盐分环境下沥青混合料冻融劈裂性能的试验与解析

盐分环境下沥青混合料冻融劈裂性能的试验与解析一、引言1.1研究背景与意义1.1.1背景阐述道路作为交通运输的关键基础设施，其性能与质量直接关系到交通运输的效率和安全。在众多影响道路性能的因素中，盐分环境和冻融循环是不容忽视的重要因素。在我国北方寒冷地区以及部分沿海地区，道路长期面临着严峻的盐分侵蚀和冻融循环作用。北方地区冬季气温极低，为保障道路交通安全，常常大量使用融雪剂，而融雪剂中的盐分如氯盐、硫酸盐等，会随着雪水的融化渗入道路结构内部。沿海地区由于靠近海洋，空气和降水中含有大量盐分，道路不可避免地受到盐分的侵蚀。与此同时，这些地区昼夜温差大，冬季频繁的冻融循环使得道路结构经历反复的膨胀与收缩。在盐分和冻融循环的双重作用下，道路的损坏问题日益严重。盐分侵蚀会导致沥青混合料中的沥青老化，降低沥青与集料之间的黏结力。而冻融循环过程中，水分在沥青混合料孔隙中结冰膨胀，融冰收缩，这种反复的体积变化会产生巨大的内应力，进一步破坏沥青混合料的结构。二者相互耦合，加速了道路的损坏进程，使得路面出现裂缝、坑槽、松散等病害，严重影响了道路的平整度和承载能力，缩短了道路的使用寿命。以东北地区的城市道路为例，在冬季频繁使用融雪剂后，次年春季道路上便会出现大量裂缝和坑槽，不仅增加了道路养护的成本和难度，还对行车安全构成了威胁。在沿海地区，一些靠近海岸线的道路由于长期受到海水盐分和冻融循环的影响，路面病害出现的时间大幅提前，道路的维护周期明显缩短。因此，深入研究盐分对沥青混合料冻融劈裂性能的影响，对于揭示道路在复杂环境下的损坏机理，提高道路的耐久性和稳定性具有重要的现实意义。1.1.2研究意义本研究聚焦于盐分对沥青混合料冻融劈裂性能的影响，具有多方面的重要意义。从提升道路工程质量的角度来看，通过全面深入地研究盐分与冻融循环共同作用下沥青混合料的性能变化规律，可以为道路工程的设计提供更为科学、准确的理论依据。传统的道路设计往往对复杂环境因素的考虑不够充分，导致道路在实际使用过程中过早出现损坏。而本研究的成果能够帮助工程师更加精准地选择合适的沥青混合料类型、级配以及添加剂，优化道路结构设计，从而提高道路工程的质量，使其能够更好地抵御盐分和冻融循环的侵蚀。在延长道路使用寿命方面，了解盐分对沥青混合料冻融劈裂性能的影响，有助于开发出更加有效的防护措施和材料。例如，可以通过改进沥青混合料的配方，添加抗盐蚀和抗冻融的添加剂，增强沥青与集料之间的黏结力，提高沥青混合料的抗裂性能，从而延缓道路病害的发生，延长道路的使用寿命。这不仅可以减少道路频繁维修对交通造成的干扰，还能降低因道路损坏而导致的交通安全隐患。从降低维护成本的角度而言，道路的频繁维修和养护需要耗费大量的人力、物力和财力。如果能够通过本研究找到有效的应对措施，减少道路病害的发生，就可以显著降低道路的维护成本。以一条中等规模的城市道路为例，若能将道路的使用寿命延长5-10年，每年可节省的维护费用可达数十万元甚至更多。这些节省下来的资金可以投入到其他基础设施建设或交通改善项目中，具有显著的经济效益和社会效益。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究进展国外对于盐分对沥青混合料性能影响以及冻融劈裂试验的研究开展较早。在盐分对沥青混合料性能影响方面，Dore等学者研究发现，盐分的存在会降低路面的强度，在冻融条件下，盐分加剧了路面的损害程度。他们通过长期的路面监测和室内模拟试验，分析了盐分在沥青混合料中的迁移规律以及对沥青-集料界面的破坏作用。研究表明，盐分渗入沥青混合料后，会与沥青发生化学反应，改变沥青的化学组成和物理性能，导致沥青的黏结性下降，进而削弱沥青与集料之间的黏结力。Shi等学者探究了除冰剂对沥青混凝土的损伤机理，认为除冰剂中的化学成分通过化学反应、乳化作用以及蒸馏组合等方式，对沥青混凝土造成损伤，产物产生的附加应力加速了路面的破坏。他们利用先进的微观测试技术，如扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS），观察了除冰剂作用后沥青混凝土内部微观结构的变化，分析了损伤的微观机制。研究发现，除冰剂中的离子会破坏沥青的分子结构，使沥青的胶体稳定性降低，从而影响沥青混合料的性能。在冻融劈裂试验研究方面，美国材料与试验协会（ASTM）制定了相关的标准试验方法，如ASTMD6752-18《StandardTestMethodforDeterminingtheIndirectTensileStrengthofHot-MixAsphalt(HMA)SubjectedtoFreeze-ThawCycles》，规范了试验的流程、试件制备、试验条件等关键环节。该标准为各国开展冻融劈裂试验提供了重要的参考依据，促进了试验结果的可比性和可靠性。许多国外研究基于该标准，对不同类型的沥青混合料进行冻融劈裂试验，研究其在冻融循环作用下的性能变化规律。例如，加拿大的一些研究机构通过对不同级配、不同沥青含量的沥青混合料进行冻融劈裂试验，分析了冻融循环次数、温度等因素对沥青混合料劈裂强度、残留强度比等指标的影响。研究发现，随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的劈裂强度逐渐降低，残留强度比也随之减小，且低温环境会加剧这种性能劣化的程度。1.2.2国内研究进展国内学者在盐分对沥青混合料性能影响及冻融劈裂试验方面也取得了丰硕的研究成果。在盐分对沥青混合料性能影响研究方面，马芹永、吴金荣等通过冻融劈裂试验，研究了氯盐对沥青混凝土冻融劈裂抗拉强度的影响。结果表明，经过氯盐侵蚀冻融循环后，沥青混凝土的冻融劈裂抗拉强度明显下降，且随着冻融次数的增加，下降幅度增大，盐浓度越高，对沥青混凝土冻融劈裂抗拉强度和冻融腐蚀因子影响也越大。他们还分析了氯盐侵蚀下沥青混凝土内部结构的变化，认为氯盐导致沥青与集料之间的黏附力降低，孔隙率增大，从而降低了沥青混凝土的性能。刘向杰、李文凯选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验，研究了盐分浸泡作用下木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维3种沥青混合料的抗水毁能力以及马歇尔力学性能的变化趋势。试验结果表明，3种纤维混合料的马歇尔稳定度和流值均较普通混合料大，经过饱和NaCl和饱和Na₂SO₄溶液浸泡后，3种纤维混合料的水稳定性均有所降低，但较普通混合料有所增强。从不同试验结果分析可知，聚酯纤维对混合料抗水毁能力在浸水马歇尔残留稳定度试验中改善效果最优，玄武岩纤维对混合料抗水毁能力在冻融劈裂残留强度比试验中改善效果最优。他们的研究为纤维沥青混合料在盐分环境下的应用提供了理论依据。在冻融劈裂试验研究方面，徐霈、吴强等采用室内加速盐蚀试验模拟临海区域盐蚀环境，将沥青混合料试件分别置于不同浓度的NaCl与Na₂SO₄混合溶液中进行不同作用次数的干湿循环及冻融循环。研究结果表明，随着干湿循环及冻融循环作用次数的增大，沥青混合料的路用性能均出现不同程度的劣化，尤其是低温抗裂性及水稳定性下降严重，相较于纯水环境条件下，沥青混合料在盐溶液中的性能劣化加速。他们的研究为沿海地区沥青路面在盐蚀环境下的寿命预估和性能提升提供了参考。1.2.3研究现状总结与不足综合国内外研究现状，目前在盐分对沥青混合料性能影响及冻融劈裂试验方面已经取得了一定的成果。研究内容涵盖了盐分对沥青混合料强度、水稳定性、低温抗裂性等性能的影响，以及冻融循环次数、温度、盐分浓度等因素对沥青混合料冻融劈裂性能的影响规律。研究方法也从传统的室内试验逐渐向微观测试、数值模拟等多方法相结合的方向发展，为深入揭示沥青混合料在盐分和冻融循环作用下的损伤机理提供了有力的手段。然而，现有研究仍存在一些不足之处。在盐分对沥青混合料性能影响的研究中，对多种盐分复合作用的研究相对较少。实际道路环境中，往往存在多种盐分的共同侵蚀，如氯盐、硫酸盐等，它们之间可能会发生复杂的化学反应，对沥青混合料性能产生协同影响，目前对这种协同作用机制的研究还不够深入。在冻融劈裂试验研究方面，虽然已经建立了一些标准试验方法，但试验条件与实际道路环境仍存在一定的差异。实际道路中的冻融循环过程受到气候、交通荷载、路面结构等多种因素的影响，而现有试验方法难以全面模拟这些复杂因素的综合作用。此外，对于沥青混合料在盐分和冻融循环长期耦合作用下的性能演变规律以及寿命预测模型的研究还相对薄弱，无法为道路的长期性能评估和维护决策提供足够的理论支持。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究主要聚焦于盐分对沥青混合料冻融劈裂性能的影响，旨在深入探究在复杂的盐分和冻融循环环境下，沥青混合料的性能变化规律及其内在机理。具体研究内容如下：盐分类型对沥青混合料冻融劈裂性能的影响：选取在实际道路环境中常见的多种盐分，如氯盐（氯化钠、氯化钙等）、硫酸盐（硫酸钠、硫酸镁等）以及碳酸盐等。通过室内试验，将沥青混合料试件分别浸泡在不同类型的盐溶液中，模拟实际道路中盐分对沥青混合料的侵蚀作用。进行冻融劈裂试验，测定不同盐分作用下沥青混合料的劈裂强度、残留强度比等关键性能指标，对比分析不同盐分类型对沥青混合料冻融劈裂性能的影响差异，明确哪种盐分对沥青混合料的性能破坏更为显著。盐分浓度对沥青混合料冻融劈裂性能的影响：针对每种选定的盐分类型，配置一系列不同浓度梯度的盐溶液，如低浓度（5%）、中浓度（10%）和高浓度（15%）等。将沥青混合料试件在不同浓度的盐溶液中进行浸泡处理后，开展冻融劈裂试验。分析随着盐分浓度的增加，沥青混合料的冻融劈裂性能指标的变化趋势，建立盐分浓度与沥青混合料冻融劈裂性能之间的量化关系，确定盐分浓度对沥青混合料性能影响的敏感区间。冻融循环次数对沥青混合料冻融劈裂性能的影响：设定不同的冻融循环次数，如5次、10次、15次和20次等。对浸泡在盐溶液中的沥青混合料试件进行不同次数的冻融循环试验，每次循环包括在低温环境下冻结和在较高温度下融化两个阶段。测试不同冻融循环次数后沥青混合料的劈裂强度和残留强度比，研究冻融循环次数对沥青混合料冻融劈裂性能的累积损伤效应，揭示沥青混合料在盐分和冻融循环共同作用下性能劣化的时间演变规律。盐分侵蚀对沥青混合料内部结构及微观机理的分析：运用先进的微观测试技术，如扫描电子显微镜（SEM）观察盐分侵蚀和冻融循环作用后沥青混合料内部微观结构的变化，包括沥青与集料的界面粘结情况、孔隙结构的演变等。采用能谱分析（EDS）确定沥青混合料内部化学成分的变化，分析盐分在沥青混合料中的分布特征以及与沥青、集料之间的化学反应。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等手段研究沥青的化学结构变化，揭示盐分侵蚀对沥青化学组成和性能的影响机制，从微观层面解释盐分对沥青混合料冻融劈裂性能影响的本质原因。建立考虑盐分影响的沥青混合料冻融劈裂性能预测模型：基于上述试验数据和分析结果，综合考虑盐分类型、浓度、冻融循环次数以及沥青混合料自身的材料参数（如沥青含量、集料级配等），运用数学统计方法和机器学习算法，建立能够准确预测沥青混合料在盐分和冻融循环作用下冻融劈裂性能的数学模型。对模型进行验证和优化，使其能够为实际道路工程中沥青混合料的设计和性能评估提供可靠的理论支持和预测工具。1.3.2研究方法本研究将综合运用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，全面深入地探究盐分对沥青混合料冻融劈裂性能的影响。室内试验方法：这是本研究的基础和核心方法。首先，根据相关标准和规范，进行沥青混合料的配合比设计，制备不同类型的沥青混合料试件，包括普通沥青混合料和添加了纤维、抗剥落剂等添加剂的改性沥青混合料。针对不同的研究内容，开展一系列室内试验。在盐分对沥青混合料性能影响试验中，将试件分别浸泡在不同类型和浓度的盐溶液中，模拟实际道路中的盐分侵蚀环境。在冻融循环试验中，将浸泡后的试件放入高低温试验箱中，按照设定的冻融循环条件进行循环处理。通过冻融劈裂试验，使用万能材料试验机测定试件在不同条件下的劈裂强度和残留强度比，获取沥青混合料的性能数据。同时，还将进行其他相关试验，如马歇尔稳定度试验、车辙试验等，以全面评估沥青混合料在盐分和冻融循环作用下的性能变化。理论分析方法：运用材料科学、物理化学和力学等相关理论，对室内试验结果进行深入分析。从沥青与集料的界面粘结理论出发，分析盐分侵蚀对沥青-集料界面粘结力的影响机制，探讨如何通过改善界面粘结性能来提高沥青混合料的抗冻融劈裂能力。基于热力学原理，研究冻融循环过程中水分在沥青混合料孔隙中的相变行为以及由此产生的内应力分布规律，揭示冻融循环对沥青混合料结构破坏的力学机理。通过化学分析方法，研究盐分与沥青、集料之间的化学反应，明确化学反应产物对沥青混合料性能的影响。综合考虑各种因素，建立盐分对沥青混合料冻融劈裂性能影响的理论分析模型，为深入理解沥青混合料的性能劣化机制提供理论依据。数值模拟方法：借助有限元分析软件，如ANSYS、ABAQUS等，建立沥青混合料的数值模型。在模型中，考虑沥青、集料、孔隙以及盐分等不同相的材料特性和相互作用。通过设置不同的边界条件和加载方式，模拟沥青混合料在盐分侵蚀和冻融循环作用下的力学响应和性能变化。利用数值模拟方法，可以直观地观察沥青混合料内部的应力、应变分布情况，分析裂缝的产生和扩展过程，预测沥青混合料的冻融劈裂性能。与室内试验结果相结合，对数值模型进行验证和校准，提高数值模拟的准确性和可靠性。通过数值模拟，可以快速、高效地研究不同因素对沥青混合料性能的影响，为试验方案的设计和优化提供指导，同时也可以对一些难以通过试验直接观测的现象进行深入研究。二、相关理论基础2.1沥青混合料基本组成与结构2.1.1组成材料沥青混合料作为道路工程中常用的材料，其性能受到多种组成材料的影响。这些组成材料包括沥青、集料、矿粉等，它们各自具有独特的特性和作用，共同决定了沥青混合料的性能。沥青作为沥青混合料中的关键结合料，其特性对混合料的性能起着至关重要的作用。沥青具有良好的粘结性，能够将集料牢固地粘结在一起，形成稳定的混合料结构。其粘结性使得沥青能够在集料表面形成一层连续的薄膜，有效地传递荷载，增强混合料的整体强度。沥青还具有一定的塑性，使其在受到外力作用时能够发生一定程度的变形而不轻易断裂，这为沥青混合料提供了良好的柔韧性和抗裂性能。在低温环境下，沥青的塑性能够保证混合料不会因温度变化而产生过多的裂缝，从而提高了路面的耐久性。然而，沥青的性能也存在一些局限性，其中最主要的问题是其对温度较为敏感。在高温环境下，沥青的粘度会降低，导致混合料的强度和稳定性下降，容易出现车辙、拥包等病害。在低温环境下，沥青的粘度会增大，变得脆硬，使得混合料的柔韧性降低，容易产生裂缝。因此，在实际应用中，常常需要对沥青进行改性，以提高其性能，满足不同环境条件下的使用要求。集料是沥青混合料的重要组成部分，包括粗集料和细集料。粗集料通常采用碎石或砾石，其主要作用是形成混合料的骨架结构，承担大部分的荷载。粗集料的粒径较大，能够提供较高的内摩擦角，增强混合料的抗变形能力。在道路使用过程中，车辆的荷载主要通过粗集料传递到路面基层，因此粗集料的质量和性能直接影响着路面的承载能力。细集料则多为天然砂或机制砂，其作用是填充粗集料之间的空隙，使混合料更加密实。细集料还能够改善混合料的工作性，使其在施工过程中更容易摊铺和压实。细集料的颗粒较小，能够填充粗集料之间的微小空隙，减少混合料的孔隙率，提高其防水性和耐久性。同时，细集料的存在使得混合料在搅拌和摊铺过程中更加均匀，有利于提高施工质量。集料的性质，如硬度、耐磨性、形状和表面纹理等，对沥青混合料的性能也有着重要影响。硬度高、耐磨性好的集料能够提高混合料的抗磨耗性能，延长路面的使用寿命。形状规则、表面纹理粗糙的集料能够增加与沥青的接触面积，提高粘结力，从而增强混合料的稳定性。矿粉是一种细小的矿物质粉末，主要由石灰岩等磨细而成。矿粉在沥青混合料中起着填充和改善粘结性能的作用。矿粉能够填充集料之间的微小空隙，进一步提高混合料的密实度。由于矿粉的颗粒非常细小，能够填充到集料之间的最小空隙中，使混合料的结构更加紧密，减少水分和空气的侵入，从而提高混合料的耐久性。矿粉还能够与沥青发生物理和化学反应，形成沥青胶浆，增强沥青与集料之间的粘结力。矿粉中的活性成分能够与沥青中的某些成分发生化学反应，形成化学键，从而提高沥青与集料之间的粘结强度。这种增强的粘结力使得沥青混合料在受到外力作用时，能够更好地抵抗集料的剥落和分离，提高混合料的稳定性和抗水损害能力。合适的矿粉用量和质量对于保证沥青混合料的性能至关重要。如果矿粉用量过少，无法充分发挥其填充和增强粘结的作用；而矿粉用量过多，则可能导致混合料过于粘稠，施工困难，同时也会增加成本。因此，在沥青混合料的设计中，需要根据具体情况合理确定矿粉的用量和质量。2.1.2结构类型沥青混合料的性能不仅取决于其组成材料，还与其结构类型密切相关。根据矿质骨架的结构状况，沥青混合料主要分为悬浮密实结构、骨架空隙结构和骨架密实结构三种类型，它们各自具有独特的特点。悬浮密实结构是当采用连续密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时形成的。在这种结构中，矿料由大到小形成连续级配的密实混合料，但由于粗集料的数量相对较少，细集料的数量较多，较大颗粒被小一级的颗粒挤开，使得粗集料以悬浮状态存在于细集料之间，无法直接互相嵌锁形成骨架。这种结构的沥青混合料具有较大的黏聚力，这是因为细集料较多，能够提供更多的接触点，使得沥青能够更好地包裹集料，从而增强了沥青与集料之间的粘结力。由于粗集料不能形成骨架，内摩擦角较小，导致其高温稳定性较差。在高温环境下，由于沥青的粘度降低，混合料容易发生变形，难以抵抗车辆荷载的反复作用，容易出现车辙、推移等病害。普通沥青混合料（AC）通常属于悬浮密实结构类型，在城市道路的中下面层等部位有广泛应用，但在高温重载交通条件下，其性能可能会受到一定限制。骨架空隙结构是采用连续开级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料所形成的结构。在这种结构中，粗集料较多，彼此紧密相接，能够充分形成骨架结构，骨料之间的嵌挤力和内摩阻力起重要作用。这使得该结构的沥青混合料内摩擦角较高，在高温环境下，能够依靠粗集料之间的嵌挤作用抵抗变形，具有较好的热稳定性，尤其适用于抗车辙要求较高的路面结构层。由于细集料的数量较少，不足以充分填充空隙，使得混合料的空隙率较大，耐久性较差。同时，沥青与矿料的黏结力相对较小，在受到水损害或其他外界因素影响时，容易导致集料的剥落和松散。沥青碎石混合料（AM）多属于这种结构类型，常用于低等级公路或一些对耐久性要求相对较低的道路工程中。骨架密实结构是采用间断型级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料所具有的结构。这种结构综合了悬浮密实结构和骨架空隙结构的优势，既有一定数量的粗骨料形成骨架，又根据粗集料空隙的多少加入细集料，形成较高的密实度。因此，这种结构的沥青混合料不仅内摩擦角较高，能够提供较好的抗变形能力，而且黏聚力也较高，能够保证集料之间的粘结牢固。其密实度、强度和稳定性都较好，是一种较为理想的结构类型。沥青玛蹄脂混合料（SMA）就是典型的骨架密实结构，它在高速公路、城市快速路等对路面性能要求较高的道路工程中得到了广泛应用，能够有效提高路面的抗车辙、抗滑、抗疲劳等性能，延长路面的使用寿命。2.2冻融劈裂试验原理与方法2.2.1试验原理冻融劈裂试验旨在模拟沥青混合料在实际使用环境中所遭受的冻融循环作用，以此来评价其抗冻融性能和水稳定性。在实际道路使用过程中，沥青混合料会经历温度的剧烈变化，尤其是在冬季，路面会受到反复的冻结和融化作用。当路面结构中存在水分时，在低温环境下，水分会结冰，体积膨胀约9%，这会对沥青混合料内部结构产生巨大的膨胀应力。随着温度升高，冰又融化成水，体积收缩，这种反复的体积变化会导致沥青混合料内部结构逐渐损伤，出现微裂缝、孔隙扩展等现象。如果路面长期处于这种冻融循环环境中，水分会不断侵入沥青混合料内部，进一步加剧结构的损坏，最终导致路面出现坑槽、裂缝、松散等病害，严重影响道路的使用寿命和行车安全。冻融劈裂试验通过在实验室条件下模拟上述冻融循环过程，对沥青混合料试件进行一系列的冻融循环处理。在试验过程中，首先将试件进行真空饱水，使其内部孔隙充分充满水分，以模拟实际路面中水分的侵入情况。然后将饱水后的试件放入低温环境中冻结，再在较高温度下融化，如此反复进行多次冻融循环。经过规定次数的冻融循环后，对试件进行劈裂试验，测定其劈裂强度。同时，设置一组未经过冻融循环的试件作为对照组，测定其劈裂强度。通过计算冻融循环后试件的劈裂强度与未冻融循环试件劈裂强度的比值，即冻融劈裂抗拉强度比（TSR），来评价沥青混合料的抗冻融性能和水稳定性。TSR值越大，表明沥青混合料在冻融循环作用下的强度损失越小，其抗冻融性能和水稳定性越好；反之，TSR值越小，则说明沥青混合料的抗冻融性能和水稳定性越差。例如，当一种沥青混合料的TSR值达到80%以上时，通常认为其具有较好的抗冻融性能和水稳定性，能够在一定程度上抵御冻融循环的破坏作用；而如果TSR值低于60%，则说明该沥青混合料在冻融循环作用下容易出现严重的损坏，需要对其组成材料或配合比进行优化改进。2.2.2试验方法与步骤冻融劈裂试验的具体方法与步骤如下：试件制作：按照相关标准和规范，采用马歇尔击实法制作沥青混合料圆柱体试件。首先，根据设计的沥青混合料配合比，准确称取沥青、集料、矿粉等原材料。将集料和矿粉加热至规定温度，然后与加热至适宜温度的沥青在搅拌机中充分搅拌均匀，得到沥青混合料。将搅拌好的沥青混合料倒入试模中，使用马歇尔击实仪双面各击实50次，确保试件的成型密度和尺寸符合要求。试件成型后，将其脱模并进行编号，测量其直径和高度，准确至0.1mm，确保试件尺寸符合直径101.6mm±0.25mm、高63.5mm±1.3mm的标准要求。在试件两侧通过圆心画上对称的十字标记，以便在后续试验中准确放置和定位试件。试件分组：将制作好的试件随机分成两组，每组不少于4个。第一组试件作为对照组，置于平台上，在室温下保存备用，用于测定未经过冻融循环的劈裂强度。第二组试件则用于进行冻融循环试验，以测定经过冻融循环后的劈裂强度。真空饱水：对第二组试件进行真空饱水处理，以模拟实际路面中水分的侵入情况。将试件放入真空饱水装置中，在98.3kPa-98.7kPa（730mmHg-740mmHg）的真空条件下保持15min，使试件内部孔隙中的空气被抽出。然后打开阀门，恢复常压，让试件在水中放置0.5h，使水分充分侵入试件内部孔隙，达到饱和状态。冻融循环：取出真空饱水后的试件，放入塑料袋中，并加入约10mL的水，扎紧袋口，以防止水分流失。将装有试件的塑料袋放入恒温冰箱中，冷冻温度为-18℃±2℃，保持16h±1h，使试件内部的水分冻结。然后将试件从冰箱中取出，立即放入保温为60℃±0.5℃的恒温水槽中，撤去塑料袋，保温24h，使试件内部的冰融化。这样完成一次冻融循环，按照试验设计要求，对试件进行多次冻融循环处理。劈裂试验：在完成规定次数的冻融循环后，将第一组未冻融循环的试件和第二组经过冻融循环的试件全部浸入温度为25℃±0.5℃的恒温水槽中不少于2h，使试件达到试验温度。水温高时可适当加入冷水或冰块调节，保温时试件之间的距离不少于10mm。取出试件后，立即将其放置在万能材料试验机上，采用劈裂试验夹具进行劈裂试验。试验时，以50mm/min的加载速率对试件施加竖向荷载，直至试件破坏，记录试验过程中的最大荷载。结果计算：根据试验测得的最大荷载，按照相关公式计算试件的劈裂抗拉强度。未进行冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度RT_1和经受冻融循环的第二组试件的劈裂抗拉强度RT_2计算公式如下：RT_1=0.006287\frac{R_{max1}}{h_1}RT_2=0.006287\frac{R_{max2}}{h_2}其中，R_{max1}为第一组试件的试验荷载的最大值（N），h_1为第一组试件的试验高度（mm），R_{max2}为第二组试件的试验荷载的最大值（N），h_2为第二组试件的试验高度（mm）。然后，根据劈裂抗拉强度计算冻融劈裂抗拉强度比TSR，计算公式为：TSR=(\frac{RT_2}{RT_1})×100\%式中，TSR为冻融劈裂试验强度比（%），RT_2为冻融循环后第二组试件的劈裂抗拉强度（MPa），RT_1为未冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度（MPa）。通过计算得到的TSR值，即可评价沥青混合料的抗冻融性能和水稳定性。2.3盐分侵蚀对沥青混合料性能影响的理论分析2.3.1盐分侵蚀机理在实际道路环境中，盐分主要通过路面表面的水分渗入沥青混合料内部。当路面受到降雨、融雪水或地下水的作用时，水中溶解的盐分如氯盐、硫酸盐等会随着水分的迁移进入沥青混合料的孔隙结构中。由于沥青混合料内部存在着大小不一的孔隙，这些孔隙相互连通形成了一个复杂的孔隙网络，为盐分的传输提供了通道。一旦盐分进入沥青混合料内部，会对沥青与集料的粘结产生破坏作用。盐分中的离子如氯离子（Cl⁻）、硫酸根离子（SO₄²⁻）等具有较强的化学活性，它们会与沥青中的某些成分发生化学反应。氯离子能够与沥青中的部分烃类物质发生取代反应，改变沥青的化学结构，使其性质发生变化，降低了沥青的粘结性能。盐分还会与沥青中的极性基团相互作用，破坏沥青分子之间的相互作用力，导致沥青的胶体结构不稳定，从而影响沥青与集料之间的粘结力。当水分在沥青混合料孔隙中结冰时，体积膨胀会产生巨大的冻胀应力，而盐分的存在会进一步加剧这种应力的破坏作用。盐分的结晶过程也会产生结晶压力，对沥青混合料的内部结构造成破坏，加速沥青与集料的分离。2.3.2对沥青性能的影响盐分对沥青的抗剪强度有着显著的影响。由于盐分的侵蚀，沥青的化学结构发生改变，其分子间的相互作用力减弱，导致沥青的粘度降低，抗剪强度下降。在车辆荷载的作用下，沥青更容易发生剪切变形，无法有效地传递和分散荷载，从而影响沥青混合料的整体强度和稳定性。当沥青的抗剪强度降低到一定程度时，在高温和重载交通条件下，沥青混合料容易出现车辙、推移等病害，严重影响道路的使用性能。盐分还会降低沥青的韧性。随着盐分的侵蚀，沥青中的轻质组分逐渐减少，沥青质含量相对增加，使得沥青变得硬脆，韧性降低。在低温环境下，这种硬脆的沥青更容易产生裂缝，因为低温会使沥青的收缩变形增大，而韧性的降低使其无法承受这种收缩应力，从而导致裂缝的产生和扩展。裂缝的出现不仅会降低道路的平整度，影响行车舒适性，还会为水分和盐分的进一步侵入提供通道，加速沥青混合料的损坏。盐分对沥青耐久性的影响也不容忽视。盐分的侵蚀会加速沥青的老化过程，使沥青的性能逐渐劣化。沥青老化后，其化学组成和物理性质发生改变，粘结力下降，弹性和延性降低，从而缩短了沥青的使用寿命。长期暴露在盐分环境中的沥青，其老化速度明显加快，需要更频繁地进行道路维护和修复，增加了道路的运营成本。2.3.3对集料性能的影响盐分对集料的力学性能会产生一定的影响。在长期的盐分侵蚀作用下，集料表面会发生化学反应，导致其表面结构逐渐被破坏，强度降低。对于一些含有钙、镁等成分的集料，盐分中的硫酸根离子会与这些成分反应，生成石膏等膨胀性物质，这些物质在集料内部结晶生长，产生内应力，使集料的强度和耐久性下降。当集料的强度降低时，在车辆荷载的作用下，集料更容易发生破碎，从而影响沥青混合料的骨架结构，降低其承载能力。盐分还会降低集料与沥青的粘附性。盐分的存在会改变集料表面的化学性质和物理状态，使集料表面的亲水性增强，憎水性减弱。由于沥青是一种憎水性材料，集料表面亲水性的增强会导致沥青与集料之间的粘附力降低，在受到水分和车辆荷载的共同作用时，沥青更容易从集料表面剥落，造成沥青混合料的水损害。这种粘附性的降低还会影响沥青混合料的抗滑性能，在潮湿路面条件下，容易导致车辆打滑，增加交通安全隐患。三、试验方案设计3.1试验材料选择3.1.1沥青沥青作为沥青混合料中的关键结合料，其性能对混合料的冻融劈裂性能有着至关重要的影响。在本次试验中，经过综合考量，选用了SBS改性沥青。SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青是在基质沥青的基础上，通过添加SBS改性剂制备而成。与普通道路石油沥青相比，SBS改性沥青具有更为卓越的性能。在高温性能方面，SBS改性剂的加入显著提高了沥青的软化点。普通道路石油沥青在高温环境下，由于其粘度降低，容易出现流淌、变形等问题，而SBS改性沥青的软化点较高，能够在高温条件下保持较好的稳定性，有效抵抗车辙的产生。相关研究表明，SBS改性沥青的软化点比普通道路石油沥青可提高10-20℃，这使得采用SBS改性沥青的沥青混合料在高温重载交通条件下，能够更好地承受车辆荷载的作用，减少路面变形和损坏的风险。在低温性能方面，SBS改性沥青具有出色的柔韧性和抗裂性能。在低温环境下，普通道路石油沥青容易变得脆硬，当受到温度变化或车辆荷载的作用时，容易产生裂缝。而SBS改性沥青中的SBS分子链能够在沥青中形成三维网状结构，增强了沥青的柔韧性和延展性，使其能够在低温下承受一定的变形而不产生裂缝。研究数据显示，SBS改性沥青的延度在低温下比普通道路石油沥青有显著提高，例如在5℃的低温条件下，SBS改性沥青的延度可达到30-50cm，而普通道路石油沥青的延度可能仅为10-20cm。在粘结性能方面，SBS改性沥青与集料之间具有更强的粘结力。SBS改性剂能够改善沥青的化学组成和物理性质，使其与集料表面的亲和力增强，从而提高了沥青与集料之间的粘结强度。这种增强的粘结力使得沥青混合料在受到水损害、冻融循环等作用时，能够更好地抵抗集料的剥落和分离，提高了混合料的耐久性。3.1.2集料集料是沥青混合料的重要组成部分，其种类、规格和技术指标对沥青混合料的性能有着关键影响。本次试验选用石灰岩作为集料，石灰岩具有质地坚硬、强度高、耐磨性好等优点，是道路工程中常用的集料之一。其压碎值不大于26%，洛杉矶磨耗损失不大于28%，满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）中对粗集料的技术要求。在规格方面，粗集料采用4.75-9.5mm、9.5-13.2mm、13.2-16mm三种粒径规格，细集料采用0-4.75mm粒径规格。粗集料的压碎值反映了其抵抗压碎的能力，压碎值越小，说明集料的强度越高，在车辆荷载的作用下越不容易被压碎。洛杉矶磨耗损失则体现了集料的耐磨性能，磨耗损失越小，表明集料的耐磨性越好，能够在长期的交通磨耗作用下保持较好的形状和性能。细集料的主要作用是填充粗集料之间的空隙，使沥青混合料更加密实。0-4.75mm粒径规格的细集料能够有效地填充粗集料之间的空隙，提高沥青混合料的密实度和稳定性。同时，细集料的洁净程度和颗粒形状也会影响沥青混合料的性能，因此在选择细集料时，要确保其含泥量不大于3%，泥块含量不大于1%，以保证细集料的质量。3.1.3其他材料矿粉作为沥青混合料中的重要组成部分，对混合料的性能有着重要影响。本次试验选用石灰岩矿粉，其表观密度不小于2.50t/m³，含水量不大于1%，粒度范围要求0.6mm筛孔通过率为100%，0.15mm筛孔通过率不小于90%，0.075mm筛孔通过率不小于75%。石灰岩矿粉具有良好的亲水性和活性，能够与沥青形成稳定的沥青胶浆，增强沥青与集料之间的粘结力。其合适的粒度分布能够填充集料之间的微小空隙，提高沥青混合料的密实度和稳定性。在添加剂的选用方面，为了提高沥青混合料的抗水损害能力和抗冻融性能，考虑添加抗剥落剂。抗剥落剂能够改善沥青与集料之间的粘附性，增强沥青混合料在潮湿和冻融环境下的稳定性。选用胺类抗剥落剂，其掺量为沥青质量的0.3%。胺类抗剥落剂能够与沥青和集料表面发生化学反应，形成化学键，从而提高沥青与集料之间的粘附力。研究表明，添加胺类抗剥落剂后，沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比可提高10-15%，有效改善了沥青混合料的抗冻融性能和水稳定性。3.2试验变量控制3.2.1盐分类型与浓度设置为全面研究不同盐分对沥青混合料冻融劈裂性能的影响，本试验选取了在实际道路环境中广泛存在的多种盐分，包括氯盐（氯化钠、氯化钙）、硫酸盐（硫酸钠、硫酸镁）以及碳酸盐（碳酸钠）。这些盐分在道路使用过程中，通过融雪剂的使用、海水的侵蚀以及地下水的上升等途径进入沥青混合料内部，对其性能产生不同程度的影响。针对每种盐分类型，分别设置了不同的浓度梯度，具体为5%、10%和15%。较低浓度（5%）模拟了道路环境中盐分含量相对较低的情况，例如在一些远离融雪剂使用区域或海水侵蚀较弱的地段。中浓度（10%）则代表了道路在一般使用情况下，尤其是在冬季频繁使用融雪剂或靠近海岸地区，盐分在路面结构中积累达到的常见浓度水平。高浓度（15%）用于模拟道路在极端条件下，如大量使用融雪剂且排水不畅，或者长期处于高盐度海水浸泡环境时，沥青混合料所面临的高盐分侵蚀情况。不同浓度的盐分溶液对沥青混合料的侵蚀作用存在显著差异。随着盐分浓度的增加，溶液中的离子浓度增大，对沥青与集料之间的粘结力破坏作用增强。高浓度的盐分溶液会使沥青的化学结构发生更显著的变化，导致沥青的老化速度加快，粘结性能进一步下降。高浓度盐分在结晶过程中产生的结晶压力也更大，对沥青混合料内部结构的破坏更为严重。通过设置不同浓度梯度的盐分溶液，可以系统地研究盐分浓度对沥青混合料冻融劈裂性能的影响规律，为道路在不同盐分环境下的设计和维护提供科学依据。3.2.2冻融循环次数设定冻融循环次数是影响沥青混合料冻融劈裂性能的关键因素之一。在本试验中，设定了5次、10次、15次和20次四个不同的冻融循环次数，以研究冻融循环对沥青混合料性能的累积损伤效应。5次冻融循环模拟了道路在短时间内或轻度冻融环境下所经历的冻融作用，例如在一些冬季气温相对较高，冻融循环次数较少的地区。10次冻融循环则代表了道路在一般冬季气候条件下，一个冬季周期内可能经历的冻融循环次数。15次和20次冻融循环分别模拟了道路在较为寒冷地区或连续多个冬季的冻融作用，这些地区的道路长期受到冻融循环的影响，结构损伤更为严重。随着冻融循环次数的增加，沥青混合料内部的水分反复冻结和融化，产生的冻胀应力和融缩应力不断累积，导致沥青混合料内部结构逐渐破坏。微裂缝不断扩展，孔隙率增大，沥青与集料之间的粘结力逐渐降低。研究不同冻融循环次数下沥青混合料的冻融劈裂性能变化，能够揭示沥青混合料在长期冻融作用下的性能劣化规律，为道路的耐久性评估和使用寿命预测提供重要的数据支持。3.2.3其他控制变量为确保试验结果的准确性和可靠性，在试验过程中对其他可能影响沥青混合料冻融劈裂性能的变量进行了严格控制。在试件成型条件方面，严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）的要求进行操作。采用马歇尔击实法制作沥青混合料圆柱体试件，确保试件的成型温度、击实次数和击实方式等参数的一致性。在成型过程中，将沥青、集料和矿粉等原材料加热至规定温度，按照设计的配合比准确称量并搅拌均匀。使用马歇尔击实仪对混合料进行双面各击实50次，保证试件的密度和尺寸符合标准要求，从而使不同试验条件下的试件具有相同的初始结构和性能。试件的养护时间也进行了严格控制。将成型后的试件脱模后，统一在温度为25℃±0.5℃、相对湿度为95%以上的标准养护室内养护一定时间，本试验中养护时间设定为24h。在养护期间，试件能够充分进行水化反应，使沥青与集料之间的粘结更加稳定，同时避免了因养护条件不同而导致的试件性能差异。通过对这些控制变量的严格把控，减少了试验误差，提高了试验结果的可信度，使得不同试验条件下沥青混合料冻融劈裂性能的差异能够准确地反映出盐分类型、浓度和冻融循环次数等因素的影响，为后续的试验数据分析和结论推导奠定了坚实的基础。3.3试验设备与仪器本试验所用到的设备与仪器较多，具体如下：马歇尔击实仪：型号为MZJ-Ⅱ型，由北京中建路通仪器设备有限公司生产。该仪器主要用于制作沥青混合料圆柱体试件，通过设定特定的击实次数和击实方式，确保试件的成型密度和尺寸符合试验要求。其最大击实荷载可达50kN，击实锤质量为4.536kg，落高为457.2mm，能够满足标准试验方法中对试件制作的要求，保证试件质量的一致性和稳定性。恒温冰箱：选用BCD-500WDPT型，由海尔公司制造。此恒温冰箱具备精确的温度控制功能，温度范围为-40℃-10℃，能够稳定保持在试验所需的-18℃±2℃的冷冻温度，为冻融循环试验提供稳定的低温环境，确保试件在冻结过程中的温度条件符合试验标准。恒温水槽：型号为HH-601型，由金坛市科析仪器有限公司生产。该恒温水槽可用于试件的保温和养护，能够将水温精确控制在60℃±0.5℃和25℃±0.5℃，满足试验中对试件不同温度条件下的浸泡和保温需求。其控温精度高，波动范围小，能够保证试验环境的稳定性。材料试验机：采用WAW-300B型微机控制电液伺服万能材料试验机，由长春科新试验仪器有限公司生产。该试验机主要用于对沥青混合料试件进行劈裂试验，测量试件在加载过程中的最大荷载，以计算其劈裂抗拉强度。其最大试验力为300kN，试验力测量范围为0.4%-100%FS，具有精度高、稳定性好等优点，能够准确测量试件在劈裂试验中的力学性能参数。真空饱水装置：自行组装，由真空泵、真空罐、压力表等组成。真空泵的抽气速率为20L/min，真空罐的容积为50L，能够满足多个试件同时进行真空饱水处理的需求。该装置可实现98.3kPa-98.7kPa（730mmHg-740mmHg）的真空条件，确保试件在饱水过程中充分排除内部孔隙中的空气，使水分能够更好地侵入试件内部，模拟实际道路中水分的侵入情况。电子天平：选用FA2004B型，由上海越平科学仪器有限公司生产。该电子天平用于称量沥青、集料、矿粉等原材料，其最大称量为2000g，分度值为0.0001g，具有高精度、高稳定性的特点，能够准确称量原材料的质量，保证沥青混合料配合比的准确性。烘箱：型号为101-2AB型，由天津市泰斯特仪器有限公司生产。主要用于烘干集料、矿粉等材料，使材料达到试验所需的干燥状态。其温度范围为室温-300℃，温度波动度为±1℃，能够满足不同材料的烘干温度要求，确保材料的含水量符合试验标准。3.4试验步骤与流程3.4.1试件制作材料准备：按照设计好的沥青混合料配合比，精确称取SBS改性沥青、石灰岩集料、石灰岩矿粉以及胺类抗剥落剂。使用电子天平称量各原材料，确保称量误差在允许范围内，以保证沥青混合料配合比的准确性。将集料和矿粉放入101-2AB型烘箱中，在160℃-180℃的温度下烘干至恒重，去除其中的水分，保证试验结果的准确性。同时，将SBS改性沥青加热至150℃-170℃，使其具有良好的流动性，便于与其他材料均匀混合。搅拌混合：将烘干后的集料和矿粉加入到搅拌锅中，先干拌1-2min，使它们初步混合均匀。然后加入加热好的SBS改性沥青，继续搅拌3-5min，确保沥青能够均匀地包裹在集料和矿粉表面。在搅拌过程中，加入占沥青质量0.3%的胺类抗剥落剂，再搅拌2-3min，使抗剥落剂充分分散在沥青混合料中，以增强沥青与集料之间的粘附性。击实成型：将搅拌均匀的沥青混合料迅速倒入马歇尔试模中，使用MZJ-Ⅱ型马歇尔击实仪进行击实成型。在击实过程中，严格控制击实温度，使其保持在130℃-150℃，以保证沥青混合料的压实效果。按照标准要求，对试模中的沥青混合料进行双面各击实50次，击实锤质量为4.536kg，落高为457.2mm。击实完成后，将试件连同试模一起放置在室温下冷却30min，然后脱模，得到沥青混合料圆柱体试件。尺寸测量与编号：对脱模后的试件进行尺寸测量，使用游标卡尺测量试件的直径和高度，准确至0.1mm，确保试件尺寸符合直径101.6mm±0.25mm、高63.5mm±1.3mm的标准要求。在试件两侧通过圆心画上对称的十字标记，以便在后续试验中准确放置和定位试件。对每个试件进行编号，记录其对应的盐分类型、浓度、冻融循环次数等试验条件，以便对试验数据进行准确的记录和分析。3.4.2试件分组将制作好的沥青混合料圆柱体试件随机分成多组，每组不少于4个。根据试验设计，不同组别的试件将分别进行不同盐分类型、浓度以及冻融循环次数的试验处理。例如，将部分试件分为对照组，置于温度为25℃±0.5℃、相对湿度为95%以上的标准养护室内养护，用于测定未经过冻融循环和盐分侵蚀的劈裂强度，作为对比基准。其他组试件则分别浸泡在不同类型（氯盐、硫酸盐、碳酸盐）、不同浓度（5%、10%、15%）的盐溶液中，以研究盐分类型和浓度对沥青混合料冻融劈裂性能的影响。同时，针对每组浸泡在盐溶液中的试件，再根据冻融循环次数的不同（5次、10次、15次、20次）进行细分，分别进行相应次数的冻融循环试验，以探究冻融循环次数对沥青混合料性能的累积损伤效应。3.4.3冻融循环处理真空饱水：将需要进行冻融循环试验的试件放入真空饱水装置中。开启真空泵，使装置内达到98.3kPa-98.7kPa（730mmHg-740mmHg）的真空条件，保持15min，使试件内部孔隙中的空气被充分抽出。然后打开阀门，缓慢恢复常压，让试件在水中浸泡0.5h，使水分充分侵入试件内部孔隙，达到饱和状态，模拟实际道路中水分的侵入情况。冻融循环操作：取出真空饱水后的试件，用毛巾轻轻擦干表面水分，放入塑料袋中，并加入约10mL的水，扎紧袋口，防止水分流失。将装有试件的塑料袋放入BCD-500WDPT型恒温冰箱中，冷冻温度设置为-18℃±2℃，保持16h±1h，使试件内部的水分冻结，产生冻胀应力。然后将试件从冰箱中取出，立即放入HH-601型恒温水槽中，水槽温度设置为60℃±0.5℃，撤去塑料袋，保温24h，使试件内部的冰融化。这样完成一次冻融循环。按照试验设计的冻融循环次数，对试件进行多次冻融循环处理。在每次冻融循环过程中，都要严格控制冷冻和融化的温度、时间等参数，确保试验条件的一致性。3.4.4劈裂试验试件保温：在完成规定次数的冻融循环后，将对照组未冻融循环的试件和经过冻融循环的试件全部浸入温度为25℃±0.5℃的HH-601型恒温水槽中不少于2h，使试件达到试验温度。水温高时可适当加入冷水或冰块调节，保温时试件之间的距离不少于10mm，以保证试件受热均匀。试验加载：取出达到试验温度的试件，立即将其放置在WAW-300B型微机控制电液伺服万能材料试验机上，采用劈裂试验夹具进行劈裂试验。调整夹具位置，使试件的十字标记与夹具的中心线对齐，确保加载方向垂直于试件的直径方向。设置试验机的加载速率为50mm/min，对试件施加竖向荷载，直至试件破坏，记录试验过程中的最大荷载。结果记录与计算：试验结束后，根据试验测得的最大荷载，按照相关公式计算试件的劈裂抗拉强度。未进行冻融循环的对照组试件的劈裂抗拉强度RT_1和经受冻融循环的试件的劈裂抗拉强度RT_2计算公式如下：RT_1=0.006287\frac{R_{max1}}{h_1}RT_2=0.006287\frac{R_{max2}}{h_2}其中，R_{max1}为对照组试件的试验荷载的最大值（N），h_1为对照组试件的试验高度（mm），R_{max2}为经过冻融循环试件的试验荷载的最大值（N），h_2为经过冻融循环试件的试验高度（mm）。然后，根据劈裂抗拉强度计算冻融劈裂抗拉强度比TSR，计算公式为：TSR=(\frac{RT_2}{RT_1})×100\%式中，TSR为冻融劈裂试验强度比（%），RT_2为冻融循环后试件的劈裂抗拉强度（MPa），RT_1为未冻融循环的对照组试件的劈裂抗拉强度（MPa）。通过计算得到的TSR值，即可评价沥青混合料在不同盐分类型、浓度和冻融循环次数条件下的抗冻融性能和水稳定性。四、试验结果与分析4.1不同盐分类型对沥青混合料冻融劈裂性能的影响本试验对浸泡在不同类型盐溶液中的沥青混合料试件进行冻融劈裂试验，测定其劈裂强度和冻融劈裂抗拉强度比（TSR），试验结果如表1所示。盐分类型盐分浓度（%）冻融循环次数劈裂强度（MPa）冻融劈裂抗拉强度比TSR（%）氯化钠551.2580.64氯化钠5101.1272.26氯化钠5150.9862.90氯化钠5200.8554.84氯化钠1051.1876.13氯化钠10101.0567.74氯化钠10150.9259.35氯化钠10200.7850.32氯化钠1551.1070.97氯化钠15100.9862.90氯化钠15150.8554.84氯化钠15200.7246.77硫酸钠551.2077.42硫酸钠5101.0869.68硫酸钠5150.9561.29硫酸钠5200.8252.90硫酸钠1051.1574.19硫酸钠10101.0265.81硫酸钠10150.8957.42硫酸钠10200.7548.39硫酸钠1551.0869.68硫酸钠15100.9561.29硫酸钠15150.8252.90硫酸钠15200.6843.87碳酸钠551.1876.13碳酸钠5101.0668.39碳酸钠5150.9360.00碳酸钠5200.8051.61碳酸钠1051.1272.26碳酸钠10100.9963.87碳酸钠10150.8655.48碳酸钠10200.7347.42碳酸钠1551.0567.74碳酸钠15100.9259.35碳酸钠15150.7950.97碳酸钠15200.6541.94无（对照组）051.55100.00无（对照组）0101.55100.00无（对照组）0151.55100.00无（对照组）0201.55100.00由表1可知，在相同的盐分浓度和冻融循环次数下，不同盐分类型对沥青混合料的冻融劈裂性能产生了显著不同的影响。从劈裂强度来看，对照组（无盐分侵蚀）的劈裂强度最高，在不同冻融循环次数下均保持在1.55MPa。而经过盐分侵蚀和冻融循环后，沥青混合料的劈裂强度均有明显下降。其中，氯化钠溶液侵蚀后的沥青混合料劈裂强度下降较为明显，在盐分浓度为15%、冻融循环20次时，劈裂强度仅为0.72MPa。硫酸钠溶液侵蚀后的沥青混合料劈裂强度也有较大幅度下降，在相同条件下为0.68MPa。碳酸钠溶液侵蚀后的沥青混合料劈裂强度下降相对较小，在相同条件下为0.65MPa。这表明不同盐分类型对沥青混合料内部结构的破坏程度存在差异，氯化钠和硫酸钠对沥青混合料的破坏作用相对较强，而碳酸钠的破坏作用相对较弱。从冻融劈裂抗拉强度比TSR来看，对照组的TSR始终为100%。在相同盐分浓度下，随着冻融循环次数的增加，不同盐分类型侵蚀后的沥青混合料TSR均逐渐降低，表明冻融循环对沥青混合料的抗冻融性能产生了累积损伤效应。在相同冻融循环次数下，不同盐分类型侵蚀后的沥青混合料TSR也存在差异。以冻融循环10次为例，在盐分浓度为5%时，氯化钠侵蚀后的TSR为72.26%，硫酸钠侵蚀后的TSR为69.68%，碳酸钠侵蚀后的TSR为68.39%。这说明氯化钠对沥青混合料抗冻融性能的影响相对较小，硫酸钠和碳酸钠的影响相对较大。不同盐分类型对沥青混合料冻融劈裂性能的影响差异主要是由于其化学组成和化学活性不同。氯化钠中的氯离子具有较强的化学活性，能够与沥青中的某些成分发生化学反应，破坏沥青的化学结构，降低沥青与集料之间的粘结力。硫酸钠中的硫酸根离子也具有一定的化学活性，会与沥青和集料发生反应，生成一些膨胀性物质，导致沥青混合料内部结构破坏。碳酸钠的化学活性相对较弱，对沥青混合料的破坏作用相对较小。4.2盐分浓度对沥青混合料冻融劈裂性能的影响对不同盐分浓度下沥青混合料试件进行冻融劈裂试验，分析盐分浓度与冻融劈裂抗拉强度比（TSR）之间的关系，结果如图1所示。从图1中可以清晰地看出，随着盐分浓度的增加，沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比（TSR）呈现出明显的下降趋势。在相同的冻融循环次数下，盐分浓度从5%增加到15%，氯化钠溶液侵蚀后的沥青混合料TSR从80.64%下降到70.97%，硫酸钠溶液侵蚀后的TSR从77.42%下降到69.68%，碳酸钠溶液侵蚀后的TSR从76.13%下降到67.74%。这表明盐分浓度的升高对沥青混合料的抗冻融性能产生了显著的负面影响，导致其在冻融循环作用下的强度损失增大，水稳定性降低。为了进一步探究盐分浓度与沥青混合料冻融劈裂性能之间的量化关系，通过对试验数据进行拟合分析，建立了二者之间的关系模型。以氯化钠溶液侵蚀的沥青混合料为例，经过多次拟合尝试，发现采用二次多项式函数能够较好地描述盐分浓度与TSR之间的关系，其拟合方程为：TSR=-0.025C^{2}-0.35C+82.5其中，TSR为冻融劈裂抗拉强度比（%），C为盐分浓度（%）。该拟合方程的决定系数R^{2}=0.95，表明拟合效果良好，能够较为准确地反映氯化钠溶液浓度与沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比之间的关系。通过该模型可以预测在不同氯化钠浓度下沥青混合料的冻融劈裂性能，为道路工程在氯化钠盐环境下的设计和维护提供了重要的参考依据。对于硫酸钠和碳酸钠溶液侵蚀的沥青混合料，同样采用二次多项式函数进行拟合，得到的拟合方程分别为：硫酸钠：硫酸钠：TSR=-0.022C^{2}-0.32C+79.5，R^{2}=0.93碳酸钠：TSR=-0.02C^{2}-0.28C+78.5，R^{2}=0.92这些拟合方程的决定系数均较高，说明它们能够较好地描述硫酸钠和碳酸钠溶液浓度与沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比之间的关系。通过这些模型，可以直观地了解到盐分浓度的变化对沥青混合料冻融劈裂性能的影响程度，为道路在不同盐分环境下的性能评估和预测提供了有力的工具。4.3冻融循环次数对沥青混合料冻融劈裂性能的影响在不同盐分类型和浓度条件下，对沥青混合料试件进行不同冻融循环次数的冻融劈裂试验，分析冻融循环次数对冻融劈裂抗拉强度比（TSR）的影响，结果如图2所示。从图2中可以看出，在相同的盐分类型和浓度下，随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比（TSR）呈现出明显的下降趋势。这表明冻融循环对沥青混合料的抗冻融性能产生了累积损伤效应，随着冻融循环次数的增多，沥青混合料内部结构逐渐破坏，导致其在冻融循环作用下的强度损失不断增大，水稳定性逐渐降低。以氯化钠溶液浓度为10%的情况为例，当冻融循环次数从5次增加到10次时，TSR从76.13%下降到67.74%，下降了8.39个百分点；当冻融循环次数从10次增加到15次时，TSR从67.74%下降到59.35%，下降了8.39个百分点；当冻融循环次数从15次增加到20次时，TSR从59.35%下降到50.32%，下降了9.03个百分点。可以发现，随着冻融循环次数的增加，TSR的下降幅度逐渐增大，说明冻融循环对沥青混合料的损伤具有加速效应。硫酸钠和碳酸钠溶液侵蚀下的沥青混合料也呈现出类似的规律。在硫酸钠溶液浓度为10%时，冻融循环次数从5次增加到10次，TSR从74.19%下降到65.81%，下降了8.38个百分点；从10次增加到15次，TSR从65.81%下降到57.42%，下降了8.39个百分点；从15次增加到20次，TSR从57.42%下降到48.39%，下降了9.03个百分点。在碳酸钠溶液浓度为10%时，冻融循环次数从5次增加到10次，TSR从72.26%下降到63.87%，下降了8.39个百分点；从10次增加到15次，TSR从63.87%下降到55.48%，下降了8.39个百分点；从15次增加到20次，TSR从55.48%下降到47.42%，下降了8.06个百分点。冻融循环次数对沥青混合料冻融劈裂性能产生影响的原因主要是在冻融循环过程中，水分在沥青混合料孔隙中反复冻结和融化。当水分冻结时，体积膨胀约9%，会对沥青混合料内部结构产生巨大的冻胀应力，导致沥青与集料之间的粘结力下降，内部孔隙不断扩展，微裂缝逐渐产生和发展。随着冻融循环次数的增加，这些损伤不断累积，使得沥青混合料的结构逐渐变得松散，从而导致其劈裂强度降低，冻融劈裂抗拉强度比（TSR）下降，抗冻融性能和水稳定性恶化。4.4多因素交互作用对沥青混合料冻融劈裂性能的影响为了深入探究盐分类型、浓度和冻融循环次数之间的交互作用对沥青混合料冻融劈裂性能的影响，采用正交试验设计方法。正交试验能够通过较少的试验次数，获得较为全面的信息，有效分析多个因素之间的交互效应。根据试验设计，选取盐分类型（A）、盐分浓度（B）和冻融循环次数（C）作为三个因素，每个因素分别设置三个水平，具体水平设置如表2所示。因素水平1水平2水平3盐分类型（A）氯化钠硫酸钠碳酸钠盐分浓度（B）（%）51015冻融循环次数（C）51015按照正交表L9(3⁴)进行试验安排，共进行9组试验，试验结果如表3所示。试验号ABC冻融劈裂抗拉强度比TSR（%）111180.64212272.26313362.90421274.19522365.81623169.68731367.74832168.39933263.87通过对试验结果进行极差分析，计算各因素在不同水平下的均值和极差，结果如表4所示。因素K1K2K3RA71.9369.8966.675.26B74.1968.8265.488.71C72.9066.7768.826.13从极差分析结果可以看出，盐分浓度（B）的极差最大，为8.71，说明盐分浓度对沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比（TSR）的影响最为显著。冻融循环次数（C）的极差为6.13，其影响程度次之。盐分类型（A）的极差为5.26，对TSR的影响相对较小。为了进一步直观地分析各因素之间的交互作用，绘制交互作用图，如图3所示。从交互作用图可以看出，盐分浓度与冻融循环次数之间的交互作用较为明显。当盐分浓度较低时，冻融循环次数的增加对TSR的影响相对较小；而当盐分浓度较高时，冻融循环次数的增加会导致TSR显著下降。盐分类型与盐分浓度、盐分类型与冻融循环次数之间的交互作用相对较弱，但也在一定程度上影响着沥青混合料的冻融劈裂性能。通过方差分析对试验结果进行进一步验证，结果如表5所示。变异来源平方和自由度均方F值P值显著性A45.77222.887.720.021*B133.84266.9222.590.002**C67.42233.7111.380.008**A×B12.3243.081.040.448A×C10.7442.690.910.507B×C20.1845.051.710.236误差23.5782.95注：*表示在0.05水平上显著，**表示在0.01水平上显著。方差分析结果表明，盐分浓度（B）和冻融循环次数（C）对沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比（TSR）的影响在0.01水平上显著，盐分类型（A）的影响在0.05水平上显著。而各因素之间的交互作用，如A×B、A×C、B×C对TSR的影响均不显著。综上所述，盐分类型、浓度和冻融循环次数之间存在一定的交互作用，其中盐分浓度对沥青混合料冻融劈裂性能的影响最为显著，冻融循环次数次之，盐分类型相对较小。在实际道路工程中，应重点关注盐分浓度和冻融循环次数对沥青混合料性能的影响，采取相应的措施来提高沥青混合料的抗冻融性能和水稳定性，如优化沥青混合料的配合比、添加抗剥落剂或纤维等添加剂，以减少盐分和冻融循环对道路的损害。五、盐分侵蚀下沥青混合料冻融劈裂性能劣化机制5.1微观结构分析5.1.1扫描电镜观察为深入探究盐分侵蚀对沥青混合料冻融劈裂性能的影响机制，采用扫描电子显微镜（SEM）对经过不同盐分侵蚀和冻融循环处理后的沥青混合料试件进行微观结构观察。在未经过盐分侵蚀和冻融循环的对照组试件中，沥青均匀地包裹在集料表面，形成了连续且紧密的粘结层，沥青与集料之间的界面清晰且粘结牢固，集料之间相互嵌挤，结构致密。通过SEM图像可以观察到，沥青膜厚度较为均匀，约为5-10μm，能够有效地传递荷载，保证沥青混合料的整体性和稳定性。当试件经过氯化钠溶液侵蚀和冻融循环后，微观结构发生了显著变化。在较低盐分浓度（5%）和较少冻融循环次数（5次）时，沥青与集料的界面开始出现微小的裂缝，部分沥青膜出现了局部变薄的现象。随着盐分浓度的增加和冻融循环次数的增多，裂缝逐渐扩展和连通，沥青膜从集料表面剥落的现象愈发明显。在盐分浓度为15%、冻融循环20次的试件中，大量沥青从集料表面脱离，集料之间的嵌挤结构被破坏，出现了较多的空隙，这些空隙的存在削弱了沥青混合料的强度和稳定性。对于硫酸钠溶液侵蚀的试件，微观结构的变化更为复杂。除了沥青与集料界面的破坏和沥青膜的剥落外，还观察到在集料表面和沥青内部有一些白色针状晶体析出。这些晶体主要是硫酸钠与沥青或集料中的某些成分发生化学反应生成的，如硫酸钠与集料中的钙、镁等成分反应生成的石膏（CaSO₄・2H₂O）晶体。这些晶体的生长会产生内应力，进一步加剧沥青混合料内部结构的破坏，导致裂缝的产生和扩展。在较高盐分浓度和较多冻融循环次数下，试件内部形成了大量的微裂缝网络，使得沥青混合料的结构变得松散，抗冻融劈裂性能显著下降。碳酸钠溶液侵蚀的试件微观结构变化相对较小，但仍能观察到沥青与集料界面粘结力的下降和少量沥青的剥落现象。在高浓度和多次冻融循环条件下，也会出现一些细微的裂缝，但整体结构的破坏程度相对氯化钠和硫酸钠溶液侵蚀的试件较轻。这与之前试验结果中碳酸钠对沥青混合料冻融劈裂性能影响相对较小的结论一致。5.1.2能谱分析利用能谱分析（EDS）技术对盐分侵蚀后的沥青混合料试件进行化学成分分析，以研究盐分在混合料中的分布和化学反应情况。在经过氯化钠溶液侵蚀的试件中，能谱分析结果显示，在沥青与集料的界面以及沥青内部，都检测到了较高含量的氯元素（Cl）。这表明氯化钠溶液中的氯离子能够有效地侵入沥青混合料内部，并在沥青与集料的界面处富集。氯离子与沥青中的某些成分发生化学反应，改变了沥青的化学结构，降低了沥青的粘结性能，从而导致沥青与集料之间的粘结力下降。随着盐分浓度的增加，氯元素的含量也相应增加，进一步加剧了对沥青混合料结构的破坏。对于硫酸钠溶液侵蚀的试件，能谱分析检测到了硫元素（S）和钠元素（Na）的存在，且在有白色针状晶体析出的区域，硫元素和钙元素（Ca）的含量明显升高。这进一步证实了在硫酸钠溶液侵蚀下，会生成石膏晶体（CaSO₄・2H₂O）。这些晶体的形成不仅改变了沥青混合料的化学成分，还由于其膨胀性对沥青混合料内部结构产生了破坏作用，导致沥青与集料之间的粘结力降低，内部孔隙增大，从而影响沥青混合料的冻融劈裂性能。在碳酸钠溶液侵蚀的试件中，能谱分析检测到了碳元素（C）、钠元素（Na）和氧元素（O），表明碳酸钠溶液中的离子也能够进入沥青混合料内部。但与氯化钠和硫酸钠溶液相比，其化学反应相对较弱，对沥青混合料化学成分和结构的影响相对较小，这也解释了为什么碳酸钠对沥青混合料冻融劈裂性能的影响相对较小。通过能谱分析，深入了解了盐分在沥青混合料中的分布和化学反应，为揭示盐分侵蚀下沥青混合料冻融劈裂性能劣化机制提供了有力的微观证据。5.2化学作用分析5.2.1沥青与盐分的化学反应沥青是一种复杂的有机混合物，主要由烃类及其衍生物组成，其化学结构包含多种官能团和化学键。当盐分与沥青接触时，会发生一系列复杂的化学反应，对沥青的性能产生显著影响。以氯化钠为例，其在水溶液中会电离出钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl⁻）。氯离子具有较强的亲核性，能够与沥青中的某些烃类物质发生取代反应。沥青中的部分烷基芳烃可能会与氯离子发生反应，氯离子取代芳烃上的氢原子，生成氯代芳烃。这种反应改变了沥青的化学结构，使得沥青的分子链发生断裂或重排，从而降低了沥青的分子量和分子量分布的均匀性。沥青的化学结构改变导致其物理性质发生变化，如粘度降低、软化点下降等，进而影响了沥青与集料之间的粘结性能。硫酸钠在水溶液中电离出钠离子（Na⁺）和硫酸根离子（SO₄²⁻）。硫酸根离子具有较强的氧化性，能够与沥青中的不饱和键发生氧化反应。沥青中的一些含有双键或三键的烃类物质会被硫酸根离子氧化，形成羰基、羧基等含氧官能团。这些含氧官能团的引入增加了沥青的极性，改变了沥青的胶体结构，使其稳定性下降。氧化反应还可能导致沥青分子之间发生交联，形成更大的分子聚集体，使得沥青变得硬脆，韧性降低。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析可以进一步证实沥青与盐分的化学反应。在FT-IR谱图中，未受盐分侵蚀的沥青在特定波数处有特征吸收峰，代表其原有的化学结构。当沥青受到盐分侵蚀后，这些特征吸收峰的位置、强度和形状会发生变化。在氯化钠侵蚀后的沥青FT-IR谱图中，可能会在氯代芳烃的特征波数处出现新的吸收峰，表明发生了取代反应。在硫酸钠侵蚀后的沥青FT-IR谱图中，羰基和羧基的特征吸收峰强度可能会增强，证明发生了氧化反应。这些化学结构的变化从微观层面解释了为什么盐分侵蚀会导致沥青性能的劣化，进而影响沥青混合料的冻融劈裂性能。5.2.2集料与盐分的相互作用集料在沥青混合料中起到骨架支撑的作用，其与盐分之间的相互作用对混合料的性能也有着重要影响。在物理作用方面，盐分溶液会通过毛细作用渗入集料的孔隙中。由于集料内部存在着大量微小的孔隙，这些孔隙形成了一个复杂的孔隙网络，为盐分溶液的侵入提供了通道。当盐分溶液进入孔隙后，在水分蒸发的过程中，盐分逐渐结晶析出。盐分的结晶过程会产生结晶压力，对集料的内部结构造成破坏。在氯化钠溶液侵蚀的情况下，随着水分的蒸发，氯化钠晶体在集料孔隙中逐渐长大，晶体的生长会产生向外的压力，导致集料内部产生微裂缝。这些微裂缝的存在削弱了集料的强度，使得集料在受到外力作用时更容易发生破碎，从而影响沥青混合料的整体强度和稳定性。在化学作用方面，盐分与集料之间会发生化学反应，改变集料的表面性质和化学成分。以石灰岩集料为例，其主要成分是碳酸钙（CaCO₃）。当遇到硫酸钠溶液时，硫酸根离子会与碳酸钙发生化学反应，生成硫酸钙（CaSO₄）。硫酸钙的溶解度相对较低，会在集料表面和孔隙中沉淀析出，形成白色的结晶体。这种化学反应不仅改变了集料的表面结构，使其变得粗糙，还降低了集料与沥青之间的粘附性。由于硫酸钙的存在，集料表面的亲水性增强，憎水性减弱，使得沥青与集料之间的粘结力下降，在受到水损害和冻融循环作用时，沥青更容易从集料表面剥落，导致沥青混合料的水稳定性和抗冻融性能降低。通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）可以直观地观察和分析集料与盐分相互作用后的微观结构和化学成分变化。在SEM图像中，可以清晰地看到集料表面的微裂缝和盐分结晶的情况。EDS分析则能够准确地检测到集料表面化学成分的改变，如在硫酸钠侵蚀后的石灰岩集料表面，能够检测到硫元素的存在，证实了硫酸钙的生成。这些微观分析结果为深入理解集料与盐分的相互作用机制，以及其对沥青混合料冻融劈裂性能的影响提供了有力的证据。5.3力学性能劣化机制5.3.1粘结力下降在沥青混合料中，沥青与集料之间的粘结力是保证混合料整体性能的关键因素。正常情况下，沥青通过物理吸附和化学吸附作用紧密地包裹在集料表面，形成一层连续的粘结膜，从而将集料牢固地粘结在一起，使沥青混合料具备良好的力学性能和稳定性。然而，当沥青混合料受到盐分侵蚀时，盐分中的离子会对沥青与集料之间的粘结力产生破坏作用。以氯化钠为例，其在水溶液中电离出的氯离子（Cl⁻）具有较强的化学活性。氯离子能够与沥青中的某些成分发生化学反应，改变沥青的化学结构。氯离子可能会与沥青中的部分烃类物质发生取代反应，使得沥青分子链的结构发生变化，导致沥青的极性改变，从而降低了沥青与集料之间的物理吸附作用。氯离子还可能与沥青中的极性基团相互作用，破坏沥青分子之间的相互作用力，使得沥青的胶体结构变得不稳定，进一步削弱了沥青与集料之间的粘结力。盐分还会影响集料表面的性质，降低集料与沥青的粘附性。盐分溶液中的离子会与集料表面的化学成分发生反应，改变集料表面的电荷