酸性環境對瀝青材料抗疲勞性能的影響研究

汪 亮 柯友權 吳 勇 王 軍 劉子陽

(1.湖北長江路橋有限公司 武漢 430077; 2.華中科技大學土木與水利工程學院 武漢 430074)

我國的酸雨主要是硫酸雨,少量為硝酸雨[1]。酸雨對瀝青路面造成侵蝕,降低其性能,影響行車安全。因此,如何抵御酸雨對瀝青路面的損害受到道路工程界廣泛關注[2-3]。

針對酸雨對瀝青路面性能的影響,國內學者已進行了一定研究。袁仁峰等[4]研究酸雨氣候對瀝青混合料路用性能的影響規律,發現隨著侵蝕時間的增長,瀝青混合料各項性能大幅下降。馮新軍等[5]將由3種集料(石灰巖、玄武巖、花崗巖)制備的瀝青混合料在不同pH值的酸溶液中進行浸泡處理,發現瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性均出現明顯下降。張倩等[6]研究了酸雨對瀝青混合料破壞的化學反應機理,發現酸雨中的酸性物質與瀝青混合料中的酸性或堿性礦料均會發生反應生成可溶于水的鹽類,從而降低瀝青混合料的抗水損害性能。馬萬等[7]模擬研究了酸雨對新型直投式干法橡膠瀝青混合料和SBS瀝青混合料的影響,發現直投式干法橡膠瀝青混合料含有的橡膠顆粒能夠與酸雨中酸性成分反應以減輕其對混合料性能的不利影響。朱俊材等[8]對環氧瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和70號基質瀝青混合料的耐酸雨侵蝕性能進行研究,結果表明環氧瀝青混合料耐酸雨侵蝕能力最優,其空間網絡結構增強了混合料的力學性能、抗滲性能和耐酸雨侵蝕能力。目前研究主要集中于瀝青混合料的性能評價,對瀝青材料的影響研究較少。本文以瀝青材料為主體研究對象,考察酸雨對其抗疲勞性能的影響,并分析瀝青材料疲勞壽命的影響因素。

1 試驗方案設計

1.1 試驗材料

為探究瀝青在酸雨環境下的疲勞性能變化規律,試驗所用瀝青材料為70號基質瀝青與SBS(I-D)改性瀝青,2種材料均為道路行業常用瀝青,其性能指標試驗結果見表1[9-10]。

表1 瀝青性能指標測試結果

1.2 試驗儀器與試驗方法

試驗采用動態剪切流變儀(DSR)對所選的瀝青進行溫度頻率掃描試驗與線性振幅掃描試驗(LAS),以獲取不同溶液浸泡時間下的瀝青的疲勞性能數據,進而對2種瀝青的抗疲勞性能進行評價分析。

1.3 酸性環境模擬

通過室內試驗模擬酸性環境,研究不同瀝青的抗疲勞性能。以國內酸雨情況為基礎,采用稀釋濃硫酸配置pH=3的酸性溶液,采用浸泡法處理瀝青。同時設置pH=7的中性水環境作為對照組。使用pH測量計監測溶液pH值,保證在±0.3范圍內,其配制過程示意見圖1。

圖1 試驗配制pH=3的硫酸溶液

瀝青試樣浸泡處理方式為前2個周期浸泡6 d、自然風干1 d,每個周期7 d,共處理2個周期;第3個周期浸泡13 d,自然風干1 d,每個周期14 d,共處理1個周期。為真實模擬路面情況,選擇自然風干試樣,避免烘箱烘干引起瀝青老化。經過第3個周期的13 d浸泡后風干模擬地區多雨、潮濕的條件,以及考慮到酸雨侵蝕后期瀝青性能變化較慢的情況。使用動態剪切流變儀對2種瀝青進行疲勞性能測試,DSR試樣見圖2。值得一提的是,該試驗所需瀝青試樣較小(直徑約8 mm、高度約2 mm),能被酸性溶液充分侵蝕,確保測試結果準確。

圖2 DSR瀝青試樣

2 疲勞性能實驗結果及分析

2.1 溫度頻率掃描試驗結果及分析

采用應變控制方式進行溫度頻率掃描試驗,應變設置為3%,試驗溫度區間為20～40 ℃,頻率為10 Hz。通過溫度頻率掃描試驗,獲取瀝青試樣的動態剪切模量G*及相位角δ,進而獲得疲勞因子G*·sinδ。疲勞因子是瀝青抗疲勞性能的重要指標,其值越大,表明瀝青的黏性比例越大,彈性能力越弱,恢復能力越弱,越容易發生疲勞開裂。本研究中70號瀝青和SBS(I-D)改性瀝青在硫酸溶液中浸泡不同天數下的疲勞因子試驗結果見圖3。

圖3 不同浸泡時間、不同工況下的疲勞因子試驗結果

根據試驗結果,疲勞因子受溫度影響較大,隨溫度升高而迅速下降。在相同浸泡時間下,中性水環境中的SBS改性瀝青表現出最好的抗疲勞性能,其余3種工況的抗疲勞性能依次為:硫酸浸泡的SBS改性瀝青>中性水浸泡的70號瀝青>硫酸浸泡的70號瀝青。為了進一步分析疲勞因子隨浸泡時間變化的規律,提取了20 ℃下4種工況的疲勞因子計算結果,見圖4。

圖4 20 ℃時不同工況下疲勞因子變化

由圖4可見:

1) 隨著浸泡時間增加,不同浸泡環境下的瀝青抗疲勞性能下降,硫酸環境下的下降速度更快。

2) SBS改性瀝青在中性水環境和硫酸環境浸泡28 d后的疲勞因子變化曲線趨于平緩,而70號瀝青的疲勞因子隨浸泡周期延長而持續增加,且在28 d后仍未趨于穩定,這表明抗疲勞性能可能會繼續下降。

3) 根據疲勞因子的變化規律,70號瀝青在硫酸環境下的抗疲勞性能衰減速度快,而SBS改性瀝青在硫酸環境下具有更好的抗疲勞性能。

2.2 線性振幅掃描試驗結果及分析

本研究對不同浸泡時間下的瀝青試樣進行了線性振幅掃描(LAS)試驗,試驗溫度為25 ℃,采用應變控制模式。試驗包括2個階段:第一階段為頻率掃描試驗,測試頻率為0.2～30 Hz,以獲取瀝青試樣的動態剪切模量和相位角,計算雙對數坐標下存儲模量和角頻率的斜率值m。第二階段為線性振幅掃描試驗,應變控制模式,頻率為10 Hz,應變振幅范圍為0.1%～30.0%。該階段旨在獲取瀝青試樣在不同應變下的應力、應變、模量和相位角數據。采用式(1)計算累計損傷D。

(1)

式中:C(t)=|G*(t)|/|G*|initial;|G*(t)|為時間t時刻的動態剪切模量,MPa;|G*|initial為初始時刻的動態剪切模量,MPa;γ為施加的應變大小。根據實驗數據計算了不同浸泡時間下2種瀝青在應變率為2.5%與5.0%時的疲勞壽命, LAS試驗疲勞壽命計算結果見圖5。

圖5 不同浸泡時間、不同瀝青疲勞壽命結果

通過LAS試驗結果可知,5.0%應變下的疲勞壽命明顯小于2.5%應變時的疲勞壽命,而不是隨應變呈線性變化。在LAS試驗中,疲勞壽命的表達式為:Nf=A(γ)-B,其中,Nf為疲勞壽命,γ為應變大小,A、B為模型參數。隨應變增大,受到指數B的影響,疲勞壽命會迅速減小,與路面實際破壞情況相符。荷載增大時,路面性能迅速下降且更易出現疲勞破壞。

當浸泡時間相同,中性水環境下的SBS改性瀝青疲勞壽命最高,其次為硫酸環境下的SBS改性瀝青和中性水環境下的70號瀝青,性能最差的是硫酸環境下的70號瀝青。浸泡時間較短如7 d時,SBS改性瀝青的抗疲勞性能優于70號瀝青。浸泡時間增長,酸性環境對抗疲勞性能影響逐漸顯著,瀝青在硫酸環境下逐步喪失抗疲勞性能。

為了更直觀地呈現疲勞壽命隨浸泡時間的變化規律,以浸泡時間作為自變量,分別做出2.5%、5.0%應變下不同瀝青的疲勞壽命變化圖,見圖6。

圖6 不同應變下不同瀝青疲勞壽命變化

從2種應變下4種不同瀝青疲勞壽命變化圖可得出如下規律。

1) 隨著浸泡時間的增加,4種工況下的瀝青疲勞壽命均有所下降,但在相同的環境下,SBS改性瀝青疲勞性能優于70號瀝青。

2) SBS改性瀝青的疲勞壽命隨著浸泡時間的增加,疲勞壽命趨于穩定,在2.5%應變下的趨勢更為明顯,較好地抵御了外部溶液的侵蝕。而70號瀝青則未表現出相應的趨勢。

3) 在5.0%應變下,浸泡7 d時,中性水環境下的SBS改性瀝青的疲勞壽命與硫酸環境下較為接近,可能原因是在浸泡周期較短時,硫酸環境對SBS改性瀝青疲勞壽命影響較小,因此在較大應變下具有較為接近的疲勞壽命。而隨著浸泡時間的增加,酸溶液對瀝青的侵蝕作用愈加明顯,酸性環境下的瀝青疲勞壽命逐漸低于中性水環境。70號瀝青浸泡初期未出現此類現象,是因為70號瀝青抵御酸腐蝕的能力較差,硫酸溶液的侵蝕作用對瀝青抗疲勞性能的影響大于應變大小的影響。

2.3 疲勞性能影響因素分析

通過對試驗數據的總結分析,可以發現影響瀝青在硫酸環境下疲勞性能的因素是多方面的,既有內因,如瀝青種類等,也有外因,如浸泡時間、浸泡溶液種類、溫度、應變大小等,下面依次對不同因素進行分析。

2.3.1瀝青種類

SBS改性瀝青在硫酸環境下的抗疲勞性能顯著高于70號瀝青。

2.3.2浸泡時間

隨著浸泡時間的增加,硫酸環境對瀝青的侵蝕作用逐漸加強,導致疲勞壽命也隨之下降,SBS改性瀝青則在浸泡28 d時性能曲線趨于穩定,較好地抵御了硫酸溶液的侵蝕。

2.3.3溫度

瀝青具有較強的溫度敏感性,溫度對瀝青疲勞性能的影響較大,隨著溫度的升高,瀝青的抗疲勞性能下降,因此在進行瀝青相關疲勞試驗時應嚴格控制溫度,避免因為溫度波動而影響瀝青疲勞性能的測定。

2.3.4應變大小

施加的應力大小對瀝青疲勞壽命有影響,隨著應力水平增大,疲勞壽命降低。疲勞壽命的變化不是線性的,而是受到指數的影響。在SBS改性瀝青浸泡早期,硫酸環境和中性水環境下的疲勞壽命接近,這是因為溶液對SBS改性瀝青的侵蝕作用不明顯,此時應變大小對疲勞壽命的影響在浸泡早期占主導地位。因此,在疲勞試驗中應避免選取較大的應變水平,以確保試驗結果的準確性。

3 結語

通過硫酸溶液模擬酸雨環境,采用動態剪切流變儀對不同浸泡周期的70號基質瀝青與SBS改性瀝青進行溫度疲勞掃描試驗與LAS試驗,測得其疲勞因子及疲勞壽命等數據,并分析相關因素對瀝青抗疲勞性能的影響,結論如下。

1) 從疲勞因子數據可知,經硫酸溶液浸泡后的70號瀝青疲勞因子顯著增大,且隨著浸泡時間的增加其疲勞因子增長幅度增大,SBS改性瀝青具有較好的耐侵蝕效果,在中性水環境與硫酸環境下都具有較好的抗疲勞性能。

2) 通過線性振幅掃描試驗獲得了瀝青試樣在不同應變下的應力、動態剪切模量及相位角數據,結合S-VECD理論模型計算得到了2.5%及5.0%應變下的瀝青疲勞壽命,經中性水或硫酸溶液浸泡后瀝青疲勞壽命均發生下降,硫酸環境下對瀝青的侵蝕較為嚴重。浸泡初期,70號瀝青與SBS改性瀝青疲勞壽命下降較小,隨著浸泡時間的增加,70號瀝青疲勞壽命下降明顯,SBS改性瀝青疲勞壽命下降緩慢。

3) 對影響瀝青疲勞性能的不同因素進行了分析,除了浸泡溶液的種類、浸泡時間外,試驗溫度、應力大小等外部因素均對瀝青的疲勞性能具有一定影響,通過對試驗溫度、應力大小這些參數進行嚴格控制,可以減小其對瀝青抗疲勞性能評價結果的干擾,從而準確獲取因酸性環境侵蝕對瀝青抗疲勞性能產生的不利影響。

4) SBS改性瀝青在硫酸環境下具有較好的抗疲勞性能,能夠抵御酸性環境的侵蝕。因此,對于酸雨地區的路面設計,推薦使用SBS改性瀝青。