次數有所減少，這對路面的抗滑耐久性是不利的。值得注意的是，OGFC-13 瀝青混合料在腐蝕后，其抗滑耐久性優于AC-13 瀝青混合料的。

使用激光斷面儀對試件進行測量，得到與行車方向垂直的橫斷面，并計算加載2 萬次與40 萬次的斷面高程差以及加載40 萬次與70 萬次的斷面高程差，如圖7 所示。試件在加載2 萬次與40 萬次之間的斷面高程差較大，40萬次與70萬次之間的斷面高程差較小。這表明試件在40萬次加載之前，混合料的宏觀構造已經被壓密實。隨著酸濃度的增加，加載2萬次和40萬次之間的斷面高程差增大，而40萬次和70 萬次之間的斷面高程差減小。這表明40 萬次加載之前，酸濃度的增加會加速瀝青膜剝落，促使表面集料的進一步擠密平整，導致斷面高程差衰減增大，而在前期穩定后，酸濃度的增加反而導致后期難以繼續擠密，因此后期斷面高程差隨著酸濃度的增加會減小。通常情形下，OGFC-13 瀝青混合料的DMP值衰減率大于AC-13 瀝青混合料的，這與其空隙率較大有關。盡管如此，OGFC-13 瀝青混合料經酸腐蝕后，加載前、后的DMP值均遠大于AC-13瀝青混合料的，因此可以提供更好的抗滑耐久性能。

圖7 不同酸濃度下激光斷面高程差Fig. 7 Elevation difference of laser section under different acid concentration

5.2 酸浸泡周期的影響

不同浸泡周期下擺值損失率及變化率的結果如圖8所示。

圖8 不同浸泡周期下擺值損失率及變化率Fig. 8 Loss rate and change rate of pendulum value under different soaking cycles periods

從圖8可以看出，隨著浸泡周期的增加，擺值損失率呈明顯上升趨勢。與AC-13 瀝青混合料相比，OGFC-13 瀝青混合料的擺值損失率較低，表明酸環境對OGFC-13 瀝青混合料抗滑性能的影響相對較弱，OGFC-13 瀝青混合料具有更好的抗滑耐久性能。比較這兩種類型混合料在酸溶液中分別浸泡2個周期和4 個周期后的擺值損失率及擺值變化率時，它們之間的差異并不顯著。這表明在2 個周期的酸環境下，試件已經被腐蝕。因此，增加浸泡時間，并不會顯著改變抗滑性能的衰變速率和衰變程度。

根據表4 擺值指數模型的擬合結果，兩種混合料在不浸泡、浸泡2 個周期、浸泡4 個周期條件下進入穩定階段的荷載作用次數如下：對于AC-13 混合料，為50、40、40 萬次；對于OGFC-13 混合料，為60、60、40 萬次。隨著浸泡周期的增加，混合料進入抗滑穩定階段所需要的加載次數減少，這表明浸泡周期的增加會降低混合料的抗滑耐久性。

表4 不同浸泡周期下擺值指數模型擬合結果匯總Table 4 Summary of fitting results of pendulum index model under different soaking cycles periods

不同浸泡周期下的斷面高程差結果如圖9 所示。從圖9可以看出，浸泡2個周期的試件加載2萬次和40 萬次之間的斷面高程差是未浸泡的2 倍以上，浸泡2 個周期和4 個周期的斷面高程差并沒有明顯差別。在加載后期，斷面高程差變化不大。這是因為試件在浸泡2 個周期后已經被腐蝕，浸泡2個周期之后再增加浸泡時間對試件的腐蝕程度影響不大。

圖9 不同浸泡周期下激光斷面高程差Fig. 9 Elevation difference of laser section under different immersion periods

6 結論

1） 酸環境會對瀝青混合料產生腐蝕作用，導致瀝青膜脫落，從而進一步加劇酸雨對內部集料的腐蝕。

2） 在循環加載前期，未浸泡的瀝青混合料試件會存在瀝青膜去除、擺值上升的過程，然后與浸泡過的瀝青混合料試件一樣，抗滑性能會經歷快速衰減期、緩慢衰減期和穩定期這三個階段，其中抗滑性能的衰減主要集中在快速衰減階段。

3） 隨著酸濃度和浸泡周期的延長，會加速瀝青混合料抗滑性能的衰減，使其更早進入穩定階段，從而降低混合料的抗滑耐久性能。

4） 與AC-13 瀝青混合料相比，OGFC-13 瀝青混合料在瀝青膜剝落后具有良好的紋理構造，因而能提供更強的切削摩擦力，從而在酸環境下保證更好的抗滑耐久性能。