紫外老化對溫拌膠粉改性瀝青砂漿開裂特性的影響

崔世超， 王 嵐，*

（1.內蒙古工業大學 土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.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）

瀝青混合料是以粗集料為分散相，瀝青砂漿為分散介質的一種粗分體系.根據現代膠體理論，分散介質對整個分散體系具有重要影響.因此，對瀝青砂漿的路用性能展開研究具有重要意義.

已有研究表明，老化會降低瀝青路面的路用性能，尤 其 是 開 裂 性 能［1-2］.Montepara 等［3］與Bocci 等［4］發現，高能紫外線會引發瀝青的聚合反應.Hao 等［5］發現，長期老化作用后抗剝落型瀝青混合料的水穩定性大幅度降低，而短期老化作用后的水穩定性有所提高.Gallego 等［6］發現，熱氧老化作用會促進裂紋的發展.Lee 等［7］發現，再生膠粉改性瀝青混合料老化后的高溫黏度、高溫及中溫流變性、低溫抗裂性等性能依然滿足Superpave 中對膠結料的要求.Mo 等［8］發現，熱氧老化作用后瀝青混合料的高溫抗剝落性能有所下降，低溫抗剝落性能大幅度降低.Cygas 等［9］發現，熱氧老化作用后再生瀝青混合料的路用性能優良.Glaoui 等［10］發現，老化熱循環引起的路面熱疲勞是加速路面退化的主要原因.Dony 等［11］發現，熱氧老化會使瀝青路面的使用壽命大幅度降低.Samer 等［12］發現，添加了抗氧劑的瀝青混合料具有更好的抗拉強度比及抗車轍能力.Xie 等［13］研究發現，瀝青砂漿的抗紫外老化能力優于瀝青，同時確定了紫外老化作用下的最佳油砂比.

內蒙古地區晝夜溫差大，瀝青路面容易出現開裂破壞，而紫外（UV）老化會加速開裂破壞.因此，本文把數字圖像處理（DIC）技術與單邊切口彎曲梁（SENB）試驗相結合，對不同UV 老化時長條件下溫拌膠粉改性瀝青砂漿（CR-WAM）、熱拌膠粉改性瀝青砂漿（CR-HAM）的開裂特性展開研究，具有重要意義.

1 試驗材料及方案設計

1.1 試驗材料

基質瀝青采用盤錦90#瀝青，橡膠粉顆粒大小為600 μm，膠粉改性瀝青（CR）是在基質瀝青中摻入20%（質量分數，本文涉及的摻量、油砂比均為質量分數或質量比）的橡膠粉顆粒經濕法制備而成.溫拌劑為山東交通科學研究院自主研發的表面活性劑SDYK 與降黏劑EM，其中SDYK 為黏稠狀黃色液體，EM 為片狀白色固體. 根據已有研究成果，SDYK、EM 摻量分別為0.6%、1.0%時，溫拌效果良好.2 種溫拌膠粉改性瀝青（WCR）是在CR 中分別摻入0.6%SDYK、1.0%EM 制備而成.集料為0～5 mm的玄武巖，礦粉采用石灰巖礦粉.

1.2 試件成型

本文以AC-16 型密級配瀝青混合料為基礎，利用比表面積法和δ體積轉化法換算而來的瀝青砂漿油砂比分別為12.15%、12.30%.2 種方法得出的瀝青砂漿油砂比相差不大，最終選取油砂比為12.30%.瀝青砂漿的配合比如表1 所示.通過馬歇爾等孔隙率法，確定SDYK 表面活性劑型溫拌膠粉改性瀝青混合料可以降低拌和、壓實溫度20 ℃，EM 降黏劑型溫拌膠粉改性瀝青混合料可以降低拌和、壓實溫度15 ℃，所以熱拌膠粉改性瀝青砂漿（CR-HAM）的拌和與壓實溫度分別設定為180、165 ℃，SDYK 表面活性劑型溫拌膠粉改性瀝青砂漿（CRS-WAM）和EM降黏劑型溫拌膠粉改性瀝青砂漿（CRE-WAM）的拌和、壓實溫度分別為160、145 ℃和165、150 ℃.瀝青砂漿小梁制作參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的“T0705”，先采用輪碾法制成300 mm×300 mm×50 mm 的板狀試件，再切割成190 mm×20 mm×25 mm 的瀝青砂漿小梁，最后利用小型電鋸在跨中位置切割出長4 mm、寬2 mm的預制切口.

表1 瀝青砂漿的配合比Table 1 Mix proportion of asphalt mortar

1.3 試驗設計

UV 老化試驗采用RGT-UVAH-365F 型紫外老化箱，其光源為高壓汞燈光源，額定功率為1 kW，燈管長125 mm，工作電流7.8 A，燈管電壓135 V.內蒙古年平均太陽輻射總量為6 000 MJ/m2，紫外光輻射量約占太陽輻射總量的6%，即360 MJ/m2.試件距光源距離為35 cm，利用紫外線光度計測得該處的紫外輻照強度為500 W/m2，由此可得室內模擬室外1 a 自然UV 老化所需時間為200 h.本文模擬室外自然UV老化1（UV1）、3（UV3）、5（UV5）a，室內所需時間分別為200、600、1 000 h.試驗時箱內強制通風，箱內溫度約為40～50 ℃.

SENB 試驗采用500N 萬能試驗機，控制方式為位移控制，加載速率為3 mm/min，試驗溫度10 ℃，加載過程如圖1 所示.DIC 采集頻率為10 Hz.

圖1 SENB 試驗原理圖Fig.1 Schematic diagram of SENB test principle（size：mm）

2 結果與分析

2.1 UV 老化對瀝青砂漿變形及損傷特性的影響

圖2 為不同UV 老化時長下，各種瀝青砂漿的水平位移（U）和水平應變（EXX）值隨加載時間的變化曲線.由圖2 可見：

圖2 UV 老化前后CR-HAM 與CR-WAM 的U、EXX 值隨加載時間變化曲線Fig.2 Curves of U，EXX values of CR-HAM and CR-WAM varied with loading time before and after UV aging

（1）無論是何種UV 老化時長，老化前后瀝青砂漿U值曲線的演化規律大致相同.加載初期的U值很小且增長緩慢，待達到某一時間點后，U值迅速增長，說明此時間點即為開裂時間點，且加載初期宏觀裂縫并未生成，只是損傷累計的過程.損傷累計超過一定閾值，瀝青砂漿開始出現宏觀裂縫，隨著加載時間的延長，宏觀裂縫迅速發展直至破壞.進一步分析發現，隨著UV 老化時長的延長，起裂點前移幅度逐漸增大，未老化瀝青砂漿的開裂時間點大約在80 s，UV1 后變為40 s，UV3 后變為25 s，UV5 后變為5 s，UV5 后瀝青砂漿幾乎是直接開裂.此時的瀝青砂漿喪失了大部分黏性，彈性比例大幅增加.老化前后CR-WAM 開裂時間點的出現均遲于CR-HAM，其中CRS-WAM 開裂時間點的出現最遲，老化后開裂時間點前移幅度最小，CRE-WAM 次之，說明CR-WAM 的抗開裂、抗老化能力優于CR-HAM，CRS-WAM 具有最佳的抗開裂、老化能力，CRE-WAM 次之.

（2）瀝青砂漿EXX 曲線的演化具有3 個明顯階段：第1 階段EXX 值增長幅度較小且穩定發展，第2階段EXX 值加速增長至峰值，第3 階段EXX 峰值過后迅速波動下降并趨于很小值.老化作用對EXX 值的影響主要體現在前2 個階段，瀝青砂漿的EXX 值在第1 階段增長速率較大，在第2 階段峰值提前出現，且這種規律在UV5 上更加明顯.這說明老化作用后瀝青砂漿的抗開裂能力下降，UV5 影響更為嚴重.另外還可看出，無論在何種UV 老化時長下，雖然CR-HAM 與CR-WAM 的EXX峰值均前移，但CR-WAM 前移的幅度較小，CRS-WAM 前移的幅度最小，CRE-WAM 次 之，說明CR-WAM 的抗開裂、抗老化能力均強于CR-HAM，CRS-WAM 具有最好的抗開裂、老化能力，CRE-WAM 次之.

綜上所述，CR-WAM 較CR-HAM 具有更好的抗老化、抗開裂能力，CRS-WAM 的抗老化、抗開裂能力最佳，CRE-WAM 次之.這是因為UV 老化會使瀝青質析出，導致瀝青變硬、變脆，瀝青砂漿變得更加容易開裂.SDYK 表面活性劑中的親水基和親油基抑制了部分瀝青質的析出，從而提高了其抗UV 老化的能力.此外，摻加SDYK 表面活性劑以后，親水基和親油基會對瀝青和集料有一定的吸附作用，減小了瀝青與集料的接觸角，降低了集料的表面能，使瀝青與集料形成了更加密實的裹附結構，大大提高了瀝青砂漿的抗裂性能.雖然親水基、親油基對瀝青與集料具有一定的吸附作用，但隨著UV 老化時長的延長，高能紫外線會破壞部分親水基、親油基的分子結構，使裹附能力部分喪失，才會出現上述UV5 作用后瀝青砂漿近乎直接開裂，且CR-HAM 與CR-WAM 的開裂時間點非常接近的情況.此外，高能紫外線也會導致集料-瀝青膠漿的黏結界面更加脆弱，更易損傷，所以隨著UV 老化時長的延長，瀝青砂漿越來越容易開裂.

研究瀝青砂漿小梁試件某一區域的損傷特性對裂縫的擴展規律具有重要意義，但損傷區域的選擇并不是隨機的.損傷區域的選擇應覆蓋裂紋擴展路徑，這樣對于斷裂過程中的損傷特性研究才具有實際意義.同時，考慮試驗條件最不利原則，即裂縫沿左、右兩側擴展的極限情況，最終選取20 mm×15 mm 的矩形區域作為損傷研究區域，如圖3 所示.在此研究區域內每隔0.5 mm 設置1 個計算點，共有1 200 個計算點.

圖3 區域損傷研究區域的選取Fig.3 Selection of area damage study area

參考牛冬瑜［14］給出的損傷變量公式，對所選區域的損傷因子（D）進行計算：

式中：Di為加載第i秒的損傷值；n為數據點個數；EXXij為加載第i秒第j點的水平應變值為加載第i秒的水平應變均值；DT為加載到N秒由荷載作用造成的損傷值；DTf為試件破壞時的累計損傷值.

圖4 為UV 老 化 下CR-HAM 與CR-WAM 的D值隨加載時間的變化曲線.由圖4可見：

圖4 UV 老化作用前后D 值隨加載時間的變化曲線Fig.4 Variation curves of D values with loading time before and after UV aging

（1）CR-HAM 與CR-WAM 的D值隨加載時間變化的規律大體相同，均為加載初期損傷緩慢累積，說明瀝青砂漿在宏觀裂縫形成前具有一定的抗變形能力.這是因為橡膠粉顆粒是一種高彈材料，在瀝青砂漿受荷載變形時，膠粉顆粒會儲存一定的彈性勢能，所以具有良好的抗變形能力.

（2）隨著加載時間的延長，損傷累積量逐漸增大，待達到某一時間點后損傷量開始突增，此時宏觀裂縫已經開始形成，膠粉顆粒儲存的彈性勢能得以釋放，瀝青砂漿的強度降低，抗變形能力越來越差.同時瀝青砂漿內部的微裂紋與孔洞得以發展，導致損傷累積速度加快，直至試件破壞.

由圖4 還可看出：

（1）在加載初期，UV5 后瀝青砂漿的損傷累積最快，短時間達到開裂，其次是UV3、UV1、原樣，說明UV 老化后瀝青砂漿的抗開裂能力均下降，隨著UV 時長的延長，下降的幅度增大，UV5 對瀝青砂漿的抗開裂性能影響最為嚴重.

（2）UV1、UV3 后損傷累積曲線雖然向前推移，但CR-HAM 與CR-WAM 的損傷累積速率還有很大差距，CR-HAM 的損傷累積速度快于CR-WAM.而UV5 后，CR-HAM 與CR-WAM 的損傷累積速率差距不大.這是因為高能紫外線破壞了溫拌劑的部份分子結構，致使溫拌劑喪失部分功能.

（3）高能紫外線會使瀝青砂漿黏性喪失嚴重，彈性增加速度變快，開始變脆、變硬，導致UV5 后CR-HAM 與CR-WAM 的損傷累積速率差距不大.但總體來說，CRS-WAM 始終具有最佳的抗開裂性能.

2.2 UV 老化對應力強度因子的影響

對于單邊切口梁三點彎曲試件，應力強度因子（K）值 求 解 參 考 文 獻［15-17］，如 式（3）、（4）所示.

式中：b為試件寬度，mm；h為試件高度，mm；M為彎曲力矩，N·mm；L為試件跨度，mm；a為裂縫長度，mm；Pmax為峰值荷載，N.

根 據 式（3）、（4）對UV 老 化 前 后CR-HAM 與CR-WAM的K值進行計算，結果如表2所示.K值越大，表示裂紋尖端的應力越集中，越容易斷裂.由表2可見：

表2 UV 老化作用前后的K 值Table 2 K values before and after UV aging N/mm3/2

（1）UV 老化后CR-HAM 與CR-WAM 的K值均增大，瀝青砂漿越來越容易開裂.這是因為UV 老化使瀝青膠結料發生了化學反應，導致瀝青組分發生變化，瀝青質析出.同時使原有的膠體平衡體系破壞，也改變了原有的高分子鏈結構，導致其物理特性發生變化，開始變硬、變脆，從而瀝青砂漿的抵抗裂紋擴展能力降低，更加容易開裂破壞.

（2）CR-WAM 的K值 始 終 小 于CR-HAM，CRS-WAM 具有最小的K值，其次是CRE-WAM.說明瀝青砂漿老化后的抗斷裂能力下降，但CR-WAM的抗斷裂能力始終強于CR-HAM.CRS-WAM 具有最佳的抗斷裂能力，其次是CRE-WAM.

（3）隨著UV 老化時長的延長，K值大幅度增加，UV1 到UV3 的 過 程 中CR-HAM、CRE-WAM、CRS-WAM 的K值分別增加了58%、47%、46%，UV3 到UV5 分別增加了41%、49%、44%，UV3 后K值的增加幅度最大，UV5 后增加幅度減小.這是因為UV1 時間短，瀝青砂漿黏性降低的比例較小，彈性增加量也較小，輕質組分揮發量也較少，破壞的溫拌劑分子結構也有限，導致K值并沒有大幅度提升.而UV3 時間較長，破壞了大部分溫拌劑分子結構、揮發了大比例輕質組分，黏性部分大幅度減少，彈性部分大幅度增加，K值得到大幅度提升.UV5 時可供破壞的溫拌劑分子結構、輕質組分揮發的比例有限，所以K值的提升幅度有所下降.總體來說，UV5 后瀝青砂漿的K值最大，說明裂尖應力集中更加明顯，更容易斷裂.綜上所述，CR-WAM 的抗斷裂、抗老化能力優于CR-HAM，CRS-WAM 最優，CRE-WAM 次之.

2.3 基于Abaqus圍線積分的K 值影響因素

前述探討了由經驗公式計算得出的K值，目前工程實際應用中采用數值解法求K值也比較多見，本節主要通過數值解法來求解K值，并對K值的影響因素進行探究.此外，前文已經研究了UV 老化對K值的影響規律，所以本節只以CRS-WAM 為例，對K值的影響因素進行探討，其余試件K值的影響因素具有類似規律.

圍線積分又稱云圖積分，其求解K值步驟如下：首先，創建部件、賦予部件屬性，同時在裂紋尖端設置應力集中圓形區域；其次，指定裂紋路徑與裂紋尖端；最后，創建圍線積分Crack，裂紋奇異性節點采用1/4 節點，并設定加載模式與邊界條件，而后選擇歷程輸出請求K值，劃分網格運行作業.圖5 為裂縫長度為10 mm 時未老化CRS-WAM 的K值圍線積分求解應力云圖.從圖5可以看出，裂紋尖端的應力集中非常明顯.表3 為圍線積分求解的K值.其中，輸出H-output-1_crack-1 有4 個值，K1為張開型應力強度因子，K2為滑開型應力強度因子.同時，根據式（3）、（4）求得CRS-WAM 裂紋長度為10 mm 時的K值為7.832 N/mm3/2.基于以上兩點可知，采用圍線積分求解K值具有較高的可靠性.

表3 Abaqus 圍線積分求解K 值Table 3 Abaqus contour integral for K value

圖5 10 mm 裂縫應力場云圖Fig.5 10 mm fracture stress field cloud image

圖6 為不同條件下的K值應力場云圖.由圖6（a1）～（a5）可見：隨著跨中裂縫長度的增加，應力集中的區域逐漸增大；隨著裂縫長度的增加，“V”型裂縫寬度越來越寬，瀝青砂漿試件的抗斷裂能力越來越差，說明跨中裂縫越長，試件越容易斷裂.由圖6（b1）～（b6）可見：隨著裂縫距離跨中位置越來越遠，應力集中的區域越來越小，應力集中越來越不明顯；裂紋尖端“V”型裂縫寬度也逐漸減小，說明距離跨中位置越遠，瀝青砂漿試件越不容易斷裂，這是因為跨中位置所受水平拉應力的影響較大，距離跨中位置越遠，水平拉應力的影響越小，所以越不容易斷裂.由圖6（c1）～（c6）可見：在裂縫傾斜角度α≤30°時，隨著裂縫傾斜角度的增加，應力集中區域的大小相差不大；在α＞30°時，隨著裂縫傾斜角度的增加，應力集中區域開始減小，這是因為在裂縫傾斜角度α≤30°時，垂直于裂縫的拉應力分量受裂縫傾斜角度變化的影響較大；當α＞30°時，這種影響較小，所以導致應力集中區域的這種差異性.在α≤30°時，從應力場云圖很難分辨傾斜角度對K值的影響，但從“V”型裂縫開口寬度可以看出，隨著裂縫傾斜角度的增大，“V”型裂縫開口寬度逐漸減小，瀝青砂漿試件越來越不容易開裂.

圖6 不同條件下的應力強度因子Fig.6 K values under different conditions

圖7為不同條件下的K值變化曲線.由圖7可見：

圖7 不同條件下的K 值變化曲線Fig.7 K values under different conditions

（1）K值隨著裂縫長度的增加而增加，K值越大，表示裂紋尖端應力奇異場強度越大，應力集中越明顯，瀝青砂漿試件越容易因為應力集中而斷裂.結合圖6（a1～a5）也可以得出這一結論，通過定量分析彌補了定性分析的不足.

（2）隨著距離跨中位置越來越遠，K值單調遞減，在距離跨中位置較近的地方遞減速率較快，距跨中越來越遠，遞減速率也越來越慢.這是因為距跨中位置越來越遠水平拉應力的影響越來越小，瀝青砂漿試件越不容易斷裂.

（3）K值隨著裂縫傾斜角度的增加而減小，在α≤30°時減小速度非常緩慢，在30°＜α≤50°時減小速度較快，當α＞50°時減小速度又趨于緩慢.這說明在α≤30°時，裂縫傾斜角度對瀝青砂漿斷裂性能的影響不大，但在此區域的K值還是最大，瀝青砂漿試件最容易斷裂.在30°＜α≤50°時，裂縫傾斜角度對瀝青砂漿斷裂性能影響較大，K值減小迅速，瀝青砂漿的抗斷裂能力下降幅度較大.當α＞50°時，裂縫傾斜角度對瀝青砂漿斷裂性能的影響又趨于緩慢，但此區域擁有最小的K值，所以最不容易開裂.綜上所述，K值隨著裂縫長度的增加、裂縫傾斜角度的減小及裂縫位置距跨中距離的減小而增大，瀝青砂漿試件也變得越來越容易開裂.

3 結論

（1）起裂位置附近點的水平位移U和水平應變EXX、應力強度因子K及以EXX 定義的區域損傷因子D，均可以反映CR-WAM 和CR-HAM 在UV 老化后的抗開裂性能.

（2）UV 老化后，瀝青砂漿的U、EXX、D、K值均增大，且隨著UV 時長的延長，增長速率越來越快，瀝青砂漿越來越容易開裂.利用Abaqus 圍線積分分析K值的影響因素具有較高的可靠性，K值隨著裂縫長度的增加、裂縫傾斜角度的減小及裂縫位置距跨中距離的減小而增大，瀝青砂漿也變得越來越容易開裂.

（3）無論何種UV 老化時長下CR-WAM 的抗開裂、抗老化能力均強于CR-HAM，CRS-WAM 具有最佳的抗開裂、抗老化能力，CRE-WAM 次之.