鹽凍融循環對溫拌膠粉改性瀝青混合料疲勞性能的影響

周曉東， 常春清， 王 嵐

(1.內蒙古工業大學 內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室， 內蒙古 呼和浩特 010051； 2.內蒙古工業大學 土木工程學院， 內蒙古 呼和浩特 010051)

20世紀60年代，美國、英國、法國和日本等國先后開展了橡膠粉瀝青混凝土的應用研究和鋪路試驗，通過技術推廣，促進了膠粉在道路工程中的應用[1].實踐證明，橡膠粉改性瀝青具有優良的路用性能.溫拌技術的出現降低了膠粉改性瀝青的拌和溫度，改善了瀝青的性能.中國北方地區常常伴有降雪，甚至結冰，為了保證道路的暢通，需要在路面撒布融雪劑，對瀝青路面造成了不可逆的破壞[2].在繁重的交通負荷和融雪劑的作用下，路面常常在設計年限內就發生疲勞破壞，這一現象引起了國內外學者的高度重視.

葛折圣[3]采用應變控制模式的疲勞試驗來研究5種級配瀝青混合料的應變疲勞規律，并對混合料疲勞性能的影響因素，包括集料級配、混合料空隙率、瀝青品種、加載方式、加載頻率和試驗溫度等進行分析，進而預估瀝青混合料的疲勞壽命.李兆生等[4]通過對比分析凍融循環作用下瀝青混合料的力學性能，研究了凍融對瀝青混合料力學性能的影響，發現凍融作用后瀝青混合料的抗疲勞性能降低，且疲勞壽命對應力水平的變化更為敏感.康誠[5]通過模擬北方地區季節溫差，針對3種級配的瀝青混凝土在清水和NaCl飽和溶液中的凍融循環，進行3種應力比條件下的間接拉伸疲勞試驗，發現在凍融循環作用下瀝青混凝土的疲勞壽命總體逐漸下降，且隨著凍融循環次數的增加，瀝青混凝土疲勞壽命下降程度不斷加劇.馮蕾等[6]通過室內凍融循環試驗分析了鹽凍融循環對膠粉改性瀝青混合料性能的影響，發現隨著鹽濃度和凍融循環次數的增加，膠粉改性瀝青混合料的孔隙率逐漸變大，除冰鹽對膠粉改性瀝青的破壞比較嚴重，不宜大量使用.在中國東北、西北地區，由于土壤鹽分含量較高以及除冰鹽的大量使用，使得路面長期受到水、溫度和鹽分侵蝕的共同作用，瀝青混凝土路面極易產生凍融疲勞損害[7].因此，研究瀝青路面在鹽分作用下的凍融疲勞性能具有重要的意義.

1 試驗

1.1 原材料

瀝青為濕法制備的熱拌膠粉改性瀝青和溫拌膠粉改性瀝青，技術指標均滿足規范要求.其中，基質瀝青為盤錦90#瀝青；改性劑為250μm(60目)的膠粉顆粒，摻量為基質瀝青質量的20.0%；溫拌劑為表面活性劑SDYK，根據前期相關研究表明，溫拌劑摻量為基質瀝青質量的0.6%時性能最佳[8]，技術指標見表1.

表1 膠粉改性瀝青技術指標Table 1 Technical index of rubber powder modified asphalt

集料采用玄武巖，礦粉采用磨細的石灰巖礦粉，按照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》進行粗細集料的篩分，得到各集料的篩分曲線，再進行粗細集料的密度及吸水測試，結果如表2所示.參照馬歇爾配合比設計方法，得到最佳油石比(質量比，文中涉及的油石比、摻量等除特別注明外，均為質量比或質量分數)為5.8%，級配類型為AC-16，如表2所示.融雪劑以CaCl2為主，主要參數如表3所示.

表2 礦料級配組成Table 2 Gradation of mineral powder and aggregate w/%

表3 融雪劑參數Table 3 Parameters of deicer

1.2 試件成型

采用剪切壓實儀進行試件制備，經瀝青混合料切割機切割成尺寸為380.0mm×63.5mm×50.0mm的小梁試件，且誤差均符合規范要求.

1.3 鹽凍融循環試驗設計

本試驗將小梁試件浸泡在水和不同質量分數的融雪劑溶液中，先用高低溫濕熱交變箱在-20℃冰凍 16h，然后緩慢升溫至60℃并保持24h，即完成1次凍融循環.凍融循環次數分別為5、10、15、20次，鹽溶液中鹽質量分數分別為0%、4%、8%、12%.影響疲勞壽命的因素，包括荷載水平、加載模式、加載波形、試驗溫度和試驗頻率等.

由于該試驗涉及多因素、多水平，為了減少試驗量，同時能夠獲得較為全面的數據，采用正交試驗方法進行設計.試驗考慮了4個影響因素：瀝青種類、凍融循環次數(n)、應變和除冰鹽質量分數，詳細方案如表4所示.其中CR-HMA代表熱拌膠粉改性瀝青混合料，CR-WMA代表溫拌膠粉改性瀝青混合料.

1.4 疲勞試驗

根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青瀝青混合料試驗規程》中的“T0739-2011”進行瀝青混合料四點彎曲疲勞壽命試驗，試驗儀器為澳大利亞IPC公司生產的UTM-100型疲勞試驗機及BFA氣動式四點彎曲小梁疲勞試驗夾具.試驗過程中，由設備配套UTS軟件進行試驗數據的實時采集與計算.按照規范選用應變控制模式下的半正弦波加載，其峰值應變在滿足疲勞壽命處于103～107的條件下，經測試確定為700μm/m.試驗溫度為15℃，試驗頻率為10Hz，大概相當于60～65km/h的車速.試驗結果見表5.

表4 正交試驗設計方案Table 4 Design scheme of orthogonal experiment

表5 膠粉改性瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗結果Table 5 Results of four point bending fatigue test of rubber powder modified asphalt mixture

2 結果與分析

2.1 基于疲勞壽命的疲勞特性分析

2.1.1凍融循環次數對疲勞壽命的影響

圖1為凍融循環次數與瀝青混合料疲勞壽命的關系，其中圖例編號中的數字代表鹽質量分數.由圖1可見：在不同鹽質量分數條件下,所有瀝青混合料的疲勞壽命都隨著凍融次數的增加而減小.這是由于瀝青與集料的熱膨脹系數相差很大，隨著凍融循環次數的增加，瀝青混合料內部產生的溫度疲勞應力使瀝青混合料缺陷不斷擴大，更多的溶液進入瀝青混合料的內部，降低了瀝青與集料之間的黏附力，瀝青混合料產生了更多的微小裂隙.當溫度降低時，瀝青混合料孔隙中的溶液結冰后產生膨脹壓，同時鹽溶液飽和而結晶.當瀝青混合料孔隙中鹽結晶超過一定量時，將產生鹽結晶壓力[9]，從而引起瀝青混合料破壞.在凍融循環作用下，溫度疲勞應力和結冰膨脹壓加劇了瀝青混合料內部結構的損傷，使瀝青混合料的疲勞性能降低.隨著凍融次數的增加，疲勞壽命下降的速率有所減慢.這是由于凍融循環前期，瀝青混合料內部結構相對穩定.隨著凍融循環次數的增加，瀝青混合料的裂縫迅速發展，結構開始變得松散，勁度模量迅速減小，瀝青混合料疲勞性能迅速降低.到了后期，裂縫生長幅度變小，并趨于穩定，疲勞壽命下降的速率減慢.

圖1 凍融循環次數與瀝青混合料疲勞壽命的關系Fig.1 Relationship between number of freeze-thaw cycle and fatigue life of asphalt mixture

2.1.2鹽質量分數對疲勞壽命的影響

圖2為鹽質量分數與瀝青混合料疲勞壽命的關系，其中圖例編號中數字代表凍融循環次數.由圖2可見：CR-HMA和CR-WMA疲勞壽命均隨著鹽質量分數的增大呈現出先減小、后略有增加的趨勢；當鹽質量分數為8%時的疲勞壽命最小，0%時的疲勞壽命最大，12%時的疲勞壽命略大于4%.由于瀝青混合料的鹽凍破壞包括物理破壞和化學破壞.物理破壞主要是除冰鹽溶液結冰產生的膨脹壓和溫度引起的疲勞應力對瀝青混合料內部的凍融損傷，化學破壞主要體現在除冰鹽溶于水后電離出的Na+、Ca+和Cl-等極性很強的帶電粒子，集料表面有很高的表面能.為了降低表面能，集料表面會吸附物質，兩種物質吸附得越緊密，結合得越穩定，其表面能也越低.鹽離子比瀝青有更強的極性，與集料的吸附能降低更多的表面能，結合更穩定，比瀝青對集料有更強的吸附能力.因此，鹽離子對瀝青產生剝離作用，引起瀝青和集料的黏結力下降[10].隨著除冰鹽質量分數的繼續增大，溶液中Na+、Ca+和Cl-也相應增多，對瀝青的剝離作用也越來越強，疲勞壽命隨著鹽質量分數的增大而降低.當除冰鹽質量分數超過8%時，瀝青混合料孔隙中水的體積比變小，溶液結冰產生的體積膨脹率減小，產生的結冰膨脹壓也隨之減小，較大的鹽質量分數抑制了水的凍脹作用[11].因此，隨著鹽質量分數的增加，瀝青混合料疲勞壽命呈現出先減小、后略有增大的趨勢.當鹽質量分數為8%時，鹽的侵蝕作用和水的凍脹力對瀝青內部結構耦合損傷最大，導致瀝青與混合料之間的黏結力降到最低，疲勞壽命降到最低.

圖2 鹽質量分數與瀝青混合料疲勞壽命的關系Fig.2 Relationship between salt mass fraction and fatiguelife of asphalt mixture

2.1.3溫拌劑對疲勞壽命的影響

由圖1可以發現，相同的凍融循環次數下，CR-WMA要比CR-HMA的疲勞壽命高.這是由于瀝青混合料在拌和的過程中，表面活性劑、水和瀝青三者借助分散力實現彼此融合，使膠結料的內部形成相對穩定的結構水膜.水膜的潤滑作用能明顯地抵消瀝青黏度增大的影響，顯著地降低拌和與壓實溫度，增強施工和易性[12]，使得瀝青可以充分地浸潤到集料間的微小縫隙中，提高了瀝青與集料的黏附性，使得溫拌瀝青混合料具有更高的疲勞壽命.

2.2 基于勁度模量的疲勞特性分析

中國以前一直習慣于采用應力疲勞模式確定瀝青混合料的疲勞壽命.近年來，隨著對長壽命瀝青路面的關注，一些研究人員認為，應該根據不同路面的應力和應變狀態來確定采用何種疲勞模式.研究認為，可以采用彎曲勁度模量來表征瀝青混合料的疲勞壽命[13-14].

(1)

式中：S0為初始勁度模量，MPa；Si為i時刻對應的勁度模量，MPa；T為加載時間，s.

圖3 不同種類瀝青混合料凍融循環次數與勁度模量衰減速率的關系Fig.3 Relationship between number of freeze-thaw cycle of different asphalt mixtures and stiffness modulus decay rate

2.3 基于耗散能理論的疲勞特性分析

瀝青混合料在外部荷載作用下，內部會進一步擠密，材料會自然地抵抗外部荷載.為了適應材料的內部移動、新表面的產生，瀝青混合料需要以熱量的形式消耗一部分能量作為代價，這種能量稱為耗散能.

(2)

式中:Wc為累積耗散能，J/m3；A、B為試驗過程中確定的參數；Nf為加載次數.

中國現行試驗規程中以瀝青混合料彎曲勁度模量下降至初始值的50%所對應的加載次數(K)作為疲勞壽命.此時的疲勞壽命僅使材料達到疲勞破壞的前2個階段，且第2階段并非全部[15].為了從能量的角度研究鹽質量分數、凍融循環次數和溫拌劑對膠粉改性瀝青混合料疲勞損傷特性的影響規律，采用耗散能變化率(rate change of dissipation energy，RCODE)(見 式(3))對不同膠粉改性瀝青混合料試件在經受不同鹽質量分數及不同凍融循環次數下進行損傷分析.

(3)

式中：DEj、DEi分別是第j、i次循環中的耗散能，J/m3.

2.3.1凍融循環次數對耗散能變化率的影響

圖4為鹽質量分數為8%時，不同凍融循環次數下加載次數與耗散能變化率的關系.由圖4可見：耗散能變化率隨加載次數變化分為2個階段.第1階段：經凍融循環作用的瀝青混合料在荷載循環作用下，裂縫初始形成需要消耗較多的能量，內部損傷消耗的耗散能占較大的比例，之后材料內部不斷趨于穩定，耗散能變化率迅速降低；第2階段：隨著荷載循環次數的增加，材料內部已經穩定，裂紋穩定發展，耗散能變化率趨于平緩.由于試驗的終止條件是勁度模量下降到初始模量的50%，所以耗散能變化率均未出現第3階段.在相同鹽質量分數下，凍融次數越多，曲線越陡，對應的循環加載次數也越少，耗散能變化率穩定值也越大.說明凍融循環次數越多，其消耗于材料內部損傷的能量就越多.這是因為凍融循環次數越多，水的凍脹力和溫度疲勞應力對瀝青混合料內部結構的損傷越大，瀝青與集料的黏結力越弱，瀝青混合料越易開裂，耗散能變化率下降得越快.無論在何種鹽質量分數情況下，耗散能變化率穩定值隨凍融循環次數的增加而增大.

圖4 不同凍融循環次數下加載次數與瀝青混合料耗散能變化率的關系Fig.4 Relationship between loading times and dissipation rate of asphalt mixture under different number of freeze-thaw cycle

2.3.2鹽質量分數對耗散能變化率的影響

圖5為經歷20次凍融循環時，不同鹽質量分數下加載次數與瀝青混合料耗散能變化率的關系.由圖5可見：在不同鹽質量分數下，CR-HMA和CR-WMA耗散能變化率是不同的，當鹽質量分數為0%時，瀝青混合料耗散能變化率曲線最平緩，耗散能變化率穩定值最小，循環加載次數最大；隨著鹽質量分數的增大瀝青混合料耗散能變化率曲線變陡，耗散能變化率穩定值增大，循環加載次數也隨之減小.說明隨著鹽質量分數增大，鹽對瀝青混合料的侵蝕作用增強，鹽溶液對瀝青混合料內部結構的損傷增大，瀝青與集料的黏結力變弱，瀝青混合料易開裂，耗散能變化率下降加快；鹽的侵蝕作用和水的凍脹作用對瀝青混合料內部結構損傷越嚴重，耗散能變化率穩定值越大[16].8%鹽質量分數下的瀝青混合料耗散能變化率曲線最陡，耗散能穩定值最大，加載循環次數也最小.說明當鹽質量分數為8%時，凍融循環作用對瀝青混合料的疲勞損傷最大，這是因為在鹽質量分數為8%時，鹽的侵蝕作用和水的凍脹力對瀝青混合料內部結構的耦合損傷最大，鹽侵蝕和凍脹力對瀝青混合料結構的破壞最嚴重，其耗散能變化率也最大.當鹽質量分數為12%時瀝青混合料的耗散能穩定值變小，循環加載次數增大，是因為過高的鹽濃度抑制了水的凍脹，使瀝青混合料內部結構損傷有所減小.

圖5 不同鹽質量分數下加載次數與瀝青混合料耗散能變化率的關系Fig.5 Relationship between loading times and dissipation rate of asphalt mixture under different salt mass fraction

2.3.3溫拌劑對耗散能變化率的影響

根據圖5可以發現，無論在何種鹽質量分數情況下，CR-HMA和CR-WMA的耗散能變化率穩定值隨凍融循環次數的增加而增大.對比溫拌前后的膠粉改性瀝青混合料發現：溫拌膠粉改性瀝青混合料的穩定值較熱拌膠粉改性瀝青混合料小，說明其消耗于損傷的能量較小.這是由于表面活性劑的分子由極性的親水基團和非極性的親油基團構成，在一端與瀝青牢固結合的同時另一端與集料牢固結合，提高了瀝青與集料的黏附性能；瀝青混合料疲勞裂縫往往會在瀝青與集料的界面處發生，因此表面活性劑的摻入可減少瀝青與集料界面處由于黏附性不足而發生的開裂現象，進而提高瀝青混合料疲勞性能.溫拌劑的加入減小了瀝青混合料的拌和溫度和壓實溫度，進而減小了瀝青的老化程度，增強了瀝青與集料之間的黏附力，從而改善了瀝青混合料的抗疲勞性能，減小了能量的耗散.

3 結論

(1)隨著凍融循環次數的增多，瀝青混合料的裂縫發展速度由快變慢，疲勞壽命縮短，耗散能變化率穩定值增大，能量消耗加快，疲勞損傷增大.

(2)隨著鹽質量分數的增大，瀝青混合料的疲勞壽命出現了先縮短后略有延長的趨勢，鹽質量分數對膠粉瀝青混合料疲勞損傷的影響強弱依次為：8%>4%>12%>0%.

(3)綜合對比彎曲勁度模量衰減速率、疲勞壽命和耗散能變化率穩定值，發現CR-WMA具有比CR-HMA更優的抗疲勞性能.