瀝青混凝土路面鹽凍劣化機(jī)理及改善措施

張國(guó)超 吳剛 余頌

（中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050）

一、引言

瀝青路面作為最受歡迎的路面結(jié)構(gòu)，具有行車舒適性高、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)公路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。瀝青混合料通常被認(rèn)為是一種復(fù)雜的多孔材料，包括瀝青、骨料、填料及大量孔隙。低溫和水分會(huì)導(dǎo)致瀝青路面凍融破壞，這對(duì)季節(jié)性冰凍地區(qū)的公路建設(shè)非常不利。

凍融循環(huán)嚴(yán)重影響路面性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致性能過(guò)早失效。基礎(chǔ)設(shè)施面臨的瀝青混合料的破壞和抗凍融問(wèn)題，是全世界公認(rèn)的關(guān)鍵問(wèn)題。近幾十年來(lái)，人們對(duì)瀝青混合料在凍融循環(huán)作用下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或性能損失開(kāi)展了大量研究，但很少有研究從微觀、中觀和宏觀三個(gè)層面綜合考慮瀝青混合料在凍融循環(huán)過(guò)程中的變形。此外，在凍融循環(huán)作用下，瀝青混合料的微觀孔隙結(jié)構(gòu)不僅會(huì)發(fā)生變化，而且在凍融循環(huán)過(guò)程中，材料性能也會(huì)因水的作用而衰減。因此，在研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)瀝青混合料性能的影響時(shí)，必須考慮瀝青和骨料之間的黏附性能。本文采用界面剪切試驗(yàn)來(lái)研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)界面黏結(jié)參數(shù)的影響，結(jié)合掃描電子顯微鏡圖像，利用CT掃描獲得的三維圖像和三維孔隙參數(shù)解釋了瀝青混合料在凍融循環(huán)過(guò)程中的間接抗拉強(qiáng)度損失，實(shí)現(xiàn)了瀝青混合料在凍融循環(huán)過(guò)程中的多尺度損傷表征，以及不同尺度之間的關(guān)系。最后，系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料的影響及凍融循環(huán)的破壞機(jī)理，提出了改善不同類型瀝青混合料抗凍融性能的有效方法，并通過(guò)凍融破壞過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證，可為季節(jié)性冰凍地區(qū)瀝青混合料的設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)提供參考。

二、鹽蝕環(huán)境下瀝青結(jié)合料的間接拉伸強(qiáng)度的變化

本文根據(jù)AASHTO T322提供的間接拉伸試驗(yàn)方法，評(píng)估了瀝青混合料在凍融循環(huán)期間的拉伸強(qiáng)度演變。間接抗拉強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比的計(jì)算方法如公式1和公式2所示。

其中，RT表示抗拉強(qiáng)度；P表示試驗(yàn)荷載峰值；h表示試樣厚度；RT0表示未凍融試樣的抗拉強(qiáng)度；RTn表示n次凍融循環(huán)后的抗拉強(qiáng)度；TSR表示劈裂強(qiáng)度比。

在凍融循環(huán)過(guò)程中，試樣的損傷不僅表現(xiàn)為內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化，還表現(xiàn)為瀝青與石頭之間黏附力的明顯變化。在每個(gè)凍融條件下通過(guò)3次平行試驗(yàn)獲得的界面剪切強(qiáng)度平均值為最終結(jié)果；由此，定量研究了瀝青與石料在凍融循環(huán)過(guò)程中黏附特性的變化規(guī)律。

圖1（a）顯示了抗剪強(qiáng)度和滑移位移隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，從圖中可以看出，在凍融循環(huán)的初始階段，剪切力峰值顯著降低。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加，峰值剪切力緩慢下降。板間界面的抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，但板條的相對(duì)滑移量不斷增加。產(chǎn)生這一結(jié)果主要原因有兩點(diǎn)：一方面是水在凍融循環(huán)期間對(duì)瀝青具有一定的軟化作用；另一方面是水進(jìn)入瀝青和板巖之間的間隙，減少瀝青和板巖之間的接觸面積，導(dǎo)致界面剪切強(qiáng)度降低，相對(duì)滑移增大如圖1（b）所示。此外，由圖1可以證明，界面的黏結(jié)強(qiáng)度在初始階段迅速降低，并且隨著凍融循環(huán)的次數(shù)增加，界面黏結(jié)強(qiáng)度的振幅會(huì)隨之下降。結(jié)果與CT掃描得到的間隙參數(shù)變化規(guī)律一致。

圖1 凍融循環(huán)作用下的界面剪切試驗(yàn)結(jié)果

如圖2所示，瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度比隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，在凍融循環(huán)初期迅速下降，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，與原始凍融階段相比，IDT強(qiáng)度的衰減率顯著降低。瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度損失是由于在凍融循環(huán)期間瀝青混合料滲水，而由凍結(jié)引起的水體膨脹導(dǎo)致混合料試樣中的水壓升高。掃描電鏡和CT掃描試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)過(guò)程中受到水壓破壞，這種損傷主要是由新孔隙，以及凍融早期骨料和瀝青界面分離引起的。在IDT試驗(yàn)期間，由其產(chǎn)生的微裂紋將產(chǎn)生集中應(yīng)力。此外，界面剪切試驗(yàn)表明，界面黏結(jié)強(qiáng)度在凍融初期顯著降低，因此，此時(shí)IDT強(qiáng)度顯著降低。隨著凍融循環(huán)的持續(xù)，通過(guò)CT掃描和圖像處理獲得的三維孔隙參數(shù)的變化，瀝青混合料中孔隙的生成和連通性趨于動(dòng)態(tài)平衡，內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。同時(shí)，膨脹連通的孔隙對(duì)冰的凍脹力有一定的消散作用，此時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)冰強(qiáng)度的弱化作用減弱。這主要是由于瀝青在解凍階段被水軟化，骨料和瀝青之間的黏結(jié)強(qiáng)度降低。因此，IDT強(qiáng)度的降低在此時(shí)下降，并隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定。以上結(jié)果表明，瀝青混合料的水損害是瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷和材料性能綜合作用的結(jié)果。內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞是瀝青混合料在初始凍融循環(huán)作用下力學(xué)性能破壞的主要原因，本文研究的瀝青與集料界面黏結(jié)參數(shù)的影響貫穿于凍融循環(huán)過(guò)程。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，集料與瀝青將完全分離，這是瀝青路面疏松的根本原因。

圖2 多次凍融循環(huán)下瀝青混合料抗拉強(qiáng)度和強(qiáng)度比的變化圖

三、X射線的CT檢測(cè)技術(shù)

本文采用X射線CT技術(shù)檢測(cè)瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后將捕獲的圖像實(shí)施數(shù)字圖像處理，以提高圖像質(zhì)量，執(zhí)行邊緣檢測(cè)、濾波噪聲，并通過(guò)MATLAB提取捕獲圖像中的研究對(duì)象。最后是三維孔隙表示參數(shù)的提取，提取的主要參數(shù)包括3D孔隙含量、孔隙數(shù)量和孔隙等效直徑。

通過(guò)比較不同凍融循環(huán)過(guò)程中瀝青混合料樣品的三維圖像，可以觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要變化，一是在凍融循環(huán)期間產(chǎn)生了新的紅色區(qū)域，如圖3中矩形標(biāo)記所示，二是出現(xiàn)了以橢圓為標(biāo)志的區(qū)域，共分為兩部分，實(shí)心橢圓表示凍融循環(huán)期間孔隙體積增加，而凹陷橢圓與現(xiàn)有孔隙之間的連接有關(guān)。這些變化說(shuō)明凍融循環(huán)可通過(guò)三種方式破壞瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即凍融循環(huán)下：瀝青混合料滲水后體積增加了孔隙的體積；瀝青和骨料的線性收縮系數(shù)不同，導(dǎo)致瀝青混合料中出現(xiàn)新孔隙或界面微裂縫，如掃描樣品表面所示；新孔隙的產(chǎn)生和孔隙體積的增加可能導(dǎo)致原始孔隙的連接擴(kuò)大。

圖3 凍融循環(huán)前后瀝青混合料的三維重建

如圖4（a）和（b）所示，在5次凍融循環(huán)作用下，混凝土的孔隙率和孔隙數(shù)顯著增加，而等效孔隙直徑減小；結(jié)果表明，新孔隙的產(chǎn)生是凍融循環(huán)開(kāi)始時(shí)孔隙含量變化的主要原因。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，瀝青混合料試件的孔隙率也會(huì)隨之不斷增加，但在10次凍融循環(huán)中，孔隙率顯著降低，表明在該凍融循環(huán)階段，孔隙是連通的。此外，孔隙數(shù)在后期趨于穩(wěn)定，這意味著在后期凍融循環(huán)中孔隙的生成和連通性趨于動(dòng)態(tài)平衡。等效孔隙直徑是上述兩個(gè)參數(shù)綜合作用的結(jié)果。因此，在5次～10次凍融循環(huán)中，由于空氣孔隙數(shù)突然減少，孔隙的等效直徑將會(huì)呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)。三維參數(shù)的變化表明，在最初的5次凍融循環(huán)中，瀝青混合料的損傷主要是新的孔隙或裂縫，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到10次時(shí)，孔隙體積增長(zhǎng)和產(chǎn)生的新孔隙增強(qiáng)了孔隙的連通性，這與掃描電鏡下5次凍融循環(huán)作用下，瀝青與集料界面僅出現(xiàn)微裂紋的結(jié)果一致，而10次循環(huán)后出現(xiàn)明顯分離，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，新產(chǎn)生的空間和空間連接趨于動(dòng)態(tài)平衡，損傷趨于穩(wěn)定。

圖4 凍融循環(huán)前后瀝青混合料的三維參數(shù)變化

四、鹽濕環(huán)境下瀝青混合料的改性技術(shù)

本文選用AMR和TJ-066抗剝落劑、玄武巖纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維和熟石灰，共6種添加劑。將摻入不同添加劑的試樣在10%氯化鈉溶液中進(jìn)行12次干濕循環(huán)處理，以模擬鹽和濕度環(huán)境下的腐蝕。通過(guò)劈裂試驗(yàn)，分析了不同外加劑對(duì)高鹽高濕環(huán)境下瀝青混合料水穩(wěn)定性和力學(xué)性能的改善作用。

摻有各種添加劑的瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度如圖5所示。圖5顯示，添加抗剝落劑、纖維和熟石灰后，混合料的劈裂強(qiáng)度都呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢(shì)，表明摻入添加劑可以改善瀝青混合料在鹽濕環(huán)境中的力學(xué)性能。摻加不同添加劑的瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度排序?yàn)樾鋷r纖維＞聚丙烯腈纖維＞熟石灰＞聚酯纖維＞AMR＞TJ-066。玄武巖纖維改善瀝青混合料力學(xué)性能的效果最好，增幅達(dá)61.55%。TJ-066抗剝落劑在不同添加劑中的改善效果最差，增幅僅為13%。摻加玄武巖纖維的瀝青混合料能較好地抵抗鹽濕環(huán)境的腐蝕。因此，建議使用玄武巖纖維改善瀝青混合料在鹽濕環(huán)境中的力學(xué)性能。一些學(xué)者也建議使用玄武巖纖維改善瀝青混合料的力學(xué)性能，從而提高瀝青混合料的抗鹽蝕能力。

圖5 混合不同添加劑的混合物的劈裂強(qiáng)度

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是各種添加劑對(duì)瀝青混合料的改善機(jī)理不同，導(dǎo)致瀝青混合料劈裂強(qiáng)度提高幅度不同。AMR和TJ-066的抗剝離劑屬于表面活性劑。反剝離劑中含有的活性基因?qū)⒏纳茷r青的極性，并降低表面張力。瀝青和骨料之間的物理和化學(xué)吸附將得到增強(qiáng)，兩者之間的黏附性也得到改善。熟石灰屬于堿性材料，能活化集料表面，提高瀝青與集料的黏結(jié)力。由于比表面積較大，熟石灰在游離瀝青上的吸附作用較強(qiáng)。消石灰的耐久性優(yōu)于抗剝落劑，改善效果更好。加入5種纖維后，混合料的最佳瀝青含量增加。集料表面的結(jié)構(gòu)瀝青膜由于5種纖維的吸附而變厚，從而改善了瀝青與集料之間的界面狀況。此外，均勻分散的纖維在混合物中起到了橋梁作用，在傳遞和分散車輛荷載方面表現(xiàn)出良好的效果。此外，纖維可以抵消氯化物結(jié)晶產(chǎn)生的部分應(yīng)力，從而提高瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度。在高溫潮濕環(huán)境下，纖維對(duì)瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的提高效果優(yōu)于熟石灰，較高的抗拉強(qiáng)度和堿性表面特性可以大大提高瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度。玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的提高幅度最大。

根據(jù)不同添加劑對(duì)瀝青混合料在咸濕環(huán)境中的水穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響，推薦使用玄武巖纖維改善高鹽高濕地區(qū)瀝青混合料的性能。

五、結(jié)語(yǔ)

在宏觀維度上，通過(guò)間接抗拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比評(píng)價(jià)瀝青混合料凍融損傷性能。從微觀和細(xì)觀試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在凍融初期，瀝青混合料間接抗拉強(qiáng)度的快速損失與瀝青混合料中出現(xiàn)新的微裂紋和應(yīng)力集中密切相關(guān)。后期強(qiáng)度的降低主要是由于凍融循環(huán)期間瀝青和骨料之間界面的黏附特性持續(xù)降低，以及新孔隙產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)逐漸減弱，因此，變化在當(dāng)時(shí)趨于穩(wěn)定。

通過(guò)分析瀝青混合料三維孔隙含量、孔隙數(shù)量和等效孔隙直徑發(fā)現(xiàn)，最初5次凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料造成的損傷主要是產(chǎn)生新的孔隙或裂縫。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加到10次時(shí)，連通孔隙的比例增加，因此孔隙的數(shù)量保持穩(wěn)定。

增加添加劑后，瀝青混合料在鹽濕環(huán)境中的凍融劈裂強(qiáng)度比均有不同程度的提高。各種添加劑可以增加瀝青混合料的破壞次數(shù)，延緩出現(xiàn)剝離問(wèn)題，降低剝離率和車轍深度。摻加各種添加劑的瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度排序?yàn)樾鋷r纖維＞聚丙烯腈纖維＞水化石灰＞聚酯纖維＞AMR＞TJ-066。根據(jù)不同添加劑對(duì)高鹽高濕環(huán)境下瀝青混合料水穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響，推薦使用玄武巖纖維改善高鹽高濕地區(qū)瀝青混合料的性能。