煤矸石粉/聚酯纖維瀝青混合料鹽凍損傷研究

吳金榮， 張 濤， 李 飛

（1.安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

冬季低溫環境和除冰鹽所引起的路面開裂均會嚴重影響瀝青路面的服務質量和使用年限.瀝青路面鹽凍劣化損傷問題已逐漸成為國內外學者密切關注的問題之一.有學者［1?6］從微觀角度，結合損傷理論和方差等，評價了鹽蝕瀝青混合料性能的劣化機理，建立了凍融循環下瀝青混合料損傷性能的普適模型，認為瀝青-集料黏接界面損壞是其性能衰減的主要原因，并得到了瀝青種類、凍融循環次數、除冰鹽濃度對瀝青混合料抗裂性能的影響規律，發現鹽蝕環境下瀝青成分的變化使瀝青膠漿劣化更嚴重.這些研究多集中于利用單一宏觀指標來反映瀝青混合料劣化損傷性能，對于復合改性瀝青混合料的鹽凍損傷微觀改性機理研究較少.

目前，煤矸石已成為中國排放量和累積存量最大的工業固體廢棄物之一［7?8］，存在占地和污染等問題.然而煤矸石可用作道路基建材料，其中活化煤矸石粉等量代替礦粉［7］后可使瀝青膠漿的抗剪性能更好［8］.因此合理開發利用煤矸石，可以做到資源回收、綠色發展.另外，聚酯纖維復合改性瀝青混合料的溫度敏感性、低溫抗彎裂和延塑性較好，瀝青分子與聚酯纖維相互搭接形成的網狀結構能夠提高混合料的抗裂性能，增強混合料勁度，改善其疲勞性能［9?10］.

綜上所述，本研究將煤矸石粉和聚酯纖維摻加到瀝青混合料中，通過室內氯鹽凍融循環試驗來模擬冬季路面除冰鹽的使用情況，研究瀝青混合料的低溫鹽蝕損傷機理，以期為瀝青路面在高寒鹽漬土地區的應用提供理論基礎.

1 試驗

1.1 原材料

集料采用淮南本地產石灰巖，級配為AC?13；填料采用河北靈壽縣偏高嶺土系煤矸石粉（CGP）和石灰巖礦粉（MP），其化學組成（質量分數，文中涉及的組成、替代率、摻量等均為質量分數）和物理參數如表1 所示.本研究采用煤矸石粉部分替代礦粉，替代率為50%.外摻劑采用潤方路用聚酯纖維，摻量為0.4%［10］.瀝青為Ⅰ類D 型SBS 改性瀝青.摻入聚酯纖維可以改變瀝青混合料的瀝青用量，選擇0%、4.00%、4.50%、5.00%、5.50%和6.00%這6 種瀝青用量分別制作標準馬歇爾試件，通過測定馬歇爾試件的穩定度、流值及毛體積密度等物理指標，最終確定最佳瀝青用量為5.62%.

表1 煤矸石粉和礦粉的化學組成和物理參數Table 1 Chemical composition and physical parameter of coal gangue powder and mineral powder

1.2 試驗方法

瀝青混合料半圓形試件尺寸為φ（101.60±0.25）×（30.00±1.35）mm，由標準馬歇爾試件切割而成.配制質量分數為0%、7.0%、13.0%和26.5%的NaCl 溶液；同時結合現有研究成果［10?12］，選取凍融循環次數分別為0、2、4、6、8 次；待試件自然風干至室溫后，進行超聲波無損檢測、半圓彎曲（SCB）試驗、掃描電鏡（SEM）和X 射線衍射（XRD）檢測.

2 結果及分析

2.1 質量變化率及相對波速

由于瀝青混合料質量在經受鹽凍融循環后會發生變化［4］，本文研究瀝青混合料在鹽凍融循環試驗中的質量變化規律，進而分析鹽凍融循環對SCB 試件的侵蝕損傷，并用超聲波法計算侵蝕前后的相對波速.

圖1 為鹽凍耦合作用下SCB 試件的質量變化率.由圖1 可見：（1）在凍融循環次數一定的情況下，隨著NaCl溶液質量分數的增加，SCB試件質量變化率依次遞增，當NaCl溶液質量分數為7.0%～13.0%時，試件質量變化率增長最快；當NaCl 溶液質量分數為13.0%～26.5%時，試件的質量變化率增長趨緩；當NaCl溶液質量分數為26.5%時，試件的質量變化率達到最大.（2）在NaCl溶液質量分數一定的情況下，隨著凍融循環次數的增加，瀝青混合料的質量變化率穩定增長，8 次凍融循環后試件質量變化率達到最大；當NaCl溶液質量分數為26.5%，凍融循環8次時，SCB試件的質量變化率達到最大，為0.456%.

圖1 鹽凍耦合作用下SCB 試件的質量變化率Fig.1 Mass change rate of SCB specimen under salt?freezing coupling action

圖2為鹽凍耦合作用下SCB 試件的相對波速.由圖2可見：（1）在同一凍融循環次數下，隨著NaCl溶液質量分數的增加，試件的相對波速逐漸降低，其中當NaCl 溶液質量分數為0%～7.0%時，試件的相對波速下降較為明顯；當NaCl 溶液質量分數為7.0%～13.0%時，試件的相對波速下降幅度最大；當NaCl溶液質量分數為13.0%～26.5%時，試件的相對波速下降不再明顯；當NaCl溶液質量分數為26.5%時，試件的相對波速降至最低.（2）在NaCl溶液質量分數相同條件下，隨著凍融循環次數的增加，試件的相對波速逐漸降低，2次凍融循環后相對波速下降明顯；4、6次凍融循環后，試件的相對波速下降幅度較緩；6次凍融循環后相對波速降幅增加；8 次凍融循環后相對波速降至最小.綜上所述，在NaCl溶液質量分數為26.5%，凍融循環8次時，SCB試件的相對波速降至最小，為0.896.

圖2 鹽凍耦合作用下SCB 試件的相對波速Fig.2 Relative wave velocity of SCB specimen under salt?freezing coupling action

瀝青混合料在鹽溶液凍融循環過程中經受“溶液吸收—溶液遷移—融化平衡”3個階段.鹽分在瀝青膠漿中的“固化”作用使混合料質量增加，存在于膠漿中的鹽對瀝青組分產生“鹽析”效應，使瀝青中輕質組分含量減少，瀝青變硬、變脆［13］.SEM 圖片顯示：瀝青膜出現裂隙并附著有透明晶粒，宏觀表現為混合料延塑性降低、力學性能衰減；隨著NaCl 質量分數的增加，混合料內部“固化”、“鹽析”作用的相對強弱影響著混合料的質量變化率；隨著鹽蝕和凍融耦合作用的持續進行，混合料內部微孔隙裂紋增多，相對波速下降，其中凍融循環2～6 次時，試件相對波速下降緩慢，其主要原因是SBS 聚酯纖維復合改性瀝青提高了混合料的抗凍性能.

2.2 SCB 試驗結果

本文引入極限拉應力（σt）和極限拉應變（ε）［14?15］2個指標來評價鹽凍耦合作用對瀝青混合料低溫開裂性能的影響.

2.2.1 NaCl溶液質量分數的影響

鹽凍耦合作用下，SCB 試件三點彎曲破壞時的極限拉應力和極限拉應變三維折線圖見圖3.

圖3 鹽凍耦合作用下SCB 試件的極限拉應力和極限拉應變三維折線圖Fig.3 3D line graph of ultimate tensile stress and ultimate tensile strain of SCB specimen under salt?freezing coupling action

由圖3（a）可見：在凍融循環次數一定的情況下，隨著NaCl 溶液質量分數的增大，瀝青混合料的極限拉應力依次減小，當NaCl 溶液質量分數達到13.0%后，極限拉應力降幅趨于平緩；當NaCl 溶液質量分數為26.5%時，瀝青混合料的極限拉應力最小，該條件下，凍融循環0、2、4、6、8 次的極限拉應力分別為7.94、6.03、5.25、3.66、3.77 MPa，較未侵蝕狀態下減少了0.39%、16.14%、14.84%、41.01%、32.65%.

由圖3（b）可見：在凍融循環次數一定的情況下，隨著NaCl溶液質量分數的增大，瀝青混合料的極限拉應變依次減小；當NaCl溶液質量分數為26.5%時，瀝青混合料的極限拉應變降至最低，對應凍融循環0、2、4、6、8次的極限 拉 應 變分別為0.350×10-2、0.302×10-2、0.297×10-2、0.267×10-2、0.250×10-2mm/m，較未侵蝕狀態下減少了2.63%、9.68%、8.33%、13.91%、15.14%.

2.2.2 凍融循環次數的影響

由圖3（a）還可見：在NaCl 溶液質量分數一定的情況下，隨著凍融循環次數的增加，瀝青混合料的極限拉應力依次減小，其中凍融循環次數為2～6 次時，瀝青混合料的極限拉應力衰減速率略有減小；凍融循環次數達到8 次時，瀝青混合料的極限拉應力衰減到最小，對應NaCl 溶液質量分數0%、7.0%、13.0%、26.5%分別為5.60、5.16、3.78、3.77，較未侵蝕狀態下減少了29.76%、32.86%、53.30%、52.51%.

由圖3（b）還可見：在NaCl 溶液質量分數一定的情況下，隨著凍融循環次數的增加，瀝青混合料的極限拉應變依次減小，同樣在凍融循環次數達到8 次時，瀝青混合料的極限拉應變衰減到最小，對應NaCl質量分數0%、7.0%、13.0%、26.5% 分別為0.294、0.285、0.269、0.250，較未凍融狀態下減少了18.05%、21.56%、25.19%、28.57%.

瀝青混合料受到鹽凍耦合雙重作用后，在結冰壓、鹽結晶膨脹壓和鹽蝕作用下性能劣化嚴重.鹽分的“固化”作用及親水性導致膠漿內形成滲水層，在動水沖刷和溶析滲透壓共同作用下，更多鹽溶液涌入瀝青膠漿中，Na+、OH-、Cl-等離子會使瀝青中的親水基團溶解，加劇對瀝青的乳化作用，瀝青組分析出；當NaCl溶液質量分數超過13.0%時，瀝青對鹽分的“固化”作用減弱，膠漿鹽分積累趨于飽和，鹽凍循環后瀝青膜脫落表面及膠漿內部出現孔洞凹槽，膠漿內部缺陷增多、延塑性下降、劈裂受力不均勻、應力集中現象增多、脆斷概率增加，宏觀表現為試件孔隙增多且附著許多鹽晶體，力學性能衰減劣化.

3 損傷模型建立

3.1 鹽凍損傷

為更好地分析試件的內部損傷，引入極限拉應力損傷量（Dn）來分析鹽凍耦合作用下瀝青混合料損傷量的變化規律.Dn計算式為：

式中：σ0和σn分別為試件初始極限拉應力和第n次凍融循環后的極限拉應力，MPa.

瀝青混合料的極限拉應力損傷量三維折線圖見圖4.由圖4 可見：相同NaCl 溶液質量分數條件下，隨著凍融循環次數的增加，瀝青混合料的極限拉應力損傷量逐漸增加，試件內部損傷逐漸積累，其中在清水中，隨著凍融循環次數的增加，瀝青混合料的極限拉應力損傷量整體呈低速率增長，4、6次凍融循環時損傷量較小，增速較為平緩，8 次凍融后損傷量增幅增加；而在3 種質量分數的NaCl 溶液中，隨著凍融循環次數的增加，瀝青混合料的極限拉應力損傷量增速加快，且在凍融循環達到6 次后，極限拉應力損傷量較大，損傷量增幅略有減緩.

圖4 瀝青混合料的極限拉應力損傷量三維折線圖Fig.4 3D line graph of ultimate tensile stress damage amount of asphalt mixture

3.2 模型建立

采用Origin 軟件中的Poly2D 模型對瀝青混合料極限拉應力損傷量進行曲面擬合.擬合公式見式（2）：

式中：n為凍融循環次數，次；w為NaCl 溶液質量分數，%.

瀝青混合料極限拉應力損傷模型見圖5，模型擬合系數R2為0.944.

圖5 瀝青混合料極限拉應力損傷模型Fig.5 Ultimate tensile stress damage model of asphalt mixture

表2 為Origin 曲面擬合值與實際值的比較，表中n、w的下標分別表示凍融循環次數和NaCl 溶液質量分數.由表2 可見，實際值與擬合值誤差基本在±0.15 以內［16］.這說明Poly2D 模型對鹽凍耦合作用下SCB 試件極限拉應力損傷量擬合度較高，可以用該模型對鹽凍耦合作用下瀝青混合料的內部損傷進行預測.

表2 Origin 曲面擬合值與實際值比較Table 2 Comparison of origin surface fitting value and actual value

4 損傷機理分析

4.1 宏觀機理分析

圖6 為鹽凍耦合作用下SCB 試件的表觀形態.由圖6 可見：（1）在凍融循環次數相同的條件下，隨著NaCl 溶液質量分數的增加，SCB 試件受到的鹽分侵蝕逐漸增強，試件在清水中凍融循環后表面較為平整光滑，集料顆粒致密；隨著NaCl溶液質量分數的增加，鹽蝕作用逐漸增強，鹽分逐漸吸附于試件，宏觀上表現為試件表面出現較多白色顆粒，瀝青混合料質量逐漸增加.（2）隨著凍融循環次數的增加，SCB試件在鹽凍耦合作用下，表面變得越來越粗糙，孔隙裂紋逐漸增多，集料顆粒松散，嚴重的還會有骨料掉落.說明反復凍脹作用破壞了試件內部結構的整體性，試件變得松散，其相對波速、極限拉應力、極限拉應變均有不同程度的衰減，瀝青混合料損傷逐漸加重.SCB 試件在承受荷載時，裂縫首先從試件底部薄弱損傷域開始發展，隨著荷載的增加，裂縫沿著劈裂受力點逐漸伸延.當瀝青混合料內部損傷較輕時，裂縫一般沿著細料薄弱損傷域緩慢發展，當鹽蝕凍融循環達到一定次數時，瀝青混合料內大顆粒骨料受到損傷，強度降低，裂縫可能會貫穿大顆粒集料，此時因裂縫中伴有相互搭接的聚酯纖維絲狀物，因此對裂縫的發展具有一定的抑制作用.瀝青混合料在鹽凍耦合環境下相關化學反應如表3 所示.

表3 瀝青混合料鹽蝕相關方程Table 3 Correlation equation of salt corrosion of asphalt mixture

圖6 鹽凍耦合作用下SCB 試件的表觀形態Fig.6 Apparent morphology of SCB specimen under salt?freezing coupling action

4.2 微觀機理分析

4.2.1 鹽凍融循環對瀝青混合料損傷性能微觀分析

NaCl溶液的浸泡會促進瀝青混合料中的堿集料與煤矸石粉、礦粉、瀝青等發生一系列反應，生成Na2SO4、K2SO4等新的化學物質，這些物質也會對瀝青-集料界面造成侵蝕損傷.圖7 為不同NaCl溶液質量分數下瀝青混合料的XRD 圖譜.由圖7 可見：隨著NaCl質量分數的增大，衍射峰值強度逐漸增加，對瀝青混合料的化學腐蝕作用增強，造成的損傷也逐漸增強.說明隨著NaCl 溶液質量分數的增加，電離出的Na+、Cl-逐漸增多，與清水相比，無機鹽具有較高的表面能，更易進入混合料內部，瀝青中羧酸類和酚類等輕質含氧化合物與鹽溶液中的Na+等堿性金屬離子生成低價高級有機酸鈉鹽，其屬于典型皂類化合物，易溶于水［17］.瀝青膠漿化學組成及結構發生變化，進而降低瀝青、集料、填料及纖維間的黏結力和握裹力，破壞了集料表面的瀝青膜.游離離子還會與集料中的活性SiO2發生活性堿反應，生成堿硅凝膠［12，18］.其具有吸水性，可產生內應力，會破壞瀝青混合料內部的整體性，加速混合料的化學侵蝕，從而降低SCB 試 件的 極 限 拉應 力.由 圖7 還可 見：（1）當NaCl 溶液質量分數為13.0%時，對瀝青混合料的侵蝕作用達到最強；當NaCl 溶液質量分數超過13.0%后，游離于瀝青混合料中的Na+、Cl-逐漸趨于飽和，對瀝青混合料的侵蝕增強作用不再明顯，鹽分對試件極限拉應力的降低作用趨于平緩.（2）隨著NaCl質量分數的增加，瀝青質樹脂含量增加，飽和芳香烴含量降低，瀝青鹽老化現象逐漸加重［17，19］，瀝青膜鹽蝕損傷加重，瀝青混合料延塑性降低，從而降低了SCB試件的極限拉應力和極限拉應變.

圖7 瀝青混合料的XRD 圖譜Fig.7 X?ray pattern of asphalt mixture

瀝青混合料內鹽分侵蝕和鹽凍循環后瀝青膜的SEM 照片見圖8.

鹽溶液、凍融循環和外部荷載等以不同力學機理作用于瀝青混合料微空隙及薄弱損傷域（圖8（a））.鹽凍耦合作用加劇了瀝青混合料微裂隙中的水冰相位，鹽分累積、水分遷移使得外部荷載與材料損傷之間不斷反饋調整，導致材料物理力學性能劣化失效［20］，其破壞損傷機理較為復雜.當SCB 試件在清水中經受凍融循環時，試件內部主要承受因水結晶產生的膨脹壓，對試件內部的破壞強度較低，損傷量較小，8 次凍融循環后損傷量仍以較快速率增長；而當SCB 試件在NaCl 溶液中經受凍融循環時，Na+會促進堿集料反應，對瀝青產生乳化作用，Cl-的腐蝕作用使瀝青膜老化，Na+還會與瀝青形成不穩定的化學吸附層，降低瀝青與集料間的黏附性［21?24］，從而形成微裂紋（圖8（b））.隨著凍融循環次數的增加，SCB 試件的極限拉應力損傷量快速增長，其內部損傷逐漸積累，6 次凍融循環后試件內部裂紋發展趨于穩定，損傷量增速變緩，鹽凍耦合作用對瀝青混合料產生更強的破壞作用；隨著溫度的降低，SCB 試件內的孔隙水開始結冰，氯鹽溶解度降低，開始析出鹽晶體，冰晶的凍脹力和不規則性容易刺穿瀝青膜，進入瀝青和集料界面，促使瀝青膜脫落［23］；當溫度升高時，冰晶開始溶解，荷載作用導致瀝青混合料開始產生負壓泵吸作用［20］，空隙內的鹽分和水分遷移，反復沖刷瀝青-集料界面，使瀝青膠漿顆粒流失，加速瀝青-集料界面滑移、松動，瀝青膜變薄，并出現微裂縫坑洼凹槽，瀝青膠漿性能降低.反復鹽凍循環后，微裂縫萌生擴展演化為宏觀裂縫（圖8（c）），瀝青混合料累積耗散能逐漸降低，內部損傷逐漸積累，瀝青混合料物理力學性能出現不可逆的衰減.

圖8 瀝青混合料經受鹽分侵蝕和鹽凍循環后瀝青膜的SEM 照片Fig.8 SEM images of asphalt membrane after salt erosion and salt freezing cycle of asphalt mixture

4.2.2 煤矸石粉/聚酯纖維對瀝青混合料損傷性能微觀機理分析

煤矸石粉的比表面積較礦粉大，其表面粗糙、褶皺、多孔隙，吸附瀝青能力強，能夠與瀝青裹附而形成光滑、致密、厚實的瀝青膜.同時，煤矸石粉中含有大量活性Al2O3和SiO2，易與瀝青發生一系列物理和化學吸附作用，形成具有更強黏附性的結構瀝青［25?26］，瀝青膠漿性能更好，從而使瀝青混合料塑性、整體性以及抗變形能力增強.圖9 為煤矸石粉-礦粉嵌擠分布形態的SEM 照片.由圖9 可見：礦粉顆粒粒徑較大且規則，表面平整光滑，棱角較少；煤矸石粉顆粒粒徑較小，表面似蜂窩狀，粗糙多孔隙；兩者以最佳質量比1∶1 相互作用嵌擠時，能夠形成更加密實且具有較高自由能的填料體系，吸附更多瀝青，從而提高瀝青混合料內黏聚力.煤矸石粉恰好彌補了礦粉單獨作為填料所導致的瀝青混合料內部不可彌補的缺陷，間接改善了瀝青混合料的損傷性能.化學吸附是由于填料礦物成分不同而引起的吸附差異，其作用遠大于物理吸附.活化煤矸石粉中含有大量的活性Al2O3和SiO2，能夠對瀝青與填料之間的酸堿反應起到促進作用，Fe2O3中過渡金屬元素會促進填料與瀝青間的絡合反應，因此活化煤矸石粉與瀝青之間的結合更緊密［26］.

圖9 煤矸石粉-礦粉嵌擠分布形態Fig.9 Distribution pattern of coal gangue powder?mineral powder

圖10 為聚酯纖維在瀝青混合料中的分布形態.由圖10 可見，在瀝青混合料中加入適量聚酯纖維能夠改善瀝青膠漿的韌性和溫度敏感性，同時對骨料起到加筋固結作用，摻入0.4%聚酯纖維能夠使其均勻地分布于瀝青混合料中，形成致密的網狀結構［27］，提高瀝青混合料的塑性，對裂縫擴展具有一定的束縛作用.當瀝青混合料受外力作用時，纖維受拉變形，待外界力消失后纖維彈性恢復.因此纖維具有促使瀝青混合料恢復原來形態的趨勢，增強材料的彈性恢復自愈能力，減小外力作用引起的損傷.當結晶凍脹力不足以抵抗纖維彈性自愈能力時，瀝青混合料的極限拉應力損傷量增加不明顯，損傷較輕.瀝青混合料在清水中經歷8 次凍融循環后，裂紋擴展程度較大時，纖維的加筋自愈作用不再明顯，瀝青混合料損傷量快速增大.

圖10 聚酯纖維在瀝青混合料中的分布形態Fig.10 Vertical and horizontal staggered distribution of polyester fibers in asphalt mixture

當SCB 試件承受外部荷載時，由于煤矸石粉-礦粉間的相互作用所形成的高黏性、致密厚實、塑性良好的瀝青膜抗彎拉性能更好，因而能夠延緩外部荷載對瀝青混合料的損傷.同時該致密厚實的瀝青膜及聚酯纖維在混合料中形成的均勻網狀結構，能夠緩解瀝青混合料的局部應力集中現象，將應力很好地分散和傳遞開來，延緩和降低外荷載對瀝青混合料的損傷，進而提高其耐久性和低溫抗裂性.

5 結論

（1）隨著NaCl 溶液質量分數、凍融循環次數的增加，煤矸石粉/聚酯纖維瀝青混合料的質量變化率逐漸增加，其相對波速、極限拉應力、極限拉應變逐漸降低.

（2）煤矸石粉/聚酯纖維瀝青混合料具有良好的抗彎拉性能，SCB 試件在NaCl 溶液中的凍融損傷大于在清水中的凍融損傷.

（3）當NaCl 溶液質量分數為13.0%、凍融循環8次時，SCB 試件的極限拉應力損傷量最大，鹽凍耦合侵蝕作用最強，損傷最嚴重.通過Poly2D 模型對瀝青混合料的極限拉應力損傷量進行誤差分析，結果表明損傷量可以較好地反映瀝青混合料的損傷性能.

（4）煤矸石粉-礦粉特殊的嵌擠結構及其與聚酯纖維形成的致密網狀結構對瀝青混合料的鹽凍損傷具有一定的改善效果.

（5）Na+不僅會促進堿集料反應，還會與瀝青形成不穩定的化學吸附層，降低瀝青與集料間的黏附性；Cl-的腐蝕作用會使瀝青膜老化.因此鹽蝕凍融環境會加速瀝青混合料的損傷.