溫濕度環境對瀝青混合料中低溫力學性能的影響

郭慶林，李懿明，胡俊興，李曉旭，高 穎

(河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

瀝青路面服役過程中完全暴露于自然環境當中，水分是影響瀝青路面強度及壽命的環境因素之一。由于瀝青混合料是一種多相復合材料[1-2]，所以水分對瀝青混合料的損害是一個包含了化學、物理學、熱動力學以及力學等問題的復雜現象[3-5]。

由于瀝青路面與路基之間存在相對濕度梯度，水汽在瀝青路面產生持續擴散，最終達到平衡狀態[6-7]。眾多研究指出，在干旱和半干旱地區，例如我國的內蒙、新疆等地區以及美國亞利桑那州均出現了瀝青路面水損害[8-14]，而這些地區降水稀少，因此瀝青路面水損害主要是由下臥層的水汽擴散引起。這也說明開展瀝青混合料水汽損害研究的必要性。事實上，水汽比流體水更容易運輸到瀝青層中[15]，但水汽損傷的漫長性增大了試驗研究難度[10]。現階段，由浸水及凍融等作用引起的瀝青混合料損傷規律已基本明確，但水汽對瀝青混合料力學性能的影響尚不清晰。此外，國內外相關學者對水汽在瀝青混合料中的擴散機制進行了深入研究，通過研究瀝青混合料的水汽擴散系數[16-19]分析不同類型混合料的水氣擴散特征，但未能明確水汽持久作用下混合料力學性能變化規律。

因此，本研究通過室內試驗方式，利用溫濕度環境箱控制水汽濃度，對瀝青混合料進行水汽環境浸潤，然后利用動態間接拉伸勁度模量和低溫劈裂試驗評價水汽作用對瀝青混合料中低溫性能的影響。

1 試驗設計

1.1 原材料

本研究試驗采用AH-70#瀝青，瀝青基本指標列于表1。試驗所用玄武巖集料，粗集料密度為2.723 g/cm3, 細集料密度為2.710 g/cm3，試驗級配為瀝青路面施工技術規范推薦的AC-13型中值級配，瀝青混合料最佳油石比為4.8%。

表1 AH-70#瀝青性能Tab.1 Properties of asphalt AH-No.70

1.2 試驗方案

在水汽環境作用下，瀝青混合料會吸收水汽，導致自身增重，對水汽吸收量的測試既要保證測試精度，又要注意稱量設備量程，另外根據Pang等[20]人的研究結果，馬歇爾擊實法制作的試件，大孔隙多集中于上下表面，因此為了避免試件表面空隙率分布不均帶來的影響，試驗中對φ101.6 mm的馬歇爾試件進行切割，去除上下表面部分，采用中間20 mm 的圓盤試件開展試驗，每組6個平行試件。本研究中溫濕度環境采用自行設計的溫濕度環境箱控制試驗環境，環境箱濕度通過飽和鹽溶液控制，試驗過程中實時監測記錄溫濕度數據，從而保證試件處理精度。溫濕度環境作用時間為30 d，整個試驗共耗時90 d完成。溫濕度控制條件見表2。對照組試件在室溫干燥器中靜置30 d。

表2 溫濕度控制條件Tab.2 Temperature and humidity control conditions

不同環境作用結束后，使用高精度電子秤稱得試件重量并記為M30 d，試件初始重量為M0，由式(1)計算吸濕率θ。

(1)

按照EN 12697-26標準，測定不同試件在20 ℃的動態勁度模量，從而評定不同水汽環境對瀝青混合料中溫性能的影響。在開啟Cooper試驗機后，設置溫度為20 ℃，將試件置于環境箱中，待環境箱溫度基本恒定后，保溫6 h，開始動態勁度模量測試。按式(2)計算動態勁度模量。

(2)

式中，F為峰值荷載；μ為泊松比，取μ=0.35；Z為水平方向上的變形；h為試件的高度。

為了分析不同水汽環境處理后瀝青混合料低溫性能的變化情況，采用1 mm/min的加載速率進行低溫間接拉伸試驗，在試驗開始前將完成水汽浸潤的試件放入-10 ℃的恒溫箱中，保溫24 h后，將試件取出在試驗機上進行間接拉伸試驗。在此過程中利用數字散斑圖像相關技術測定試件表面的拉伸應變，測定標距為50 mm。利用式(3)可以確定劈裂強度。

(3)

式中，RT為劈裂抗拉強度；PT為試驗荷載最大值；h為試件的高度；E為彈性模量；a為壓條寬度；d為試件厚度。利用式(4)分析不同作用對瀝青混合料低溫模量的影響[21]。

(4)

式中，ΔU=U1-U2，ΔV=V1-V2；ΔP=P1-P2為試件中心周圍標距長度為50 mm的區域內的水平和垂直位移。P1，P2為與U1，U2和V1，V2相對應的荷載；β1，β2，γ1，γ2取值分別為：-0.021 5，-0.006 2，0.004 7，0.015 7。

此外，采用斷裂能、耗散蠕變應變能和彈性應變能評價不同水汽環境對混合料低溫斷裂能的影響。斷裂能、耗散蠕變應變能和彈性應變能的聯系如圖1所示，它們可按照式(5)～(7)計算得到。

(5)

(6)

DCSE=FE-EE，

(7)

式中，RT為間接拉伸強度；E為楊氏模量；EE為彈性應變能；FE為斷裂能，即σt-εt曲線下至破壞點的面積；DCSE為耗散蠕變應變能；εf為破壞應變；σt為應力，ε為應變。

2 結果與討論

2.1 國內水汽濃度統計分析

為了確定溫濕度環境的典型值，本研究選取國內5個典型氣候類型中43個地區作為調查對象，以年為周期，統計一年內各地區的月平均溫度和平均相對濕度。并根據溫度及相對濕度數據計算絕對濕度，不同地區溫度與絕對濕度關系如圖1所示。

圖1 DCSE示意圖Fig.1 Schematic diagram of DCSE

圖2 溫度與絕對濕度關系Fig.2 Relation between temperature and absolute humidity

從圖2可以看出，各地區絕對濕度隨溫度升高呈現冪指數升高的趨勢。統計的43個地區，溫度范圍為-30～30 ℃。溫度較低時(-30～0 ℃)，絕對濕度偏低，均小于5 g/m3。隨著溫度升高，當溫度超過5 ℃后，絕對濕度迅速增大，但各地區絕對度最大值未超過25 g/m3。考慮到路面實際工作溫度會有很長時域超過30 ℃，且羅晶[22]等人研究指出當相對濕度大于80%時，水汽會造成混合料黏附性顯著下降，綜合大氣絕對濕度環境特點和瀝青混合料實際服役所處的環境溫度，本研究選取5，25 ℃和40 ℃這3個溫度作為水汽環境溫度，根據圖2中絕對濕度與溫度關系曲線確定該溫度下相應的相對濕度水平，通過預試驗發現當采用飽和KCl溶液控制相對濕度時，可以達到與實際大氣環境近似的溫濕度環境，因此最終確定采用此3組工況作為本研究的試驗工況；第1組5 ℃/87.7%，第2組25 ℃/82%和第3組40 ℃/82%，分別對應低溫水汽工況、中溫水汽工況、高溫高濕工況。

2.2 瀝青混合料吸濕性

由表3可以看出試樣吸濕率隨溫度和絕對濕度的增加而下降。試件在絕對濕度為18.94 g/m3的條件下比在5.98 g/m3條件下，吸濕率下降了9.07%；當絕對濕度為41.97 g/m3時，吸濕率相比于第2組降幅明顯，下降了22.44%。此時相對濕度不變而溫度升高了15 ℃，由此可見溫度是影響吸濕率變化的主要因素。由于水汽在環境箱和試件內部的運動是動態平衡的，溫度升高時，水分子獲得更多的能量，運動速度加快，試件吸入、呼出水分子的頻率加快，試件內部水汽擴散到環境箱中的比例提高，因此吸濕率降低。

表3 各組別30 d吸濕率Tab.3 Moisture absorption rates of each group at 30 days

2.3 水汽環境對混合料模量的影響

由圖3可以看出，低溫楊氏模量和中溫動態勁度模量均隨溫濕度變化而變化，第1組～第3組絕對濕度增大，水汽作用導致楊氏模量和動態勁度模量下降。2種模量的降低一方面與溫度有關，另一方面與瀝青的自發乳化有關。對比不同組別可以看出，第1組和第2組環境條件下的Sm和E與對照組相比變化不大，分別下降了4.1%和16.91%以及8.49%和12.93%。但試件在高溫高濕條件作用30 d后，E和Sm均有明顯降低，E降低了約72%，而Sm約降低了34%，這說明高溫高濕對中低溫模量具有顯著影響。對比E和Sm的降低幅度可以看出，低溫模量對水汽影響更敏感，因此下文著重對混合料低溫指標變化情況開展分析。

圖3 不同溫濕度影響下模量變化規律Fig.3 Variations of modulus under influence of different temperatures and humidities

2.4 溫濕度對混合料低溫抗裂性的影響

由圖4可知，隨著溫度和絕對濕度的增加劈裂強度呈下降趨勢，劈裂強度越小表明水損程度越大，試件的抗裂性越差。對照組的劈裂強度值為3.40 MPa，第1組和第2組環境處理過的試件劈裂強度變化不大，當試件經過第3組的環境條件處理后，劈裂強度為2.80 MPa，下降了17.65%。水汽濃度越大，更多的水分子會通過氣孔遷移，并通過瀝青膜上的空隙擴散到瀝青-集料交界面，在油石界面形成水敏感層，這會削弱瀝青層相對厚度，導致油石界面黏結性能的降低[23]，從而引起劈裂強度下降。破壞應變隨著環境條件的變化呈現出相反的規律，破壞應變在高溫高濕處理后明顯增大，相比與對照組上升了88.04%。破壞應變的提高與瀝青性質的變化有著密切關系，水分子進入進瀝青時在瀝青分子鏈之間擴散并占據分子鏈之間的位置。因此，分子鏈之間的距離增加，瀝青變得更軟，破壞應變增加[1]。

圖4 不同溫濕度影響下低溫劈裂強度與破壞應變Fig.4 Low temperature strength and failure strain under influence of different temperatures and humidities

由圖5中可以看出，隨著不同組別絕對濕度的上升，FE，EE以及DCSE都出現不同程度的下降。經過第1組、第2組環境條件處理后，FE，DCSE相比于對照組下降幅度較小，尤其是第1組條件，分別下降了5.75%和6.57%。研究表明，DCSE和FE越大試件的水損程度越低、抗裂性越好[24-26]。因此，第1組條件下的水汽環境對試件的損傷程度最小。對比不同組別可以看出，試件經過高溫高濕條件處理后，FE和DCSE降幅最大，分別為21.57%和30.68%。DCSE和FE的大小與瀝青混合料的2種強度密切相關，一種是油石界面的黏結強度，另一種是瀝青的黏聚強度。第3組的水汽環境使試件的損傷程度較大，因此DCSE和FE較低。另外，對比圖5中的4組試驗結果可以看出，斷裂能和耗散蠕變應變能表現出明顯的溫度相關性，即溫度越高，DCSE和FE越低，這與Das等[27]人的研究結果一致。

圖5 溫濕度環境影響下開裂能量變化規律Fig.5 Variations of fracture energy under influence of temperature and humidity environment

通過各指標變化規律可以看出，各個指標的變化程度并不一致。因此，本研究采用指標變化率來分析經過不同溫濕度環境條件處理后各個指標對水汽作用的敏感程度。

由圖6可以看出，試件在第3組環境條件下的水損程度明顯高于第1組和第2組環境，說明高溫高濕環境對混合料的性能最不利。對比相同環境條件下不同指標的變化率可以看到，經過第1組(5 ℃/87.7%)環境條件處理后，楊氏模量的變化率最大，約為17%；而劈裂強度的變化率最小，約為0.88%。經過第2組(25 ℃/82%)環境條條件處理后，仍然是楊氏模量的變化率最大，約為13%，變化率最小的是破壞應變，約為2%。經過第3組(40 ℃/82%)環境條件處理后，破壞應變的變化率最大，約為88%，楊氏模量次之，約為72%；彈性應變能的變化率最小，約為15%。綜上所述，楊氏模量對不同溫濕度環境的敏感性較高，因此可以更準確地表征不同溫濕度環境處理對試件力學性能的影響程度。

圖6 各指標相比對照組變化率Fig.6 Change rate of each indicator compared to control group

3 結論

本研究研究了不同水汽環境對瀝青混凝土力學性能的影響，對我國典型地區的絕對濕度分布特點進行了分析，并確定了3種典型水汽作用環境。對不同絕對濕度下水汽浸潤30 d后的瀝青混凝土試件進行了中低溫間接拉伸試驗，通過分析可以得出如下結論：

(1)分析我國5個氣候類型43個地區各月的平均氣溫和平均濕度可以看出我國各地區全年絕對濕度均在25 g/m3以下，絕對濕度和溫度呈現明顯的冪指數關系，絕對濕度隨著溫度的增加而上升。

(2)瀝青混混凝土的吸濕率隨著溫度和濕度的增加呈現出下降趨勢，在高溫高濕狀態下吸收水分有限。

(3)相對于中溫勁度模量，低溫模量對水汽作用更敏感，高溫高濕將導致中低溫模量的顯著下降，溫濕度環境對瀝青混合料的低溫抗裂性影響顯著。高溫高濕環境將導致瀝青混合料低溫破壞應變增大，抗裂強度降低，并且導致低溫破壞能量衰變。高溫高濕環境對瀝青混合料最不利。楊氏模量可以更準確地表征不同溫濕度環境對瀝青混合料力學性能的影響。