重載交通瀝青-集料界面水分的擴(kuò)散通道和水損害分析

周新星

（1.道路結(jié)構(gòu)與材料交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京100088；2.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032；3.硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

0 引言

在高速發(fā)展的21世紀(jì)，我國(guó)公路建設(shè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)得到了飛速發(fā)展，重型貨車比例不斷提升，汽車的總載和軸載不斷提高，隨之而來的重載交通公路病害也不斷增加。水損害對(duì)重載交通瀝青路面的影響特別嚴(yán)重，是瀝青路面病害的主要破壞形式之一，已成為道路行業(yè)的世界性難題[1]，美國(guó)SHRP路面長(zhǎng)期性能研究專家組及加拿大運(yùn)輸協(xié)會(huì)都曾對(duì)其進(jìn)行了專題研究。在水、行車荷載（特別是重載）及溫度的綜合作用下，瀝青路面會(huì)產(chǎn)生剝落、內(nèi)部松散等早期損壞，大大降低了行車舒適性和路面的使用壽命。目前普遍認(rèn)為水損害的破壞形式主要有兩種：一種是瀝青-瀝青之間的黏聚破壞，一種是瀝青-集料界面間的黏附破壞。水分對(duì)瀝青-集料界面的損害程度要明顯高于水分對(duì)瀝青-瀝青之間的損害程度，瀝青路面水損害的關(guān)鍵是瀝青-集料界面的水損害。瀝青-集料界面水損害主要是由水分在動(dòng)水壓作用下的擴(kuò)散所致。瀝青-集料界面水分?jǐn)U散遷移過程大致為：首先水分侵入瀝青，其次水分進(jìn)入瀝青-集料界面，最后水分?jǐn)U散和滲透集料。目前，對(duì)水分?jǐn)U散的研究主要集中在水分在瀝青中的擴(kuò)散機(jī)制、水分?jǐn)U散對(duì)混合料性能的影響及影響水分?jǐn)U散的因素等方面，但是重載交通下瀝青-集料界面水分的擴(kuò)散及三維擴(kuò)散機(jī)制還存在很多細(xì)節(jié)尚不明確。

水與集料的黏附力較大，因此水分可侵入瀝青-集料界面，形成水-瀝青-集料的三相接觸，破壞瀝青-集料界面的黏附性。造成瀝青-集料界面黏附破壞的主要原因是水分的擴(kuò)散[2]。對(duì)于水分在混合料中的擴(kuò)散速度而言，一般認(rèn)為水分在細(xì)集料瀝青混合料中的擴(kuò)散速度大于水分在粗集料中的擴(kuò)散速度大于水分在瀝青中的擴(kuò)散速度。水分在瀝青-集料界面的擴(kuò)散分為水分在瀝青中的擴(kuò)散、水分在瀝青-集料界面接觸薄層中的擴(kuò)散及水分在集料中的擴(kuò)散。研究認(rèn)為水分在瀝青中的擴(kuò)散傳輸可分為兩個(gè)階段：水分與瀝青作用形成擴(kuò)散通道的階段；水分在瀝青中較快擴(kuò)散的階段。相比而言，水分在瀝青-集料界面層的擴(kuò)散則要復(fù)雜的多。研究認(rèn)為在長(zhǎng)期浸水作用下水分可能擴(kuò)散到瀝青-集料界面，導(dǎo)致瀝青-集料之間的黏附力下降[3]。重載交通下瀝青路面更易產(chǎn)生車轍、橫向裂縫、松散及剝落等病害。液態(tài)水和氣態(tài)水都是水損害的重要來源，動(dòng)水壓或重載是水分?jǐn)U散的重要驅(qū)動(dòng)力[4]。水分?jǐn)U散可引起混合料蠕變、膨脹等塑性變形，瀝青-集料界面間水分?jǐn)U散也會(huì)使二級(jí)鍵斷裂[5]。

前期的研究成果已深入分析了水分在瀝青中的擴(kuò)散規(guī)律、混合料中水分的存在形式及水分在混合料中的擴(kuò)散路徑等，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中還有以下幾個(gè)方面的科學(xué)問題亟待解決：水分在瀝青-集料界面間的擴(kuò)散通道；探究重載交通下水分?jǐn)U散與瀝青-集料界面水損害的相關(guān)性，評(píng)價(jià)動(dòng)水壓對(duì)瀝青-集料界面易受水損害的影響。

針對(duì)上述問題，本文對(duì)水分在瀝青-集料界面間的擴(kuò)散通道、動(dòng)水壓對(duì)瀝青-集料界面易受水損害的影響進(jìn)行了初步探討。

1 原材料和實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

瀝青材料的黏附失效是瀝青路面水損害的主要破壞形式之一，水分在瀝青-集料界面間的擴(kuò)散可導(dǎo)致瀝青混合料黏附性降低，致使瀝青膜從集料表面剝落，從而整體上降低瀝青路面抗變形能力[6]。為探明水分在瀝青-集料界面間擴(kuò)散通道，采用分子動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)水分?jǐn)U散進(jìn)行模擬計(jì)算。借助薄層色譜-火焰離子檢測(cè)技術(shù)（TLC-FID）探測(cè)70號(hào)瀝青、90號(hào)瀝青、SBS改性90號(hào)瀝青（SBS瀝青）的四組分含量，結(jié)果如表1所示。70號(hào)瀝青較90號(hào)瀝青硬，針入度低，表現(xiàn)在組分上的差異為：70號(hào)瀝青中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)含量較90號(hào)瀝青的高；70號(hào)瀝青中飽和分和芳香分含量較90號(hào)瀝青低。針對(duì)SBS瀝青，其四組分結(jié)果顯示：瀝青質(zhì)含量較基質(zhì)瀝青高，芳香分和膠質(zhì)含量變化明顯，SBS瀝青中芳香分含量較基質(zhì)瀝青大20%左右，而膠質(zhì)含量卻較基質(zhì)瀝青少20%左右。結(jié)果表示不同類型瀝青在四組分組成上具有一定的差異，SBS瀝青與基質(zhì)瀝青則具有顯著差異。根據(jù)四組分含量換算成分子個(gè)數(shù)構(gòu)建基質(zhì)瀝青和SBS瀝青分子模型。

表1 瀝青四組分?jǐn)?shù)據(jù)

1.2 瀝青-集料界面水分?jǐn)U散模型的構(gòu)建

瀝青四組分具體分子結(jié)構(gòu)參考Zhou等[7]構(gòu)建的模型，瀝青質(zhì)的平均分子式采用C72H98NO，芳香分分子式采用C23H44O3，飽和分分子式采用C22H46，膠質(zhì)分子式采用C24H50。瀝青分子模型中各組分的含量對(duì)應(yīng)各分子的分子數(shù)目，由分子數(shù)目調(diào)整各分子的含量。

如圖1所示，70號(hào)瀝青和90號(hào)瀝青分子模型的外觀形態(tài)大體相同，只存在微小差異。SBS瀝青由于加入了SBS聚合物，造成其分子模型與基質(zhì)瀝青存在顯著差異。細(xì)觀角度來看，70號(hào)基質(zhì)瀝青和90號(hào)基質(zhì)瀝青存在很大差異，特別是在分子鍵長(zhǎng)、鍵角、各組分的配位情況。

圖1 瀝青分子模型

玄武巖選用SiO2，MgSiO3，CaCO3為其主要物相。安山巖選用SiO2，CaCO3，Mg2Al4Si5O18為其主要物相。鋼渣選用Ca(Al,Si)2O4，2CaO·SiO2，Al2O3·CaO·2SiO2為其主要物相。在瀝青-集料界面模型中選用集料主晶相構(gòu)建集料的分子模型。

瀝青-集料界面模型的構(gòu)建：首先查找資料，優(yōu)選玄武巖、安山巖，鋼渣集料能力最低、最穩(wěn)定晶面，以此晶面作為瀝青-集料接觸面。綜合比選前人研究結(jié)果確定玄武巖、安山巖、鋼渣集料與瀝青的接觸晶面分別為（110）、（100）、（001）。瀝青-玄武巖界面分子模型、瀝青-安山巖界面分子模型、瀝青-鋼渣界面分子模型如圖2所示。

在瀝青-集料界面處添加水分子，讓其自然進(jìn)入，模擬水分在瀝青-集料界面間的擴(kuò)散遷移機(jī)理。

圖2 瀝青-集料界面分子模型

1.3 瀝青-集料界面水分?jǐn)U散系數(shù)的構(gòu)建

擴(kuò)散系數(shù)可以用來衡量分子運(yùn)動(dòng)和瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并可以通過均方根位移進(jìn)行計(jì)算，評(píng)價(jià)瀝青-集料界面的水分?jǐn)U散遷移機(jī)制。均方根位移是分子距離其質(zhì)心擺動(dòng)的位移,可以利用愛因斯坦方程進(jìn)行求解。均方根位移求解公式如式（1）：

式中：r(t)是t時(shí)刻的位移；（r0）是開始時(shí)刻的位移。擴(kuò)散系數(shù)可由均方根位移均衡波動(dòng)段的斜率曲線決定，具體公式如式（2）：

式中：T是分子運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 水分在瀝青-集料界面間的擴(kuò)散通道

如表2所示，水分在瀝青中是分階段擴(kuò)散的，求解的擴(kuò)散系數(shù)是平均擴(kuò)散系數(shù)。由表2可知，水分在70號(hào)瀝青、90號(hào)瀝青、SBS瀝青中的擴(kuò)散系數(shù)分別為2.23×10-12cm2/s，4.15×10-12cm2/s，3.25×10-13cm2/s。結(jié)果表明：水分在不同類型瀝青中其擴(kuò)散系數(shù)不同，相差較大，瀝青種類對(duì)水分的擴(kuò)散有較大的影響。對(duì)比前人的研究成果可知，采用分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算得出的擴(kuò)散系數(shù)與對(duì)比其他采用的測(cè)試方法得到的水分在瀝青中的擴(kuò)散系數(shù)并不一致，有的甚至差別很大，比如采用動(dòng)力方法測(cè)試得到的數(shù)值比本研究的擴(kuò)散系數(shù)大6～7個(gè)數(shù)量級(jí)。但綜合比較各方法所得結(jié)果，本研究所得結(jié)果處于中間值，與常規(guī)測(cè)試數(shù)值最為接近。因此，本研究所述方法具有一定的科學(xué)性和可靠性。水分在集料表面的擴(kuò)散系數(shù)也不盡相同，如表2，不同類型集料對(duì)瀝青的擴(kuò)散系數(shù)也存在一定的影響，綜合來看，鋼渣表面水分?jǐn)U散系數(shù)最大，其次為安山巖，水分在玄武巖表面的擴(kuò)散系數(shù)最小。假設(shè)水分?jǐn)U散系數(shù)與水損害存在直接相關(guān)性，則可得出如下結(jié)論：鋼渣表面或鋼渣瀝青混合料是最容易受水損害的集料類型或混合料，其次為安山巖表面或安山巖瀝青混合料，玄武巖表面或玄武巖瀝青混合料存在較低的水分?jǐn)U散系數(shù)，抗水損害能力最強(qiáng)，最不容易受到雨水侵蝕。

表2 水分在瀝青表面的擴(kuò)散 cm2/s

選取車輛荷載0.7 MPa、1.4 MPa、2.1 MPa作為交通荷載變量，其中1.4 MPa和2.1 MPa作為重載條件，0.7 MPa作為普通交通荷載條件。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中將車輛荷載分別換算成大氣壓強(qiáng)，可分別加載1.0 atm、1.5 atm和2.0 atm。如表3所示，重載交通下水分在瀝青中的擴(kuò)散系數(shù)較普通荷載中的擴(kuò)散系數(shù)大很多，由此可知，外加軸載可推動(dòng)水分在瀝青混合料中的擴(kuò)散，促進(jìn)水分的擴(kuò)散，促使瀝青發(fā)生水損害。外加荷載作用下集料表面水分的擴(kuò)散系數(shù)隨著外加荷載呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，結(jié)果表明：荷載作用可促進(jìn)集料表面水分的擴(kuò)散，而且荷載越大，水分?jǐn)U散系數(shù)越大。水分可促使瀝青與集料發(fā)生黏附失效，而外加荷載正是促使了這一現(xiàn)象的發(fā)生。

表3 荷載作用下水分在瀝青表面的擴(kuò)散 cm2/s

為了探明水分在整個(gè)瀝青混合料各擴(kuò)散階段的擴(kuò)散，還需針對(duì)水分在瀝青-集料界面的擴(kuò)散進(jìn)行深入分析。如圖3所示，水分在瀝青-鋼渣集料界面的擴(kuò)散系數(shù)較大，其次為瀝青-安山巖集料界面，水分在瀝青-玄武巖界面的擴(kuò)散系數(shù)最小。結(jié)果表明：水分對(duì)不同集料所在的瀝青-集料界面存在一定的影響。同時(shí)，由于水分的存在也會(huì)加劇瀝青-集料界面間的破壞。其中，瀝青-鋼渣集料是3種瀝青-集料界面中最容易受水分侵蝕的，其次是瀝青-安山巖集料界面，水分對(duì)瀝青-玄武巖集料界面的侵蝕作用最弱，因此，瀝青-玄武巖集料界面抗水損害的能力較強(qiáng)。

圖3 瀝青-集料界面擴(kuò)散系數(shù)

為了探明水分在瀝青-集料界面間的擴(kuò)散方向，對(duì)瀝青-集料界面間水分?jǐn)U散過程中的分子數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分布分析，以水分分子數(shù)量出現(xiàn)最為集中的一個(gè)方向作為水分在瀝青-集料界面間的擴(kuò)散方向。為了更加清晰地分析水分?jǐn)U散方向，將模型中瀝青和集料去掉，只留下水分子。如圖4所示，水分在瀝青-玄武巖集料界面間的擴(kuò)散方向主要是z軸和x軸，水分在瀝青-安山巖集料界面間的擴(kuò)散方向主要是z軸和x軸，水分在瀝青-鋼渣集料界面間的擴(kuò)散方向主要是主要是z軸和y軸。上述結(jié)果主要基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，并不能作為水分在瀝青-集料界面間擴(kuò)散方向的最終結(jié)果。

圖4 瀝青-集料界面間水分的擴(kuò)散方向

重荷載交通會(huì)造成瀝青路面發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，且較普通荷載更嚴(yán)重。如圖5所示，隨著外加荷載的增加，水分子不斷向z軸方向壓縮，且水分子之間的間距不斷減少，水分積聚在z軸方向。結(jié)果表明：外加荷載會(huì)顯著影響水分在瀝青-集料界面間的擴(kuò)散方向，特別是z軸方向的擴(kuò)散；同時(shí)，外加荷載還會(huì)加速水分的擴(kuò)散，縮短水分在瀝青-集料界面間的擴(kuò)散路徑。

圖5 外加荷載作用下水分在瀝青-集料界面間的擴(kuò)散方向

2.2 動(dòng)水壓對(duì)瀝青-集料界面易受水損害的影響

研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)水分浸入瀝青-集料界面處時(shí)，由于集料本身的親水特性，造成水分易取代集料表面的瀝青，導(dǎo)致瀝青膜從集料表面逐漸剝離。同時(shí)水分還會(huì)造成瀝青-集料界面黏附強(qiáng)度隨界面水分含量的增加而明顯減少。水分會(huì)溶解瀝青表面極性分子，破壞瀝青-集料界面的納米結(jié)構(gòu)層，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青-集料界面的黏附強(qiáng)度快速衰減，最終致使瀝青-集料發(fā)生黏附破壞。同時(shí)，水分在瀝青-集料界面的相對(duì)位置也會(huì)對(duì)界面黏附強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響，水分浸入瀝青-集料界面對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響明顯大于水浸入瀝青分子內(nèi)部對(duì)水損害的影響。

利用分子動(dòng)力學(xué)軟件求解黏度及水分?jǐn)U散過程中界面黏附能變化，以此評(píng)價(jià)瀝青-集料界面性能的變化，并分析動(dòng)水壓與界面黏附性能的相關(guān)性，求解其相關(guān)性模型。其中黏度可用Green-Kubo方法評(píng)價(jià)，具體計(jì)算公式如式（3）所示：

圖6 瀝青-集料界面的模擬黏度

界面黏附能可以通過瀝青的能量，集料表面的能量及瀝青-集料體系總能量計(jì)算出界面黏附能，其具體計(jì)算如式（4）：

式中：Einterface為界面黏附能；Easphalt為瀝青體系能量；Esurface為體系表面能；Etotal為瀝青-集料體系總能。

圖7 瀝青-集料界面的模擬黏附能

如圖7所示，水分的擴(kuò)散會(huì)加速瀝青-集料界面的剝落，表現(xiàn)為水分的浸入可使瀝青-集料界面間黏附能降低。隨著瀝青種類的變化，瀝青-集料界面間黏附能也發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為：SBS改性瀝青-集料界面黏附能大于90號(hào)瀝青-集料界面黏附能大于70號(hào)瀝青-集料界面黏附能。隨著外加荷載的增加，瀝青-集料界面間黏附能降低，瀝青-集料界面發(fā)生剝離的可能性增加。

3 結(jié)論

通過本文的研究得出以下主要結(jié)論：

基于瀝青四組分?jǐn)?shù)據(jù)和集料粉末衍射數(shù)據(jù)構(gòu)建了瀝青模型、瀝青-集料界面模型及瀝青混合料模型。采用分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算得出的擴(kuò)散系數(shù)與對(duì)比采用其他的測(cè)試方法得到的水分在瀝青中的擴(kuò)散系數(shù)并不一致，有的甚至差別很大。鋼渣表面或鋼渣瀝青混合料是最容易受水損害的集料類型或混合料，其次為安山巖表面或安山巖瀝青混合料，玄武巖表面或玄武巖瀝青混合料存在較低的水分?jǐn)U散系數(shù)，抗水損害能力最強(qiáng)，最不容易受到雨水侵蝕。外加荷載會(huì)加速水分的擴(kuò)散，縮短水分在瀝青-集料界面間的擴(kuò)散路徑，促使瀝青混合料發(fā)生水損害。

瀝青混合料類型會(huì)一定程度上影響水分的擴(kuò)散，且不同類型瀝青混合料對(duì)水分?jǐn)U散的影響主要體現(xiàn)在空隙率上，由于不同類型瀝青混合料的空隙率不同，導(dǎo)致水分在不同類型瀝青混合料中的擴(kuò)散系數(shù)不同。隨著動(dòng)水壓的增大，瀝青-集料界面會(huì)發(fā)生一定程度的變形，瀝青會(huì)慢慢地從集料表面剝落，水分不斷地?cái)U(kuò)散滲透進(jìn)入瀝青-集料界面。