煤矸石粉/聚酯纖維瀝青混合料鹽蝕抗彎性能

吳金榮, 崔善成, 洪榮寶, 李 飛

(1.安徽理工大學 礦山地下工程教育部工程研究中心, 安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學 土木建筑學院, 安徽 淮南 232001)

在中國大部分沿海地區,瀝青路面飽受降水、霧氣以及空氣中氯鹽分子的侵蝕,其路面性能被迫下降[1].近些年,國內在瀝青混合料的路用性能上展開了廣泛而深入的研究.劉宇等[2]用半圓形試件加載的方式來模擬瀝青路面面層底部的受力狀態,結果表明,瀝青混合料開裂的主要原因為受拉破壞,且可以用彎拉強度來評價瀝青混合料的抗開裂性能;馬芹永等[3]對瀝青混合料進行凍融劈裂試驗發現,瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度因子和凍融腐蝕因子均隨著凍融循環次數的增加而降低,其中凍融腐蝕因子具有較高的評價能力;徐波等[4]研究了在不同濃度鹽溶液中浸泡不同時間的橡膠瀝青混合料的高溫性能,結果表明,橡膠瀝青混合料的動穩定度和高溫抗車轍變形能力均隨著NaCl溶液濃度的增加出現不同程度的降低;陳拴發等[5]研究了融雪除冰材料的添加對瀝青混合料路用性能的影響,發現融雪除冰材料的加入,使瀝青混合料的水穩性能稍有提高,但其高溫穩定性能和低溫抗開裂性能卻有所下降;Feng等[6]通過對3種瀝青混合料進行凍融試驗和NaCl溶液侵蝕試驗,得出了凍融循環和NaCl溶液侵蝕加速了瀝青和集料之間的界面損傷,導致瀝青混合料的凍融強度降低.

為了提高瀝青混合料的抗侵蝕能力,學者們從材料的角度對瀝青混合料進行不同的改進,以此來獲得有效的解決方案.Wu等[7]通過低溫三點彎曲試驗,研究摻加不同纖維對瀝青混合料低溫抗裂性能的改善效果,結果表明,聚酯纖維對Ⅰ型裂紋和Ⅰ-Ⅱ復合型裂紋具有明顯的改善效果.葉群山等[8]分析了聚酯纖維對瀝青混合料路用性能的改善,得出聚酯纖維能增強瀝青混合料的勁度并提高其疲勞壽命.瀝青和聚酯纖維之間相互依附粘連,在混合料內部呈網格狀分布,提高了瀝青混合料的抗裂性能和高溫穩定性能[9].

煤矸石粉由煤矸石磨細制成,中國現存煤矸石數量龐大,且常年持續排放,存在占地、污染等缺點[10].但是煤矸石可以用作道路建筑基料[11].熊銳等[12]通過在瀝青混合料中摻加煤矸石粉和水鎂石纖維,發現2種材料均可以提高瀝青混合料的路面性能;Hong等[13]研究表明,在瀝青混合料中摻加適量煤矸石粉后，其力學性能更加優異.盡管如此,中國對煤矸石用途的研發并不深入,對煤矸石的利用并不廣泛,尚有較大的資源化空間[14].

綜上所述,雖然國內外學者對瀝青混合料的抗侵蝕性能做了一些研究,但是對摻加煤矸石粉瀝青混合料的侵蝕性能研究還很少.因此,本文開展了室內常溫下NaCl溶液侵蝕和高溫加速侵蝕模擬試驗,來模擬沿海地區氯鹽分子對瀝青混合料的侵蝕損害,分析聚酯纖維和煤矸石粉對不同濃度NaCl溶液侵蝕下的瀝青混合料抗彎性能的改善效果,并通過微觀掃描分析鹽分侵蝕的破壞機理.

1 試驗材料與方案

1.1 原材料

試驗采用重交70#道路石油瀝青,實測指標均符合規范要求;集料采用石灰巖,級配為AC-13,級配組成見表1所示;填料采用石灰巖礦粉和裕川煤矸石粉(CGP),兩者的技術參數見表2;聚酯纖維(PF)采用潤方路用聚酯纖維.

表1 AC-13級配組成Table 1 AC-13grade composition

表2 礦粉與煤矸石粉的技術參數Table 2 Technical parameters of ore powder and coal gangue powder

1.2 試驗方案

由馬歇爾穩定度試驗得出不同聚酯纖維摻量(1)文中涉及的摻量、比值、濃度等除特別說明外均為質量分數或質量比.wPF(0%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%)對應的最佳油石比為5.30%、5.50%、5.55%、5.57%、5.60%和5.63%.最佳油石比下的馬歇爾試驗結果見表3,表3中VV、VMA分別為空隙率和礦料間隙率.煤矸石粉等質量替代礦粉的替代率wCGP取0%,25%,50%,75%,100%[12].試驗采用的瀝青混合料試件為直徑101.60mm、厚度31.75mm的半圓形試件,由標準馬歇爾試件加工而成.根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》,對瀝青混合料試件進行真空飽水.將真空飽水后的試件分成4組,分別置于濃度(wNaCl)為0%、7.0%、13.0%、26.5%的NaCl溶液中浸泡72h,室溫保持在25℃;將浸泡后的試件放入烘箱中高溫加速侵蝕12h,溫度控制在60℃.取出試件靜置12h,待試件冷卻至室溫后,對其進行超聲波無損檢測和瀝青混合料半圓彎曲斷裂(SCB)試驗.

表3 最佳油石比下的馬歇爾試驗結果Table 3 Marshall test results at the best asphalt-aggregate ratio

2 SCB試驗結果與分析

瀝青混合料試件的破壞過程表明,初始裂縫產生于試件底部中心位置,該處所受的拉應力較其他位置要大,因而,該處的極限拉應力(σt)是判斷試件開裂的臨界指標.極限拉應力(σt)的計算方法已經發展得相對成熟,劉宇等[2]通過有限元法求得了極限拉應力的近似解,并通過試驗驗證了其準確性,其計算如式(1)所示.

(1)

式中：F為豎向荷載,N;W為試件厚度,W=31.75mm;D為試件直徑,D=101.60mm.

裂縫沿著試件豎向半徑方向由下而上發展,環向形成拱形壓力帶,水平向形成V形拉伸帶,應變速率沿著水平方向,中間快兩邊慢,因而試件底部中心位置的豎向應變ε是評價瀝青混合料裂縫擴展快慢的有效指標.李萍等[15]采用試驗加模擬的方法,得出了瀝青混合料半圓形試件底部豎向應變ε的表達式：

(2)

式中：L為支座跨距,L=80mm;d為試件底部中心撓度,mm.

2.1 SCB試驗結果

不同濃度NaCl溶液浸泡下瀝青混合料極限拉應力σt和峰值應變εp隨聚酯纖維摻量wPF與煤矸石粉替代率wCGP的變化如圖1、2所示.

2.2 SCB試驗結果分析

2.2.1聚酯纖維的影響

由圖1可以看出：當煤矸石粉替代率一定時,瀝青混合料SCB試件的極限拉應力隨聚酯纖維摻量的增加先增大后減小,極限拉應力達到最大值時聚酯纖維摻量為0.40%;當煤矸石粉替代率為50%,聚酯纖維摻量由0%增加到0.40%時,在0%、7.0%、13.0%、26.5% NaCl溶液浸泡下試件的極限拉應力分別由3.635、3.374、3.250、3.056MPa提高到4.322、4.195、3.859、3.560MPa,極限拉應力提高幅度為15.5%～24.3%;聚酯纖維摻量由0.40%增加到0.50%時,不同濃度NaCl溶液浸泡下試件的極限拉應力分別由4.322、4.195、3.859、3.560MPa降低到3.622、3.531、3.384、3.281MPa，極限拉應力降低幅度為7.8%～15.8%.

由圖2可以看出：當煤矸石粉替代率一定時,瀝青混合料SCB試件的峰值應變隨著聚酯纖維摻量的增加先增大后減小,峰值應變達到最大值時聚酯纖維摻量為0.40%;當煤矸石粉替代率為50%,聚酯纖維摻量由0%增加到0.40%時,不同濃度NaCl溶液浸泡下試件的峰值應變分別由4.6、4.4、4.1、3.9μm/m提高到5.9、5.7、5.4、5.2μm/m，峰值應變提高幅度為28.3%～33.3%.聚酯纖維摻量由0.4%增加到0.5%時,不同濃度NaCl溶液浸泡下試件的峰值應變分別由5.9、5.7、5.4、5.2μm/m降低到5.1、4.3、4.0、3.5μm/m，峰值應變降低幅度為13.6%～25.9%.

由此說明,摻加適量的聚酯纖維能夠有效增強瀝青混合料的抗彎性能.

2.2.2煤矸石粉的影響

由圖1可以看出,當聚酯纖維摻量一定時,瀝青混合料SCB試件的極限拉應力隨煤矸石粉替代率的增加先增大后減小,極限拉應力達到最大值時煤矸石粉替代率為50%.圖1(a)、(b)、(c)中曲線顯示,當聚酯纖維摻量為0.40%,煤矸石粉替代率由0%增加到50%時,0%、7.0%、13.0%濃度NaCl溶液浸泡下試件的極限拉應力分別由3.934、3.813、3.555MPa提高到4.322、4.195、3.859MPa.極限拉應力提高幅度為8.6%～10.0%.煤矸石粉替代率由50%增加到100%時,0%、7.0%、13.0%濃度的NaCl溶液浸泡下試件的極限拉應力分別由4.322、4.195、3.859MPa降低到4.036、3.956、3.642MPa.極限拉應力降低幅度為4.8%～6.6%.圖1(d)中試件的極限拉應力在煤矸石粉替代率為25%時達到最大值,并且極限拉應力提高了11.3%.因此,當煤矸石粉替代率為25%～50%時,試件表現出優異的抗彎能力.

圖1 瀝青混合料極限拉應力隨聚酯纖維摻量與煤矸石粉替代率的變化Fig.1 Variation of ultimate tensile stress of asphalt mixtures with wPF and wCGP

由圖2可以看出,當聚酯纖維摻量一定時,瀝青混合料SCB試件的峰值應變隨著煤矸石粉替代率的增加先增大后減小.峰值應變達到最大值時煤矸石粉替代率為50%;當聚酯纖維摻量為0.40%,煤矸石粉替代率由0%增加到50%時,0%、7.0%、13.0%、26.5%濃度的NaCl溶液浸泡下試件的峰值應變分別由4.1、3.8、3.6、3.4μm/m提高到5.9、5.7、5.4、5.2μm/m.峰值應變提高幅度為43.9%～52.9%;煤矸石粉替代率由50%增加到100%時,0%、7.0%、13.0%、26.5%濃度NaCl溶液浸泡下試件的峰值應變分別由5.9、5.7、5.4、5.2μm/m降低到4.9、4.4、4.0、3.2μm/m.峰值應變降低幅度為16.9%～38.5%.

由此說明,在填料中添加適量的煤矸石粉可以有效增強瀝青混合料的抗彎性能.

2.2.3NaCl溶液濃度的影響隨著NaCl溶液濃度的增加逐漸減小;當煤矸石粉替代率為50%,聚酯纖維摻量為0.40%時,隨著NaCl溶液濃度的增大,極限拉應力依次為4.322、4.195、3.859、3.560MPa.說明隨著NaCl溶液濃度的增加,瀝青混合料內部的損傷程度加重,NaCl的侵入,降低了瀝青、集料、填料以及纖維之間的整體黏結力和握裹力,從而降低了瀝青混合料SCB試件的極限拉應力.

由圖1可以看出：當煤矸石粉替代率和聚酯纖維摻量一定時,瀝青混合料SCB試件的極限拉應力由圖2可以看出：當煤矸石粉替代率和聚酯纖維摻量一定時,隨著NaCl溶液濃度的增加,瀝青混合料SCB試件的峰值應變減小;當煤矸石粉替代率為50%,聚酯纖維摻量為0.40%時,隨著NaCl溶液濃度的增大,峰值應變依次為5.9、5.7、5.4、5.2μm/m.說明隨著NaCl溶液濃度的增加,瀝青混合料內部的損傷加重,降低了內部結構的整體性,從而降低了瀝青混合料SCB試件的峰值應變.

圖2 瀝青混合料峰值應變隨聚酯纖維摻量與煤矸石粉替代率的變化Fig.2 Variation of peak strain of asphalt mixtures with wPF and wCGP

由此說明,NaCl侵蝕是瀝青混合料抗彎性能下降的重要因素.

2.3 因素顯著性分析

不同影響因素與試件極限拉應力的方差分析見表4.由表4可以看出：不同影響因素與瀝青混合料極限拉應力的顯著性差異系數(sig)均為0,這表明聚酯纖維摻量、煤矸石粉替代率和NaCl溶液濃度對試件極限拉應力均有顯著影響;由統計量F值的大小可知,NaCl溶液濃度對試件極限拉應力的影響最顯著,聚酯纖維摻量次之,煤矸石粉替代率顯著性最低.

表4 不同影響因素與試件極限拉應力的方差分析Table 4 Analysis of variance of different influencing factors and ultimate tensile stress of specimens

3 超聲波無損檢測結果與分析

超聲波在固體、液體、空氣中的波速是逐漸降低的,可以由超聲波檢測儀測試得到的波速v來分析試件內部的孔隙情況,以此推斷試件內部損傷情況.2008年,吳金榮等[16]通過超聲波檢測得到了瀝青混合料波速與抗彎強度的關系.2015年,Cui等[17]通過超聲波檢測來表征單調壓縮加載和重復壓縮加載對熱拌瀝青混合料(HMA)的機械損傷,得到了HMA損傷與加載方式的關系.顏可珍等[18]采用超聲波法來評價瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)的凍融循環性能,并提出了提高評價準確性的方法.

因此,本文將侵蝕后的瀝青混合料SCB試件放置于超聲波無損檢測儀上,先測得超聲波在試件內部的傳播時間,再用SCB試件厚度除以超聲波傳播時間,計算得到不同濃度NaCl溶液侵蝕情況下瀝青混合料SCB試件的波速v,如表5所示.

表5 不同濃度NaCl溶液侵蝕情況下瀝青混合料的波速和極限拉應力Table 5 Wave velocity and ultimate tensile stress of asphalt mixture with different contents of NaCl solution

由表5可以看出,瀝青混合料的波速和極限拉應力均隨著NaCl溶液濃度的增加而逐漸降低.說明隨著NaCl溶液侵蝕的加劇,瀝青混合料試件內部出現細小的孔隙使超聲波的波速降低.NaCl侵蝕破壞了瀝青混合料內部的原始結構,使得其極限拉應力也隨之降低.為了展現瀝青混合料波速與極限拉應力反應出的一致規律,將兩者進行了雙對數線性擬合,擬合公式如式(3)、(4)所示.擬合結果如表6所示.

σt=AeBv

(3)

lnσt=lnA+Bv

(4)

式中：A為擬合常數;B為侵蝕損傷因子.

表6 瀝青混合料的波速與極限拉應力的擬合結果Table 6 Fitting results of wave velocity and ultimate tensile stress of asphalt mixture

由表6可以看出,瀝青混合料的波速與極限拉應力的相關性系數R2較高,分別為0.643、0.980、0.981、0.977.波速越大說明試件的內部結構越完整致密,強度也越高,對應的極限拉應力也就越高.侵蝕損傷因子B越大,擬合直線越傾斜,說明極限拉應力的降低速度越快.侵蝕損傷因子隨著NaCl溶液濃度的增加逐漸增大,擬合直線逐漸變陡,瀝青混合料極限拉應力的下降程度增加,這也充分說明NaCl侵蝕加劇了瀝青混合料的損傷程度.

4 微觀機理分析

借助掃描電子顯微鏡(SEM)來觀察煤矸石粉、礦粉和聚酯纖維在瀝青混合料中的形態[19-21],結果見圖3.

4.1 煤矸石粉微觀機理分析

煤矸石粉和礦粉在所含成分、比表面積以及粗糙程度等方面有顯著的不同[22].由圖3(a)、(b)可看出：首先,就比表面積而言,煤矸石粉比表面積比礦粉更大,吸附瀝青的能力更強,增厚瀝青膜的能力也更高,瀝青混合料的塑性能力和柔性也隨之提高;其次,煤矸石粉表面的粗糙程度高于礦粉表面的粗糙程度,前者阻礙瀝青分子運動的效果更好,對瀝青的握裹力更強,可降低瀝青分子的流動變形.粗糙的煤矸石粉在瀝青混合料中可以形成均勻且具有吸附能力的孔隙,更易于瀝青分子的進入,從而提高了瀝青混合料內部結構的整體性.當填料均為礦粉時,瀝青混合料內部骨架堆積所形成的大孔隙并不能被很好的填充,成為影響混合料開裂的潛在因素.

圖3 煤矸石粉、礦粉和聚酯纖維在瀝青混合料中的形態Fig.3 Morphology of coal gangue powder, mineral powder and polyester fiber in asphalt mixture

當填料均為煤矸石粉時,煤矸石粉比表面積大的特點致使瀝青混合料內部產生了許多中空結構,將瀝青拒之門外,在受力過程中,該處極易形成應力集中,致使混合料開裂.

當瀝青混合料中煤矸石粉替代率為50%時,瀝青、煤矸石粉、礦粉三者作用關系如圖4所示.

圖4 瀝青、煤矸石粉、礦粉三者作用關系Fig.4 Relationship between asphalt, coal gangue powder and ore powder

當加入煤矸石粉時，混合填料的級配被進一步細化,二者相互勾嵌擠壓,導致分子的受力不平衡,吉布斯自由能無法擴散[23],因此與瀝青接觸后,混合填料會迅速吸附瀝青來降低自身的吉布斯自由能,以達到相對穩定狀態.在吸附瀝青過程中,凹凸不平的混合填料與瀝青之間產生范德華力,發生極化反應,感生出電偶極矩,形成物理定向層,將瀝青牢牢鎖住,從而提高了瀝青混合料的內黏聚力,并在骨料表面形成更堅韌的瀝青膜,可延緩微裂縫的形成與擴展,提高瀝青混合料的抗裂性能.

4.2 聚酯纖維微觀機理分析

聚酯纖維是一種聚合物,質地軟、質量輕,但其強度高,回彈性和延伸性也比較好,且有較好的分散性.聚酯纖維在混合料中可以起到吸附瀝青填料,橋接集料,加固結構的作用,能有效改善瀝青混合料的路用性能[24].聚酯纖維在瀝青混合料中的分布形態如圖3(c)～(e)所示.

由圖3(c)～(e)可看出：聚酯纖維分布均勻，在瀝青混合料中橋接集料、填料以及瀝青,形成相互搭接的網格,起到了加筋和錨固的作用;同時,由于聚酯纖維的吸附作用使得填料和瀝青分子緊緊依附于聚酯纖維表面,錨固于集料之中,增加了混合料的整體性;當聚酯纖維摻量為0.40%時,聚酯纖維在瀝青混合料中的分散性好,不易結團,形成均勻相互搭接的致密網格,充分起到加筋錨固的作用.在瀝青混合料受壓過程中,聚酯纖維可以更好地擴散內部應力,抑制微裂紋的產生與擴展,明顯改善了瀝青混合料的抗彎性能;當聚酯纖維摻量過少(0.30%)時,在瀝青混合料中極其分散,不能形成均勻相互搭接的網格結構,不能夠充分地起到加筋錨固的作用,當試件受到外荷載時,不能較好地傳遞內部應力,瀝青混合料的抗彎強度不高.相反的,聚酯纖維摻量過多時,其在瀝青混合料中不能夠充分地分散開來,極易聚集成團,當試件受到外荷載時,瀝青混合料內部產生應力集中,致使其抗彎強度有所降低.

4.3 鹽分侵蝕微觀機理分析

由SEM得到NaCl溶液侵蝕前后瀝青混合料微觀結構對比,如圖5所示.

圖5 NaCl溶液侵蝕前后瀝青混合料微觀結構對比圖Fig.5 Comparison of microstructure of asphalt mixture before and after NaCl solution erosion

由圖5可知：在清水中浸泡后,瀝青混合料試件內部的瀝青膜依然致密,且瀝青、纖維與集料之間仍然有著極強的黏聚力,結構的整體性較好,結構內部幾乎沒有孔隙;經NaCl溶液浸泡后,瀝青混合料試件內部的瀝青膜凹凸不平,且瀝青膜上布滿明顯可見的孔洞,瀝青混合料內部出現損傷,破壞了試件的整體性,使結構變得松散,黏聚力下降,對瀝青混合料的抗彎強度損害嚴重.這也說明了NaCl溶液侵蝕是致使瀝青混合料抗彎性能降低的重要因素之一.

浸泡在NaCl溶液中的瀝青混合料同時受到水分和NaCl溶液的雙重侵蝕,溶液中游離的Na+和Cl-會加速瀝青混合料的老化,使鹽溶液更易滲入到瀝青-集料界面的孔隙和毛細管中,破壞瀝青膜,降低瀝青與集料的黏結性[25-27].在高溫加速侵蝕過程中,高溫使瀝青混合料中水分蒸發,導致氯鹽結晶析出,在瀝青混合料內部產生結晶壓力,致使混合料內部損傷,進而影響瀝青混合料的抗彎性能.

5 結論

(1)由于均勻隨機分布的網絡狀聚酯纖維具有吸附、錨固和加筋作用,因此摻加聚酯纖維后,瀝青混合料的極限拉應力和峰值應變提高,極限拉應力提高幅度在15.5%～24.3%.聚酯纖維的最佳摻量為0.40%.

(2)用適量的煤矸石粉等質量替代礦粉可以提高瀝青混合料的抗彎性能.煤矸石粉替代率的最佳值為50%.

(3)瀝青混合料的極限拉應力和峰值應變隨著NaCl溶液濃度的增大而降低.當煤矸石粉替代率和聚酯纖維摻量均為最佳時,瀝青混合料極限拉應力隨著NaCl溶液濃度的增加而逐漸降低.鹽分侵蝕能加速瀝青混合料抗彎性能的衰減.

(4)根據超聲波在瀝青混合料中的波速來判斷鹽分侵蝕下瀝青混合料內部的損傷,侵蝕損傷因子越大,瀝青混合料的極限拉應力損失速率越大.NaCl溶液濃度越大,瀝青混合料的損傷程度越高.

(5)通過SEM可以得出,在NaCl溶液的侵蝕下,氯鹽分子進入瀝青混合料內部,降低了材料內部整體的黏結力和握裹力,使瀝青混合料內部出現損傷,致使其內部結構破壞、整體性降低,大大降低了瀝青混合料的抗彎性能.