盐冻融循环下添加剂对沥青流变性能的影响

殷金侠，马庆伟， 张绍泉，郭 平

(1.中交二公局东萌工程有限公司，陕西 西安 710119； 2.西安公路研究院，陕西 西安 710065；3.山东科达基建有限公司，山东 东营 257000)

0 引 言

中国北方大部分地区冬季降雪频繁，随着温度降低，路面上容易产生积雪结冰现象，这严重阻碍了交通，对路面结构也有较大损害[1]。现阶段中国主要通过清除法和融化法来除去路面冰雪，其中融化法又包括化学融化法和热融化法，考虑到热融化法的成本较高，中国大部分地区还是主要采用化学融化法，即撒布融雪盐的方法[2-3]。然而，随着融雪盐的使用，冬季昼夜温度也会交替变化，这样容易导致盐溶液浸入沥青路面结构内部，不断损害沥青路面，降低其使用寿命，因此有必要采取相关措施减少其破坏。

目前主要通过改善沥青以及沥青混合料的性能来改善融雪盐对沥青及其混合料的损害。崔亚楠等通过研究盐冻融循环对沥青性能的影响得知，冰冻温度、盐溶液浓度和冻融循环次数都会影响沥青的温度敏感性，使沥青的高低温性能降低，并对沥青微观结构产生巨大影响[4]；Kumar、Nejad等研究发现掺加消石灰可以改善混合料的水稳定性[5]；叶中辰等研究了纤维对沥青胶浆性能的影响，发现纤维对沥青的高温和低温性能都有较大改善[6]；陈子健研究了橡胶对沥青低温性能的改善作用，结果表明与SBS改性沥青和70号基质沥青相比,橡胶沥青具有更好的低温性能[7]；赵可等研究了添加不同化学助剂的几种PE复合改性沥青的技术性能、加工工艺及影响因素，PE 复合改性沥青不仅具有优良的性能，而且在热贮存过程中不发生离析，达到行业技术标准[8]；杨新春等研究了岩沥青对基质沥青的性能影响，发现适当掺量的岩沥青能有效改善沥青的温度敏感性和抗疲劳性能[9]。

以上研究多停留在常规环境下，并未考虑盐冻融循环的影响，并且只是对一种或者一类添加剂进行研究，涉及到盐冻融循环条件时，也只是研究了不同环境条件对沥青常规性能指标的影响，而对几类添加剂在盐冻融条件下的流变性能缺乏系统的研究。本文针对盐冻融循环条件的特点，选择木质素纤维、聚酯纤维、热塑性树脂PE、消石灰、岩沥青、胶粉等6种添加剂，通过在8%的盐溶液中冻融循环15次来模拟北方寒冷地区融雪盐对路面的损害，然后对6种沥青胶结料分别进行动态剪切流变试验(DSR)、弯曲梁流变试验(BBR)以及疲劳试验，研究不同添加剂对沥青流变性能的影响，为改善盐冻融地区沥青路面的性能提供参考。

1 原材料

1.1 沥青

试验采用东明A-70#沥青，其相关技术标准见表1。

表1 基质沥青技术指标及要求

1.2 添加剂

1.2.1 纤维

本文采用的纤维有木质素纤维、聚酯纤维，纤维掺量为8%，其主要技术指标见表2。

1.2.2 橡胶

胶粉采用西安中轩胶粉加工厂生产的30目胶粉，胶粉掺量为20%，其相关技术指标见表3。

1.2.3 PE

PE是由乙烯单体聚合而成的线性聚合物，其分子结构式为-[CH2-CH2]n-。本文所用的是线性低密度聚乙烯(LLDPE)，PE掺量为8%，其相关指标见表4。

1.2.4 岩沥青

岩沥青在常温下呈黑色，有光泽，外观像黑曜石，易脆，易被碾成黑棕色粉末，掺量为8%，其相关技术指标见表5。

表2 纤维技术指标

表3 胶粉技术指标

表4 PE技术指标

1.2.5 消石灰

消石灰中有效成分MgO和CaO含量为68%，满足技术标准对消石灰(MgO和CaO)含量大于65%的要求，其掺量为2%。

表5 岩沥青技术指标

2 试验方案及试验方法

2.1 试验方案

已有研究表明，在一定浓度的NaCl溶液中，沥青胶结料冻融循环15次后，其性能衰减幅度越来越小，且当冻融循环次数固定，盐溶液浓度超过8%后，沥青的各项性能衰减较为缓慢[10]，因此本文以在浓度为8%的盐溶液中冻融循环15次来模拟北方寒冷地区盐冻融循环对沥青的损害。盐冻融循环过程为：将制作好的沥青胶结料试样先放在配制好的盐溶液中浸泡12 h，然后将试样在-10 ℃的低温箱中冰冻3 h，随后将试样取出放入40 ℃的盐溶液浴中融化2 h，如此反复进行15次盐冻融循环。增加1组无添加剂的对比组，对7组试样分别进行动态剪切流变试验、弯曲梁流变试验以及疲劳试验。

2.2 试验方法

对掺加木质素纤维、聚酯纤维、橡胶粉、PE、岩沥青和消石灰等添加剂的沥青进行流变试验，采用动态剪切试验(DSR)研究不同沥青胶结料的高温流变性质，低温流变性质研究采用弯曲梁流变试验(BBR)，并通过动态剪切流变仪(DSR)，选取应力控制，在确定的应变水平下测试沥青结合料的疲劳性能，由初始复数剪切模量计算出对应的应力水平，然后在此应力水平下进行应力控制加载，待沥青模量衰减至初始模量的50%时，将荷载作用次数作为评价指标，对不同沥青胶结料的疲劳性能进行分析。

3 试验结果与分析

3.1 动态剪切流变试验

掺加木质素纤维、聚酯纤维、橡胶粉、PE、岩沥青和消石灰等添加剂的沥青胶结料的抗车辙因子G*/sinδ和相位角δ随温度的变化趋势如图1、2所示。

图1 不同沥青胶结料的抗车辙因子G*/sin δ

从图1老化前后掺加不同添加剂的沥青胶结料的抗车辙因子G*/sinδ结果可知，随着温度升高，老化前后掺加不同添加剂的沥青胶结料的抗车辙因子G*/sinδ逐渐减小，表明掺加不同添加剂后，沥青胶结料在盐冻融循环后的高温抗变形能力随着温度升高而逐渐降低，且随着温度越来越高，降低幅度越来越小。

由图1(a)可知，与未掺加添加剂的沥青相比，掺加6种添加剂后，其抗车辙因子G*/sinδ都有不同程度的提高。以64 ℃为例进一步说明不同添加剂对盐冻融循环下沥青高温性能的影响。不同沥青老化前经过盐冻融循环的作用后，掺加木质素纤维、聚酯纤维、橡胶粉、PE、岩沥青、消石灰的沥青的抗车辙因子G*/sinδ分别增加了3.8%、4.8%、9.8%、11.3%、3.9%、5.8%。可见，PE、胶粉改善盐冻融循环条件下沥青胶结料的高温稳定性能较好，其他4种添加剂对盐冻融作用后沥青的高温性能改善效果基本相同。RTFOT后掺加几种添加剂的沥青的抗车辙因子G*/sinδ分别增加了3.1%、4.8%、10.3%、12.5%、2.9%、1.9%，从不同添加剂的RTFOT沥青胶结料经过盐冻融循环作用后的高温性能来看，PE、胶粉对沥青的高温性能改善效果显著，消石灰与岩沥青对盐冻融循环后的沥青高温抗变形能力改善最不明显。

从图2可知，与未掺加添加剂的沥青相比，掺加6种添加剂后，其相位角都有不同程度的降低。以64 ℃为例进一步说明不同添加剂对盐冻融循环下沥青相位角的影响。不同沥青老化前经过盐冻融循环的作用后，掺加木质素纤维、聚酯纤维、橡胶粉、PE、岩沥青、消石灰的沥青的抗车辙因子G*/sinδ分别降低了23.83%、26.58%、24.45%、30.54%、1.0%、5.3%，老化后只有岩沥青的相位角增加了2.8%；掺加木质素纤维、聚酯纤维、橡胶粉、PE、消石灰的沥青的相位角分别降低了13.8%、27.8%、31.8%、29.5%、5.3%。由此可知：掺加不同添加剂后，老化前后沥青胶结料的相位角均不同程度地有所增加，表明经过盐冻融循环后，掺加添加剂的沥青黏性成分有所减少，而弹性成分有所增加。其中经过盐冻融循环后，老化前后掺加消石灰和岩沥青的沥青老化前后的相位角变化不明显，而掺入其他4种添加剂的沥青的相位角变化趋势基本相同，都变现出了不小的降低。

3.2 弯曲梁流变试验

本文选取-12 ℃、-18 ℃为试验温度，选取t=60 s时的蠕变劲度S和荷载作用时的沥青劲度变化率m评价不同沥青胶结料经过盐冻融循环作用后的低温性能，利用BBR测得沥青在240 s内的跨中挠度[11]，通过式(1)计算出沥青劲度模量，并拟合试验数据得到回归系数，求得m值与时间的关系，试验结果如图3、4所示。

(1)

式中：St为蠕变劲度模量；P为集中荷载；L为梁跨距(102 mm)；b为梁宽(12.5 mm)；h为梁高(6.25 mm)；δt为跨中挠度。

图3 不同沥青胶结料的劲度模量

图4 不同沥青胶结料m值

从图3可以看出，不同温度下掺加添加剂后沥青的劲度模量相比于未掺加均有所降低。-12 ℃下，掺加岩沥青、聚酯纤维、胶粉、消石灰、木质素纤维以及PE的沥青的劲度模量较未掺加分别降低了8.9%、20.2%、11.9%、5.6%、14.8%、8.1%。由此可知，经过盐冻融循环后，掺加添加剂的沥青的低温抗裂性能也有不同程度的改善，其中聚酯纤维、木质素纤维对盐冻融循环后沥青的低温性能改善最显著，消石灰对经过盐冻融循环后沥青的低温性能改善最不显著。在-18 ℃，掺加岩沥青、聚酯纤维、胶粉、消石灰、木质素纤维以及PE的沥青的劲度模量分别降低了15.8%、25.1%、15.2%、7.2%、21.2%、17.3%。可以看出，除了消石灰对其低温性能改善不明显外，在较低温度下其余几种改性剂对盐冻融循环后沥青的低温抗裂性能均有较大改善，尤其是纤维类改性剂对其改善更为明显。

m值反映了不同沥青胶结料劲度模量对变形的响应能力。由图4可知，掺加添加剂后沥青的m值均有不同程度的增大，表明沥青经过盐冻融循环后其劲度模量对变形的响应能力增强。在-12 ℃的温度下，相较于未掺加添加剂的沥青，掺加岩沥青、聚酯纤维、胶粉、消石灰、木质素纤维以及PE的沥青的m值分别升高了7.3%、12.4%、27.8%、23.9%、21.4%、16.8%，由此可以看出，沥青胶结料经过盐冻融循环后，不同添加剂对沥青劲度模量的响应能力由强到弱依次为胶粉、消石灰、木质素纤维、PE、聚酯纤维、岩沥青。而在-18 ℃的试验温度下，掺加岩沥青、聚酯纤维、胶粉、消石灰、木质素纤维以及PE的沥青的m值分别升高了6.1%、10.5%、13.1%、19.4%、10.0%、11.6%，不同添加剂对沥青劲度模量的响应能力由强到弱依次为消石灰、胶粉、PE、聚酯纤维、木质素纤维、岩沥青。从不同试验温度下沥青胶结料经过盐冻融循环后的m值可以看出，在盐冻融循环条件下，掺加消石灰与胶粉后沥青的劲度模量对变形的响应能力最强，而掺加岩沥青后，其劲度模量对变形的响应能力最弱。整体而言，掺加不同种类的添加剂后，沥青经过盐冻融循环，其劲度模量对变形的响应能力有所增强，试验温度越低，掺加添加剂的沥青劲度模量对变形的敏感性越小。

3.3 疲劳试验结果与分析

使用动态剪切流变仪，选取应力控制，在确定的应力水平下测试沥青结合料的疲劳性能，应力水平取300 kPa，待沥青模量衰减至初始模量的50%时，将荷载作用次数作为评价指标，试验温度为15 ℃，加载波为正弦波，频率为10 Hz[12]，将各种沥青胶结料试样在8%的NaCl溶液中冻融循环15次后进行沥青疲劳试验，7种沥青胶结料疲劳试验结果如图5所示。

图5 不同沥青胶结料疲劳寿命

从图5可以看出，经过盐冻融循环后，掺加添加剂的沥青的疲劳寿命明显高于基质沥青，在盐冻融循环条件下，掺加岩沥青、聚酯纤维、胶粉、消石灰、木质素纤维以及PE的沥青的疲劳寿命较未掺加添加剂的沥青分别升高了30.3%、40.1%、26.3%、13.8%、21.1%、37.5%，不同添加剂对沥青疲劳寿命的改善效果从大到小依次为聚酯纤维、PE 、岩沥青、胶粉、木质素纤维、消石灰。消石灰对沥青的疲劳性能虽然有所改善，但是相比其他几种改性剂，其改善相对不明显，聚酯纤维与PE对盐冻融循环后的沥青胶结料的疲劳性能改善最为显著。

综合以上研究可知：沥青胶结料经过盐冻融循环作用后，PE、胶粉对沥青的高温性能改善显著，消石灰与岩沥青对盐冻融循环后的沥青高温抗变形能力改善最不明显，聚酯纤维对沥青的高温性能改善较为显著；纤维类改性剂对沥青的低温性能改善更为明显；聚酯纤维与PE对盐冻融循环后的沥青胶结料的疲劳性能改善最为显著。因此，建议在寒冷地区优先采用聚酯纤维或PE来改善沥青的各项性能，以减轻路面因盐冻融循环作用而产生的破坏。

4 结 语

本文对掺加不同添加剂的沥青进行盐冻融循环后，采用动态剪切流变试验(DSR)、弯曲梁流变试验(BBR)以及沥青疲劳试验研究及各项性能，得到的结论如下。

(1)动态剪切流变试验结果表明：经过盐冻融循环后，不同添加剂均能提高沥青胶结料老化前后的高温抗变形能力，PE、胶粉对沥青的高温性能改善效果显著，消石灰与岩沥青的改善最不明显；且掺加添加剂的沥青的相位角明显减小，其黏性成分有所减少，弹性成分有所增加，其中掺加消石灰和岩沥青的沥青老化前后的相位角变化不明显，而掺入其他4种添加剂的沥青的相位角都有较大幅度降低。

(2)弯曲梁流变试验结果表明，经过盐冻融循环后，消石灰对沥青的低温性能改善最不明显，在较低温度下岩沥青、聚酯纤维、胶粉、木质素纤维以及PE对盐冻融循环后沥青的低温抗裂性能均有较大改善，尤其是纤维类改性剂对其改善更为明显；掺加消石灰与胶粉的沥青的劲度模量对变形的响应能力最强，纤维类改性剂次之，掺加岩沥青后，沥青劲度模量对变形的响应能力最弱。

(3)经过盐冻融循环后，掺加消石灰对沥青的疲劳性能虽然有所改善，但是相比其他几种改性剂，其改善相对不明显，聚酯纤维与PE对盐冻融循环后的沥青胶结料的疲劳性能改善最为显著。

(4)在寒冷地区，建议采用聚酯纤维或PE来改善沥青的各项性能，以减轻路面因盐冻融循环作用而产生的破坏。