硫酸鹽凍融循環條件下瀝青性能評價

熊 銳，馮寶珠，喬 寧，紀 括，王昊宇

(1. 長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061；2. 長安大學 交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710061)

0 引 言

瀝青混合料作為主要筑路材料，長期暴露于自然環境中，容易受到各種外界因素的影響，引發不同程度的破壞。鹽蝕環境對瀝青路面使用品質及耐久性的影響，已成為業界頗為關注的問題[1-4]。無論是在西部鹽湖、鹽漬土地區，還是含鹽高濕的瀕海地區，自然環境中富集的氯鹽和硫酸鹽類微粒與瀝青路面直接接觸，且在季節性凍融循環的協同作用下，瀝青混合料結構穩定性逐漸降低，導致路用性能劣化，影響路面壽命。

傅廣文[5]認為鹽分能夠改善基質瀝青的高溫性能，但會使其低溫抗裂性和抗老化性能降低；崔亞楠等[6-7]，韓吉偉等[8]對基質瀝青、SBS改性瀝青與橡膠粉改性瀝青在鹽凍融循環條件下的性能劣化特性進行了研究，發現經鹽凍融循環作用后，3種瀝青均產生不同程度的老化，微觀結構亦遭受破壞，但相較于基質瀝青，改性瀝青能較好的保持結構及性能穩定；褚辭等[9]通過干濕循環加速侵蝕方式，對比了氯鹽和硫酸鹽對瀝青混合料耐久性的影響，發現硫酸鹽的劣化效果更為嚴重。關于鹽蝕效應對瀝青混合料性能劣化的研究多集中于氯鹽[10-12]，硫酸鹽侵蝕和凍融循環共同作用對瀝青性能影響及其作用機理的研究較少，其評價體系有待完善。隨著公路瀝青路面、橋面鋪裝建設規模在西部和沿海地區不斷擴大，在硫酸鹽富集環境中，瀝青及瀝青混合料的耐久性劣化問題越發突出。

綜上，筆者以硫酸鹽(Na2SO4)為侵蝕介質，用不同濃度(0%、2.5%、5.0%、10.0%)Na2SO4溶液，對基質瀝青進行快速凍融循環，分別以瀝青抗剪強度、蠕變速率與勁度模量比(m/S)及拉伸強度為指標，研究硫酸鹽凍融循環作用對瀝青性能影響規律；結合掃描電鏡(SEM)和紅外光譜(FTIR)，在微觀層次上分析瀝青鹽蝕損傷作用機理，以期為硫酸鹽富集工況下，瀝青混合料耐久性預估與瀝青面層材料設計的完善提供參考。

1 材料及試驗方法

1.1 原材料

瀝青選用SK A-90#基質瀝青，基本性能指標如表1。集料選用玄武巖，主要技術性質如表2。各項技術指標均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》要求。

選用一等元明粉(Na2SO4)為鹽介質，主要技術指標如表3，宏微觀形貌如圖1。

圖1 元明粉宏微觀形貌Fig. 1 Macroscopic and microscopic morphologies of sodium sulfate

表1 SK A-90#瀝青技術性能指標Table 1 Technical properties of SK A-90# asphalt

表2 玄武巖主要技術指標Table 2 Technical properties of basalt aggregate

表3 元明粉技術指標Table 3 Technical indicators of sodium sulfate

1.2 試驗方法

1.2.1 硫酸鹽凍融循環試驗

硫酸鹽凍融循環試驗按如下步驟進行：

1)分別配制濃度為0%(清水組)、2.5%、5.0%、10.0%的Na2SO4溶液。

2)將基質瀝青加熱至120～130 ℃，呈熔融狀態，注入方盤中，形成一層5 mm的瀝青膜。

3)將配制好的Na2SO4溶液緩慢覆在瀝青膜上。

4)借助快速凍融試驗箱，對基質瀝青進行凍融循環。循環條件為：先在-18 ℃低溫箱中持續冰凍2 h，然后在5 ℃條件下融化2 h，此為一個凍融循環。

5)重復4)中的循環過程完成7、14、21、28次凍融循環，結束后將方盤取出，在室溫靜置以備后續試驗。硫酸鹽凍融循環試驗如圖2。

圖2 硫酸鹽凍融循環試驗Fig. 2 Sulfate freeze-thaw cycles test

1.2.2 錐入度試驗

采用錐入度試驗評價瀝青經硫酸鹽凍融循環作用后的抗剪性能。測試溫度分別為15、25、30 ℃，借助式(1)將試驗結果換算為抗剪強度指標[13]。

(1)

式中：τ為抗剪切強度，Pa；Q為錐針、連桿及砝碼總重，195 g；h為錐入度，mm；α為錐針尖角度，30°。

1.2.3 BBR試驗

采用美國CSNNON公司的彎曲梁流變儀(TE-BBR)，試驗溫度為-12、-18 ℃，以蠕變速率(m)與勁度模量(S)比值評價瀝青經7次與28次硫酸鹽凍融循環作用后的低溫性能。

1.2.4 拉拔試驗

采用美國DeFelsko 公司的拉拔強度測試儀(PosiTest AT-A)，以拉伸強度為指標評價瀝青-集料間的黏附性。試驗發現：當瀝青用量為0.1 g時，拉拔斷面為瀝青-集料間的界面過渡區，所得拉伸強度可以較為準確反映出瀝青結合料的表面黏結能力，因此試驗中選取瀝青用量為0.1 g。試件制備過程如下：

1)將玄武巖集料切割成5 cm×5 cm×5 cm的立方塊，保證表面規整、水平；

2)將0.1 g硫酸鹽凍融循環作用后的瀝青試樣滴于集料上表面中央，隨后將試件置于135 ℃烘箱中保溫，待瀝青均勻鋪展于集料表面后，取出試件，冷卻至室溫備用；

3)采用強力AB膠，將拉拔儀的拔頭黏在集料表面的瀝青上，在25 ℃干燥環境中靜置24 h后，進行拉拔試驗。

1.2.5 基于鹽分“內摻”的瀝青膠漿鹽蝕試驗

鑒于目前硫酸鹽對瀝青材料侵蝕效應的研究較少，采用鹽分“內摻”方式制備硫酸鹽瀝青膠漿試樣，通過掃描電鏡(SEM)和紅外光譜(FTIR)測試手段，研究硫酸鹽侵蝕條件下瀝青損傷機理。

1)“硫酸鹽+瀝青”膠漿制備

室溫條件下，采用磨粉機將元明粉磨細并過0.075 mm方孔篩備用。采用高速剪切儀，按粉膠比1∶1來制備硫酸鹽瀝青膠漿(以礦粉為參照，將硫酸鹽粉體等體積代替礦粉)；試驗過程中，攪拌溫度為165 ℃、速率為3 000 r/min、時間為45 min。

2)SEM測試

采用日本Hitachi公司的掃描電子顯微鏡 (S-4800)，對基質瀝青和齡期為0、30、120 d的硫酸鹽瀝青膠漿進行測試。為清晰觀測瀝青內部結構變化，將瀝青試樣進行低溫脆斷，觀察斷面部分鹽分在瀝青中的微觀形貌及其分布情況。

3)FTIR測試

采用德國BRUKER公司的紅外光譜儀 (TENSOR Ⅱ)，對基質瀝青和齡期為30、120 d的硫酸鹽瀝青膠漿進行測試，觀察主要官能團振動譜帶變化情況，進一步探究瀝青鹽蝕機理。因鹽侵蝕需要一個過程，齡期為0 d時硫酸鹽尚未對瀝青產生侵蝕作用，FTIR 測試結果與基質瀝青相比無明顯差異，故此處不再設置齡期為0 d的對照組。

2 結果及分析

2.1 抗剪強度

對硫酸鹽凍融循環作用后的瀝青試樣進行錐入度試驗，按式(1)換算得到抗剪強度，結果如圖3。

圖3 瀝青的抗剪強度Fig. 3 The shear strength of asphalt

由圖3可知：經硫酸鹽凍融循環作用后，不同試驗溫度會顯著影響瀝青的抗剪強度，抗剪強度隨試驗溫度升高而降低。

由圖3(a)可知：當溫度為15 ℃時，同一凍融循環條件下，隨鹽濃度增加，瀝青抗剪強度呈上升趨勢。以7次凍融循環為例，相較于清水組，瀝青在濃度為2.5%、5.0%和10.0%的Na2SO4溶液浸泡下，經歷相同次數的凍融循環作用后，抗剪強度分別增大了6.86%、30.61%、70.31%。同一鹽濃度下，凍融循環次數改變亦會顯著影響瀝青抗剪強度，除鹽濃度為10%外，瀝青抗剪強度均隨凍融循環次數增加而不斷增大。由圖3(b)、圖3(c)可知：當溫度為25、30 ℃時，瀝青的抗剪強度與鹽濃度及凍融循環次數均呈正比，但強度提升速率趨緩。

總體上，經硫酸鹽凍融循環后，基質瀝青抗剪強度提升，鹽濃度越大抗剪強度愈高，凍融循環進一步加劇了瀝青鹽蝕作用。這可能是鹽溶液中的Na2SO4鹽凍介質在低溫條件下結晶析出，體積增大，鹽顆粒易刺穿瀝青薄膜進入到瀝青內部，并在瀝青中產生膨脹力；當溫度回升時，該膨脹力逐漸消失，使得瀝青表面出現收縮現象。在凍融循環作用下，鹽分累積并不斷侵蝕瀝青，使其逐漸硬化，抗剪強度相應增大。

2.2 低溫特性

對硫酸鹽凍融循環作用后的瀝青試樣進行BBR試驗，取加載過程中第60 s時的S與m值作為表征參數。瀝青試樣在不同濃度的Na2SO4溶液中經7次和28次凍融循環后的BBR試驗結果，如表4。

表4 BBR試驗結果Table 4 BBR test results

由表4可知：試驗溫度和凍融循環次數相同時，隨鹽濃度增加，瀝青的S值逐漸增大，表明硫酸鹽作用下瀝青低溫柔韌性降低，但m值并未呈現出一致性變化規律。鑒于此，采用瀝青蠕變速率與勁度模量比值(m/S)為指標分析硫酸鹽凍融循環作用對瀝青低溫性能的影響[14]，一般m/S值越大，瀝青的低溫抗裂性越好。不同濃度鹽溶液下瀝青的m/S值如圖4。

圖4 硫酸鹽凍融循環作用后瀝青的m/S值Fig. 4 m/S value of asphalt after sulfate freeze-thaw cycles

由圖4可知：

1)試驗溫度由-12 ℃降為-18 ℃時，硫酸鹽凍融循環作用后瀝青的m/S值顯著減小。

2)當試驗溫度為-12 ℃時，清水及低濃度鹽溶液條件下(0%、2.5%)，凍融循環次數由7次增至28次時m/S值降低，說明凍融循環會在一定程度上影響瀝青的低溫性能。7次凍融循環作用下，相較于清水組，低濃度鹽溶液中瀝青的m/S值無明顯變化，但當鹽溶液增加至較高濃度時(5.0%、10.0%)，m/S值呈明顯下降趨勢。

3)當試驗溫度為-18 ℃時，瀝青m/S值隨鹽濃度增加逐漸降低；不同濃度鹽溶液條件下，經28次凍融循環后瀝青m/S值均小于7次凍融循環時，說明瀝青低溫性能隨鹽濃度增大愈加劣化，凍融循環進一步加劇了鹽蝕作用。當Na2SO4溶液濃度為10%，凍融循環28次時，瀝青低溫性能劣化效果最為嚴重，m/S值下降29%。

2.3 瀝青-集料黏附性能

硫酸鹽凍融循環作用下拉拔試驗結果如圖5。

圖5 拉拔試驗結果Fig. 5 Pull-off test results

由圖5可知：相較于清水凍融循環，硫酸鹽凍融循環作用后拉伸強度減小，并隨鹽溶液濃度增加逐漸降低，說明硫酸鹽會導致瀝青-集料黏附性持續劣化。這可能是因為隨著Na2SO4的不斷侵入， Na+與瀝青產生乳化作用，并和瀝青形成不穩定的吸附層，加速了瀝青老化[15]。另外硫酸鹽顆粒會占據部分瀝青和集料間的黏結接觸面積，進一步導致瀝青-集料黏附性降低。相較于清水組，基質瀝青在濃度為2.5%、5.0%和10.0%的鹽溶液浸泡下凍融循環7次時，拉伸強度分別下降3.6%、8.6%、25.0%；凍融循環28次時拉伸強度分別下降6.3%、18.3%、31.0%。可見，凍融循環次數亦會對瀝青-集料黏附性產生一定影響?？傮w而言，凍融循環與鹽蝕協同作用下，瀝青-集料接觸體系更易遭受破壞。

2.4 微觀機理

基質瀝青及不同齡期下內摻式“硫酸鹽+瀝青”膠漿的SEM微觀形貌和FTIR分別如圖6、圖7。

圖6 瀝青的SEM微觀形貌Fig. 6 SEM micrographs of asphalt

圖7 瀝青膠漿的紅外光譜Fig. 7 Infrared spectroscopy of asphalt mortars

由圖6可知：未摻鹽基質瀝青表面較為平整，呈均相結構；0 d齡期時瀝青中硫酸鹽顆粒與瀝青之間存在明顯空隙，鹽粒未完全被瀝青浸沒；30 d齡期時鹽粒與瀝青兩相界面處緊密結合，鹽粒較為完整地鑲嵌于瀝青中，瀝青表面褶皺增多，出現明顯的鹽分影響區；120 d齡期時已難辨鹽粒與瀝青兩相間的界面，鹽粒在瀝青中產生“溶析”效應，宏觀層次上瀝青膠漿逐漸硬化，抗剪強度提升。

3 結 論

1)硫酸鹽凍融循環作用下瀝青性能發生顯著變化。隨硫酸鹽溶液濃度增加，瀝青抗剪強度提升、低溫流變特性與瀝青-集料黏附性劣化；鹽分對基質瀝青產生一定硬化作用。

2)瀝青性能劣化速率隨凍融循環次數增加而加快；凍融循環進一步加劇了硫酸鹽對瀝青性能的損傷作用。當硫酸鈉溶液濃度為10%，凍融循環28次時，瀝青性能劣化效果最為嚴重，硫酸鹽凍融循環作用下，-18 ℃條件下的瀝青m/S值下降29%，瀝青-集料拉伸強度下降31%。

3)在試驗齡期內，硫酸鹽瀝青膠漿的主吸收峰無明顯變化，鹽分摻入導致個別區域峰值面積發生變化，硫酸鹽-瀝青界面以物理作用為主；硫酸鹽顆粒在瀝青中的溶析及“鹽老化”效應，是導致瀝青性能劣化的主要原因。