氯鹽侵蝕條件下瀝青混合料性能損傷評(píng)價(jià)

熊銳，蔣汶玉，李科宏，宗有杰，李闖，楊發(fā)

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710061；3.云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650200)

鹽分侵蝕作用使路面性能惡劣嚴(yán)重[1-3]，氯化物是造成瀝青混合料性能下降的主要化學(xué)成分[4]。瀝青路面鹽侵蝕大多基于小型宏觀力學(xué)試驗(yàn)來研究鹽侵蝕對(duì)瀝青混合料的性能影響[5-9]。因此，出現(xiàn)了瀝青混合料使用性能與宏觀物理指標(biāo)不對(duì)等現(xiàn)象[10]。現(xiàn)象學(xué)經(jīng)驗(yàn)方法無法從本質(zhì)上解釋鹽侵蝕條件下瀝青混合料破壞模式及損傷機(jī)理[11]。

本文采用紅外光譜、CT技術(shù)從細(xì)觀研究鹽侵蝕環(huán)境下瀝青混合料損傷機(jī)理，并通過對(duì)比同齡期水和鹽水浸泡試件前后內(nèi)部圖像灰度變化方差值，表征鹽分對(duì)瀝青和集料粘結(jié)面以及空隙率的影響，從而對(duì)混合料內(nèi)部損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

SK-90#基質(zhì)瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見表1；粗、細(xì)集料均采用玄武巖，填料為磨細(xì)的石灰?guī)r礦粉。礦料級(jí)配采用AC-13級(jí)配，各檔集料通過率見表2；經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)確定出瀝青混合料最佳油石比為4.78%；工業(yè)鹽(NaCl)，基本指標(biāo)見表3。

表1 SK-90#瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

表2 AC-13礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

表3 氯鹽技術(shù)指標(biāo)

BRUKER TENSOR Ⅱ型傅里葉紅外光譜儀；日立ECLOS.16排螺旋CT。

1.2 劈裂強(qiáng)度(RT)測(cè)試

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)方法制作瀝青混合料試件，其中4組試件(每組16個(gè))記為AC(1)～AC(4)。另外4組試件(每組3個(gè))記為AC1～AC4。實(shí)驗(yàn)條件見表4。為加速鹽水侵蝕效果，采用飽和鹽水(25%NaCl溶液)進(jìn)行侵蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，干濕循環(huán)具體循環(huán)周期為24 h(浸泡環(huán)境12 h，干燥環(huán)境12 h)，干燥條件為40 ℃烘箱中進(jìn)行。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E-20-2011)采用瀝青混合料凍融劈裂實(shí)驗(yàn)測(cè)試試件初始劈裂強(qiáng)度以及在齡期7，14，21，28 d時(shí)AC(1)～AC(4)其中4個(gè)試件的劈裂強(qiáng)度。

表4 實(shí)驗(yàn)條件

1.3 微觀測(cè)試

1.3.1 FTIR分析 將實(shí)驗(yàn)瀝青倒入盤中(瀝青厚度為2 mm)，放入25%NaCl溶液中浸泡。對(duì)初始及28 d鹽溶液浸泡后瀝青進(jìn)行傅里葉紅外光譜(FTIR)測(cè)試。將1 mg待測(cè)瀝青試樣放置于傅里葉紅外光譜儀試樣臺(tái)上固定，應(yīng)用反射法測(cè)試其紅外光譜圖。

1.3.2 CT掃描 將初始瀝青以及28 d鹽浸泡后瀝青分別裝入小玻璃瓶中(22 mm×60 mm)，采用日立ECLOS.16排螺旋CT掃描，得到相應(yīng)CT值。其中，瀝青CT掃描樣品見圖1。

圖1 瀝青掃描樣品

AC1～AC4實(shí)驗(yàn)環(huán)境見表4。對(duì)AC1～AC4在齡期0，7，14，21，28 d時(shí)分別進(jìn)行CT掃描。每次實(shí)驗(yàn)前采用掃描標(biāo)準(zhǔn)試液對(duì)CT儀器進(jìn)行校正，由于適當(dāng)提高掃描電壓有助于提高測(cè)試結(jié)果精確度[12]，故設(shè)置CT掃描電壓上限140 kV開展實(shí)驗(yàn)。每隔1.5 mm逐層對(duì)試件進(jìn)行橫斷面掃描。每個(gè)試件共掃描42次，考慮試件上下兩端面受壓時(shí)影響較大，實(shí)際選取中間40張CT圖像用于實(shí)驗(yàn)分析，得到試件CT掃描原始圖像，部分掃描圖片疊加見圖2。

圖2 掃描圖片疊加

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽侵蝕條件對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

鹽水浸泡與干濕循環(huán)條件下劈裂強(qiáng)度及28 d劈裂強(qiáng)度前后對(duì)比見圖3與圖4。

圖3 瀝青混合料劈裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 28 d劈裂強(qiáng)度前后對(duì)比圖

由圖3、圖4可知，對(duì)于AC(1)、AC(3)組試件，馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度變化趨勢(shì)以及幅度相差不大。因此，在清水環(huán)境中，干濕循環(huán)條件對(duì)馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度影響不大。而AC(1)組試件與AC(2)組試件變化趨勢(shì)相同，馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度均隨齡期增加而下降，但AC(2)比AC(1)試件下降較為緩慢，AC(2)組試件在7，14，21，28 d的劈裂強(qiáng)度變化微弱，考慮到AC(2)試件中鹽分結(jié)晶，填充微小空隙，使劈裂強(qiáng)度變大從而抵消了部分水損作用。AC(4)組試件劈裂強(qiáng)度下降幅度較大，且是4種條件下下降幅度最大的。說明鹽水對(duì)瀝青混合料的損傷最大原因不是鹽分本身，而是在鹽水存在時(shí)的環(huán)境因素。可知鹽水干濕循環(huán)會(huì)造成瀝青混合料明顯的力學(xué)損傷。

2.2 鹽浸泡前后瀝青紅外光譜和CT值分析

初始瀝青與鹽水浸泡后瀝青紅外光譜見圖5，各個(gè)主要吸收峰位置見表5。初始瀝青與25%NaCl溶液浸泡后瀝青CT掃描圖像見圖6。

圖5 紅外光譜圖

表5 瀝青主要峰值位置統(tǒng)計(jì)

圖6 瀝青掃描圖

圖5中基質(zhì)瀝青主要吸收峰2 920 cm-1為亞甲基 —CH2— 的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，2 850 cm-1為亞甲基 —CH2— 的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1 460 cm-1為苯環(huán)骨架振動(dòng)，1 380 cm-1處為附近甲基 —CH3的剪式振動(dòng)，而900～650 cm-1為苯環(huán)取代區(qū)域。已有研究指出，氯化鈉在500 cm-1以下具有極寬的強(qiáng)吸收帶[13]。

由表5可知，基質(zhì)瀝青、氯化鈉浸泡后瀝青的峰值出現(xiàn)位置大致相同。鹽侵蝕后瀝青在特征區(qū)內(nèi)吸收峰與基質(zhì)瀝青相比無變化，在指紋區(qū)瀝青吸收峰的變化受鹽分本身物質(zhì)的影響。說明鹽分本身并未對(duì)瀝青造成化學(xué)侵蝕。

由圖6可知，初始瀝青與鹽浸泡之后瀝青對(duì)X射線吸收值相同，即CT值相同(均為76 Hu)。這一點(diǎn)也印證了鹽分對(duì)瀝青并未造成侵蝕。對(duì)于CT成像原理，CT值相同的物質(zhì)所呈現(xiàn)出的圖像灰度值相同。

2.3 不同齡期CT圖像灰度變化方差值分析

綜上所述，瀝青與鹽水未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，鹽分對(duì)混合料的損傷主要是物理作用。CT圖像灰度值變化主要來自空隙率變化以及液體侵入瀝青與集料界面所造成。為此，本文引入了灰度變化方差值K來綜合表征鹽分對(duì)混合料內(nèi)部瀝青和集料粘結(jié)表面及空隙率的影響。該法基于原始圖片信息，降低了在圖片處理過程中的誤差且避免了CT技術(shù)存在的容積效應(yīng)。

具體步驟為：將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖形，通過指針掃描過濾掉圖像的黑色背景[14]。計(jì)算出試件圖像灰度值為a(0～255)時(shí)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)b。記在同一試件相同高度處侵蝕前后CT圖像在相同灰度值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為ba1、ba2(ba1指AC1～AC4在0 d飽水狀態(tài)時(shí)CT圖像各灰度值所對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù))。所謂灰度變化方差就是指圖像灰度值的一個(gè)變化波動(dòng)，在同一試件浸泡不同齡期后，在相同位置CT橫截面圖像的灰度值變化程度記為K。

(1)

由于像素點(diǎn)個(gè)數(shù)ba1、ba2的數(shù)據(jù)較大，會(huì)造成K值較大，不利于最終結(jié)果的表征，為使該指標(biāo)更加簡(jiǎn)潔，將ba1、ba2數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，則有：

(2)

化簡(jiǎn)為：

(3)

由于環(huán)境條件是造成鹽分對(duì)瀝青混合料損傷最大的原因，所以本文從CT圖像灰度變化方差分析干濕循環(huán)作用下鹽分對(duì)瀝青混合料損傷程度。AC4試件在高度為30 mm處不同齡期CT掃描橫截面圖見圖7。

圖7 不同齡期CT圖像

通過MATLAB2016b對(duì)圖像進(jìn)行指針掃描，將黑色背景與瀝青混合料區(qū)域分割開來[13]。計(jì)算瀝青混合料區(qū)域中各灰度值所對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。每個(gè)試件計(jì)算對(duì)應(yīng)40張CT圖像總灰度變化方差值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文給出AC4在30 mm處0，28 d時(shí)CT圖像瀝青混合料區(qū)域灰度直方圖，見圖8。

由于像素為0和255時(shí)所對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)值較大，因此圖中并未體現(xiàn)。具體圖8中0 d時(shí)灰度值為0，255時(shí)所對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為606個(gè)和 55 572 個(gè)。28 d時(shí)灰度值為0，255時(shí)所對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為2 200個(gè)，37 525個(gè)。圖8(b)與(a)對(duì)比，灰度值高的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)明顯下降，而灰度值低的像素點(diǎn)明顯增加。究其原因：鹽水干濕循環(huán)作用使瀝青混合料空隙率變大，致使灰度值低的像素點(diǎn)明顯增加。干濕循環(huán)條件加速了鹽水侵入至瀝青與集料界面，由于瀝青為疏水材料，集料為親水材料，鹽水會(huì)逐漸侵入集料內(nèi)部，從而造成灰度值高的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)明顯下降。

圖8 灰度直方圖

按照公式(3)計(jì)算出不同齡期AC3、AC4試件的灰度變化方差值，結(jié)果見表6。

表6 灰度變化方差值

由表6可知，AC3、AC4試件灰度變化方差值隨齡期增加而上升，與試件劈裂強(qiáng)度隨齡期增加而下降相一致；同時(shí)，AC4試件灰度變化方差值較AC3試件增加幅度明顯，表明鹽水干濕循環(huán)較水干濕循環(huán)對(duì)瀝青混合料內(nèi)部物理影響更大。

2.4 瀝青混合料鹽損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

AC3、AC4試件灰度方差與劈裂強(qiáng)度對(duì)比見圖9。

圖9 灰度方差與劈裂強(qiáng)度對(duì)比

由圖9可知，試件灰度變化方差值與劈裂強(qiáng)度的趨勢(shì)圖較為對(duì)稱。灰度變化方差值越大，劈裂強(qiáng)度下降越快。為更好地研究?jī)烧呦嚓P(guān)性以及使用灰度變化方差值來表示瀝青混合料力學(xué)損傷，進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性檢驗(yàn)。采用公式(4)，將劈裂強(qiáng)度作為X數(shù)組，灰度變化方差值作為Y數(shù)組進(jìn)行運(yùn)算。AC3、AC4計(jì)算結(jié)果分別為-0.994 3，-0.975 6。

(4)

計(jì)算結(jié)果均為負(fù)值，且絕對(duì)值均在0.8～1.0之間，說明灰度變化方差值和劈裂強(qiáng)度有極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。所以鹽侵蝕造成瀝青混合料物理?yè)p傷用CT圖像灰度變化方差值進(jìn)行量化分析精度較高。采用此方法研究不僅可以避免進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，節(jié)約人力物力，而且由于方差變化是基于自身原始狀態(tài)的變化，使不同試件灰度變化方差值具有可比性。

3 結(jié)論

(1)鹽浸侵蝕下，瀝青混合料宏觀力學(xué)性能逐漸下降；與鹽溶液浸泡相比，干濕循環(huán)與氯鹽侵蝕共同作用使瀝青混合料性能損傷大大增加；干濕循環(huán)作用是導(dǎo)致瀝青混合料性能劣化的顯著因素。

(2)在實(shí)驗(yàn)齡期內(nèi)，NaCl與瀝青未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瀝青混合料氯鹽侵蝕損傷是以物理作用為主。

(3)CT圖像灰度變化方差值與瀝青混合料力學(xué)強(qiáng)度呈極強(qiáng)負(fù)相關(guān)性；灰度變化方差值越大，則瀝青混合料強(qiáng)度下降越快，鹽蝕損傷越嚴(yán)重。

(4)CT圖像灰度變化方差值在表征瀝青混合料鹽蝕損傷方面精度較高，適用性強(qiáng)，可作為鹽蝕環(huán)境下瀝青混合料性能損傷演化表征新方法。