濕熱環境下海鹽侵蝕對瀝青-集料界面體系的損傷效應分析

周志剛， 李浩嘉， 劉 鑫， 賀文莉

(長沙理工大學 道路結構與材料交通行業重點試驗室， 湖南 長沙 410114)

多孔瀝青混凝土是透水瀝青路面的重要組成部分.粗集料的接觸區是多孔瀝青混凝土的薄弱環節，由于缺少細集料的約束，粗集料之間基本是點對點接觸并具有較高的應力水平[1-2].水流的長期沖刷會減少該區域瀝青膠漿的數量，尤其是在飽水狀態下，行車荷載會使空隙內的水流產生動水壓力，造成局部瀝青膠漿破裂，促使水分侵入瀝青-集料界面，降低界面黏結強度[3]，從而形成集料松散之類的病害.因此，需要選擇高黏瀝青來提高多孔瀝青混凝土結構的穩定性和抗水損害的能力.Mo等[4]提出了多孔瀝青混凝土集料接觸區的理想化模型，該模型包含4個基本組分：集料、瀝青-集料界面、富瀝青夾層(界面瀝青膜)和瀝青膠漿.受邊緣效應的影響，界面瀝青膜的礦粉數量很少，瀝青-集料界面與界面瀝青膜構成了瀝青-集料界面體系(黏附區).

在有水條件下，瀝青-集料界面體系強度降低的速率比瀝青膠漿更快.因此，集料接觸區容易發生界面強度失效.瀝青和集料表面極性組分之間的相互作用，是決定瀝青-集料界面黏結強度和耐久性的關鍵因素.Wang等[5]采用經典分子動力學方法，研究了水對瀝青-集料界面的損傷效應，發現在水分子的作用下瀝青-集料界面黏結強度會出現明顯的下降，并且下降速率隨著含水量和溫度的上升而增大.Zhang等[6]的試驗表明，瀝青-集料界面強度的下降速率不僅與瀝青的種類有關，而且與集料的吸水率密切相關，瀝青與花崗巖界面的水穩定性比石灰巖差.豆瑩瑩等[7]的研究表明，老化會增加水在瀝青中的擴散速率，降低瀝青-集料界面的黏結強度，使瀝青膜更容易剝落.

宏觀的瀝青混凝土性能試驗很難揭示集料接觸區的強度失效機理，因此需要開展相應的細-微觀研究.目前，細微觀研究的主要方法可以分為2類：一類是基于熱力學理論評價瀝青混凝土的水穩定性，應用最多的是表面自由能理論[8-10]；另一類是通過細觀力學試驗，分析環境因素對瀝青膠漿或者瀝青-集料界面的損傷效應[11-15].細觀力學試驗包括了直接拉伸試驗、搭接剪切試驗以及疲勞試驗等.在研究瀝青-集料界面強度時，常溫下一般選擇直接拉伸試驗.

綜上所述，本文將重點開展海鹽-濕-熱耦合作用對瀝青-集料界面體系的損傷效應研究.通過不同鹽溶液浸泡和瀝青材料自愈模擬試驗，根據直接拉伸試驗得到的瀝青-集料界面體系的抗拉強度和瀝青膜剝落率，對比研究鹽溶液類型、濃度、浸泡時間對瀝青-集料界面體系強度特性、自愈能力以及水穩定性的影響，并結合表面自由能理論分析瀝青-集料界面體系的損傷機理，為透水性瀝青路面在沿海地區的推廣應用提供依據和指導.

1 原材料及“三明治”夾心試樣制備

1.1 高黏瀝青

選用交通運輸部公路科學研究院研制的HVA高黏劑，對SBS摻量為4.5%(質量分數，文中涉及的摻量、含量等均為質量分數)的成品SBS改性瀝青(I-D)進行復合改性.將成品SBS改性瀝青與HVA按照92∶8的質量比，用高速剪切儀制備高黏瀝青(H-SBS modified asphalt)，剪切速率為5000 r/min，持續剪切45min，整個過程溫度控制在180～190℃，剪切完成后將改性瀝青放入180℃烘箱中發育30min.復合改性前后SBS改性瀝青的技術指標如表1所示.

1.2 鹽溶液

表1 改性前后SBS改性瀝青的技術指標

1.3 集料芯樣

玄武巖是一種常用于瀝青路面表層的硬質巖石，此處選用玄武巖制備圓柱體集料芯樣.為了盡可能真實地模擬集料與瀝青界面體系細觀結構尺寸，同時保證試驗的可操作性，參照文獻[4]的做法，確定集料芯樣直徑為20mm.如圖1所示，首先將大體積石料切成邊長為80mm的立方體，然后將立方體石料切片，保證厚度均勻(10mm)，隨后在鉆芯機上鉆取直徑為20mm的圓柱體芯樣，并用砂紙打磨集料芯樣表面，最后用100℃沸水清洗集料芯樣并烘干.

圖1 集料芯樣制備過程Fig.1 Fabrication process of aggregate core samples

1.4 “三明治”夾心試樣

集料表面的純瀝青膜厚度小于20μm，所以首先研究瀝青膜厚度在20μm范圍內變化對瀝青-集料試樣抗拉強度的影響，以確定后續溶液侵蝕試驗中瀝青-集料界面瀝青膜的厚度.

自主研發了1套“三明治”試樣成型設備，試樣的瀝青膜厚度由數顯千分尺控制，下部圓柱體集料位置固定不變，上部圓柱體集料隨著數顯千分尺的伸縮可以上下移動，數顯千分尺的精確度為微米級.在試樣成型過程中，通過數顯千分尺的微調旋鈕來調控上下集料的間距以保證試樣的瀝青膜厚度達到設定值.首先將集料芯樣加熱到190℃，該溫度符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》；然后將瀝青均勻涂抹至上下2個集料芯樣的表面，最后調整集料芯樣的間距，成型試樣.試樣的瀝青膜厚度(集料間距)分別為0、2、4、6、12、20μm.由于經砂紙打磨之后，集料芯樣表面仍存在一定的凸起.當集料芯樣間距為0時，上下集料表面的凸起部分相互接觸，但在凸起的間隙處仍存在一定數量的瀝青，可以將上下集料表面黏結起來.成型后的瀝青-集料試樣如圖2所示.

圖2 成型后的瀝青-集料試樣Fig.2 Fabricated asphalt-aggregate specimen

2 試驗方法

2.1 直接拉伸試驗

直接拉伸試驗采用美國公路及運輸協會(AASHTO)的Binder Bond Strength(BBS)Test和美國試驗與材料協會(ASTM)推薦的Quantum Gold型氣動黏結力拉伸測試儀(P.A.T.T.I)，本文設計了1套與P.A.T.T.I加載活塞匹配的“三明治”試樣拉伸夾具，用于直接拉伸試驗(見圖3).拉伸試驗在20℃下進行，加載速率控制在35kPa/s，每個瀝青膜厚度制作4個平行試件.

圖3 P.A.T.T.I 加載活塞Fig.3 Loading piston of P.A.T.T.I

2.2 溶液侵蝕模擬試驗

模擬5%NaCl溶液、10%NaCl溶液、5% Na2SO4溶液以及5%的復合鹽溶液等4種鹽溶液和水，在高溫條件下對瀝青-集料界面體系和集料表面的侵蝕作用.將瀝青-集料“三明治”夾心試樣分別在5種溶液中浸泡8h、1、2、4、6d，對比鹽種類及溶液質量分數、浸泡時間對瀝青-集料界面的侵蝕效應.在浸泡前期，瀝青-集料試樣的抗拉強度可能下降較快，所以適當地縮短了試驗前期數據采集的周期，每組試驗制備4個平行試件.

所有試樣的浸泡溫度均設定為60℃，這主要是為了模擬沿海地區在夏季高溫條件下路面結構內部的實際溫度.高溫會加劇分子的熱運動，因此會促進水和海鹽溶液的侵蝕效果.

在到達測試時間后，從恒溫水箱中取出裝有浸泡試樣的小玻璃瓶，放入20℃烘箱中保溫1h.待其溫度穩定在20℃后，將瀝青-集料試樣從小玻璃瓶中取出，并與拉伸夾具連接，然后用P.A.T.T.I測試抗拉強度.完成直接拉伸試驗之后，將破壞后的試樣放在室溫下自然晾干，待其表干后用數碼照相機以超微距模式采集破壞面的圖像，再運用Image-pro plus軟件進行圖像處理，計算破壞面瀝青膜的剝落率.

2.3 瀝青-集料界面自愈試驗

目前，關于瀝青與集料界面的自愈現象鮮有學者研究.本文將研究鹽溶液侵蝕對瀝青-集料界面自愈能力的影響，試驗方案如表2所示.

表2 瀝青-集料界面自愈試驗方案

表2中，方案①與前述的溶液浸泡試驗對比，可用于研究瀝青-集料試樣在60℃的界面自愈能力.在高溫浸泡階段與前述的溶液浸泡試驗的處理方式相同，浸泡6d后將試樣從玻璃瓶中取出，放入60℃ 烘箱中加熱3h，然后在20℃靜置2h，待其恢復常溫后，用P.A.T.T.I測試抗拉強度.方案②與方案①相互對比，可以分析自愈后瀝青-集料試樣的高溫水穩定性.其操作流程與方案①一致，將60℃自愈后的瀝青-集料試樣，在常溫靜置2h后放入裝滿水的小玻璃瓶，隨后在60℃恒溫水箱內浸泡8h(可用于與2.2節溶液浸泡8h的試驗結果對比，反映自愈后試樣的高溫水穩定性)，然后從水箱中拿出，待其恢復到20℃后，用P.A.T.T.I測試抗拉強度，并分析破壞面的瀝青膜剝落率.

3 瀝青膜厚度對瀝青-集料試樣抗拉強度的影響

瀝青-集料試樣在20℃的抗拉強度如表3所示.從表3可以看出：(1)在6～20μm的范圍內，隨著瀝青膜厚度的減小，瀝青-集料試樣的抗拉強度逐漸增大，這與Huang等[26]的試驗結果一致.這是因為瀝青膜的厚度越薄，內部的缺陷越少，拉伸過程中會表現出較高的抗拉強度.(2)在0～6μm的范圍內，瀝青-集料試樣的抗拉強度隨著瀝青膜厚度的減小逐漸下降，所有試樣的破壞面均呈瀝青膜內聚力失效.

瀝青膜厚度會存在一定的不均勻性，如圖4所示.經打磨的集料芯樣表面凹凸不平，圖中Rmax為集料表面的最大突出高度，試驗中控制的集料間距實際上是集料之間的最小間隙hmin，而其最大間隙為hmax=2Rmax+hmin.研究表明：打磨之后集料表面的最大凸出高度Rmax在3～5μm之間，而未打磨的集料表面凸起高達100μm[4].隨著集料之間瀝青膜厚度的減小，hmin/hmax越來越小，說明瀝青膜厚度的最大值和最小值差異越來越大，瀝青膜厚度更加不均勻.厚度不均勻的瀝青膜在拉伸過程中更易造成局部應力集中，使得瀝青膜更早地出現破壞.因此，當瀝青膜的厚度小于6μm時，瀝青-集料試樣的抗拉強度隨著瀝青膜厚度的減小反而下降.

表3 不同瀝青膜厚度的“三明治”試樣抗拉強度

圖4 集料表面微觀特征示意圖Fig.4 Schematic diagram of aggregate surface microscopic feature

綜上所述，6μm的瀝青膜厚度能夠保證集料表面與瀝青膜具有良好的黏附性，同時表現出較高的抗拉強度，這有利于測試海鹽侵蝕損傷后的瀝青-集料界面強度.因此，本文將瀝青膜厚度為6μm的瀝青-集料試樣作為研究各種溶液對瀝青-集料界面體系損傷效應的標準試樣.

<1)，且各件產品是否為不合格品相互獨立．

4 瀝青-集料界面體系損傷效應分析

在不同溶液中浸泡不同時間后的瀝青-集料試樣抗拉強度如表4所示，表中括號內數據為偏差.從表4可以看出：隨著浸泡時間的延長，瀝青-集料試樣的抗拉強度逐漸下降，前期的下降速率較快，隨后趨于平穩；每種鹽溶液對試樣抗拉強度影響的程度不同，其中浸泡在5%Na2SO4溶液中的試樣抗拉強度下降最多，然后依次是5%復合鹽溶液、5%NaCl溶液、水和10%NaCl溶液，由此可見低濃度鹽溶液對瀝青-集料試樣的損傷效應要大于水.

表4 浸泡后瀝青-集料試樣的抗拉強度

瀝青-集料試樣破壞面的圖像如表5所示.從表5可以看出：隨著浸泡時間的增加，瀝青-集料試樣破壞面殘留瀝青膜的數量減少；集料表面的瀝青膜并沒有表現出大面積的整體剝落，而是小范圍的間隔剝落.運用Image-pro plus軟件對采集的破壞面圖像進行圖像處理分析，瀝青膜與集料表面的邊界識別如圖5所示.

將瀝青-集料試樣破壞面的總剝落面積除以破壞面的橫截面積就能計算出相應的瀝青膜剝落率，結果如表6所示.從表6可以看出：瀝青-集料試樣破壞面瀝青膜的剝落面積隨著浸泡時間的延長逐漸增大，前2d的漲幅最大，所有試樣的剝落率在浸泡2d后均超過了75%；5%Na2SO4溶液的剝落速率增加最快，浸泡2d后就達到了95%，在隨后的4d里雖然變化不大，但是其強度仍然有一定程度下降.這說明溶液的侵蝕作用，使得瀝青-集料試樣的破壞形式由侵蝕前的瀝青膜失效逐漸地轉化為界面失效.

5 海鹽侵蝕的損傷機理分析

在有水溶液條件下，溶液會自發地促使瀝青-集料的界面分離，形成瀝青-溶液和集料-溶液2個新的界面，該過程中發生的能量變化即剝落功.

表5 浸泡后瀝青-集料試樣破壞面圖像

圖5 殘留瀝青膜與集料表面的邊界識別Fig.5 Boundary identification of residual asphalt film and aggregate surface

表6 浸泡后瀝青-集料試樣破壞面瀝青膜剝落率

海鹽溶液對瀝青-集料界面造成損傷需要經過浸潤和分離2個階段，鋪展功能夠反映溶液浸潤固體表面的難易程度，鋪展功越小，溶液越容易浸潤.海鹽溶液到達“三明治”試樣瀝青-集料界面有2種途徑：一種是通過浸潤瀝青膜到達界面，另一種是通過浸潤集料到達界面.所以，瀝青和集料與海鹽溶液的鋪展功之和能夠反映海鹽溶液侵入瀝青-集料界面的速率.

在測試計算剝落功和鋪展功時，集料經鹽溶液侵蝕后其表面自由能會發生變化，所以應代入侵蝕后集料的表面自由能參數，以反映海鹽溶液腐蝕作用對瀝青-集料界面強度下降過程的影響.

將式(1)所示的瀝青和集料的鋪展功Wspread(spreading work)與考慮鹽溶液侵蝕集料后的剝落功Wer-strip(erosive stripping work)之和定義為綜合剝落功Wco-strip(comprehensive stripping work)，如式(2)所示.

(1)

Wco-strip=Wer-strip+Wspread

(2)

針對浸泡6d情形，根據鹽溶液、瀝青和集料表面自由能的測試結果[27]，計算得到各種溶液與瀝青-集料界面的綜合剝落功，如表7所示.

表7 不同溶液對瀝青-集料界面的評價指標

圖6 瀝青膜剝落率、抗拉強度與綜合剝落功的關系曲線Fig.6 Relation curve between asphalt film stripping ratio, tensile strength and comprehensive stripping work

侵蝕6d后溶液對瀝青-集料界面的損傷程度較大，浸泡在5%NaCl溶液、5%Na2SO4溶液和5%復合鹽溶液中的試樣，破壞面瀝青膜剝落率接近100%.此時，用瀝青膜剝落率很難區分不同溶液對瀝青-集料界面的損傷效應.因此，瀝青膜剝落率與綜合剝落功未表現出線性相關性.試樣抗拉強度與綜合剝落功之間呈現出良好的線性關系，這是因為綜合剝落功的方程中含有瀝青膜的鋪展功，該指標反映了溶液侵入界面瀝青膜的能力.而界面瀝青膜內的水分含量越多，乳化作用越明顯，其拉伸強度下降得越大.所以，該指標不但考慮了溶液透過瀝青膜到達瀝青-集料界面的能力，也在一定程度上反映了溶液對瀝青膜的乳化作用，因此海鹽溶液的綜合剝落功可以用于評價海鹽溶液對瀝青-集料界面體系的損傷效應.

6 海鹽侵蝕對瀝青-集料界面自愈能力的影響

在溶液中浸泡6d并自愈后的瀝青-集料試樣抗拉強度如表8所示.從表8可以看出，自愈后的瀝青-集料試樣在拉伸過程中均未表現出界面破壞.這說明經60℃的高溫烘干3h后，瀝青膜與集料表面重新恢復了強度，并且其大小超過了瀝青膜的內聚力.自愈后瀝青-集料試樣的抗拉強度恢復到了未侵蝕原樣試樣抗拉強度1680.16kPa的80%左右，并且浸泡在鹽溶液中的試樣自愈之后的抗拉強度高于水中浸泡的試樣；在自愈試驗之前經10% NaCl溶液處理的試樣，其殘余抗拉強度大于經5% Na2SO4溶液處理的試樣，但在自愈試驗之后正好相反.這是由于自愈后試樣的破壞形式由界面黏結力失效轉變為瀝青膜內聚力失效，而鹽溶液對瀝青膜的老化作用會增加瀝青膜的勁度[28]，Na2SO4溶液的腐蝕性較強，因此瀝青膜的老化程度較深，從而表現出更高的抗拉強度.

表8 侵蝕并自愈后瀝青-集料試樣的抗拉強度

為了檢驗自愈之后試樣的水穩定性，對自愈之后的試樣又進行了60℃水浴浸泡并測試其抗拉強度.前文試驗已表明，試樣在60℃水浴中浸泡8h后強度就會出現下降，并發生一定程度的瀝青-集料界面失效，所以這里將水穩定性試驗的浸泡時間定為8h，自愈試樣浸水之后的抗拉強度和瀝青膜剝落率，如表9所示.

表9 自愈試樣浸水8h后的抗拉強度及瀝青膜剝落率

圖7為自愈試樣浸水前后抗拉強度對比.從圖7可以看出：試樣自愈之后的抗拉強度相差不大，并且明顯高于浸泡6d試樣的抗拉強度，但自愈試樣經過8h的高溫浸水之后，抗拉強度的差異明顯.如表8所示，浸泡在5%Na2SO4溶液中的試樣浸水前后的抗拉強度比最小，說明其水穩定性最差；然后依次是10%NaCl溶液、5%NaCl溶液、5%復合鹽溶液和水.此外，自愈試樣在浸水8h后，試樣的抗拉強度均小于原樣試件在60℃水中浸泡8h的強度1467.60kPa，瀝青膜剝落率均大于原樣試件在60℃ 水中的瀝青膜剝落率55.1%.

將浸泡6d的集料表面自由能參數和水的表面自由能參數代入式(2)，計算結果如表10所示.

表10與表7中受鹽溶液侵蝕試樣的綜合剝落功不同，這是由于自愈后試樣的界面強度得到恢復，在拉伸試驗中未出現瀝青膜剝落的現象.但是，在浸水8h后自愈試樣的破壞面表現出不同程度的界面失效，因此水是引起自愈后浸水8h試樣剝落的原因.在計算綜合剝落功時，應統一代入水的表面自由能參數，以評價自愈試樣的水穩定性.表6中的試樣需要代入相應鹽溶液的表面自由能參數，以反映溶液對瀝青-集料界面的侵蝕作用.

圖8為自愈浸水試樣瀝青膜剝落率、抗拉強度和剝落功的擬合曲線.從圖8可以看出：自愈浸水試樣的綜合剝落功與破壞面瀝青膜剝落率和抗拉強度存在較好的線性關系，這一方面說明海鹽溶液對集料表面的腐蝕作用降低了自愈后瀝青-集料界面的水穩定性；另一方面也說明用表面自由能評價溶液對瀝青-集料界面剝落機理時需要考慮溶液的浸潤特性.5% Na2SO4溶液的腐蝕性最強，所以瀝青-集料界面在自愈之后水穩定性最差；10% NaCl溶液雖然浸潤到瀝青-集料界面的溶液質量比5% NaCl溶液少，瀝青膜剝落區的面積相對較小，但是它的Cl-濃度大，所以瀝青膜剝落區的腐蝕程度較高，浸泡6d的試樣經自愈試驗后雖然界面強度均得到了有效地恢復，但是受之前浸泡過程的影響，瀝青膜剝落區的腐蝕程度越高，試樣自愈之后的水穩定性越差；5%復合鹽溶液對集料表面的影響較小，因此試樣在自愈之后仍能保持較好的水穩定性.

圖8 自愈試樣浸水8h后瀝青膜剝落率、抗拉強度與綜合剝落功的擬合曲線Fig.8 Fitting curve between asphalt film stripping ratio，tensile strength and comprehensive stripping work for self-healing specimens after 8h water immersion

7 結論

(1)在20μm的瀝青膜厚度范圍內，瀝青-集料試樣的抗拉強度隨著瀝青膜厚度的減小，呈先增大后減小的變化規律，并且均未表現出界面失效.

(2)綜合剝落功越大，長期浸泡或自愈后浸水的瀝青-集料界面抗拉強度越高，瀝青膜剝落率越低，表明海鹽溶液的腐蝕特性和表面張力特性均會影響其對瀝青-集料界面的損傷效應.

(3)隨著浸泡時間的延長，瀝青-集料試樣的抗拉強度減小，破壞面瀝青膜剝落率增大.在同濃度下，Na2SO4溶液的損傷效應大于NaCl溶液.

(4)60℃高溫烘干能夠有效地恢復瀝青-集料的界面強度，但是海鹽溶液的腐蝕性越強，瀝青-集料試樣自愈之后的水穩定性越差.溶液對瀝青-集料試樣侵蝕自愈后水穩定性的影響程度由大至小排序為：5%Na2SO4溶液>10%NaCl溶液>5%NaCl溶液>5%復合鹽溶液>水.