盐冻融循环下温/热拌胶粉改性沥青混合料高低温性能研究

2021-05-10郭志祥张宝鑫宋长振何立琦

硅酸盐通报 2021年4期

王岚，郭志祥，张宝鑫，宋长振，何立琦

(1.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点试验室,呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051；3.中咨公路养护检测技术有限公司，北京 102299；4.内蒙古公路交通投资发展有限公司，呼和浩特 010051)

0 引言

在内蒙古寒冷地区，为保证出行安全常用除冰盐清理路面积雪、结冰[1-2]。随着除冰盐的大量应用，盐溶液逐渐侵入路面，昼夜大温差的冻融循环作用使路面长期遭受严重破坏，影响了沥青路面的路用性能，因此考虑盐冻融循环作用对沥青路面使用性能的影响，对其进行研究显得十分必要。美国交通运输部率先研究出了温拌沥青混合料低温抗裂性能要强于热拌沥青混合料[3]。冯蕾等[4]研究了冻融循环作用后胶粉改性沥青混合料的水稳定性，发现影响胶粉改性沥青混合料水稳定性的主要原因是除冰盐晶粒对沥青粘结性的破坏及冰晶在试件内部的膨胀和消融。Ayyala等[5]通过车辙试验研究了三种温拌剂对沥青混合料的影响，结果表明，在高温时，添加了三种温拌剂的沥青混合料具有很高的抗车辙能力。何亮等[6]通过沥青混合料蠕变试验对比研究了有机蜡类(Sasobit)温拌橡胶沥青混合料与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青混合料的高温蠕变特性，结果发现，Sasobit温拌剂的加入可有效地提高橡胶沥青混合料的高温性能，但对低温抗裂性能影响不显著。张镇等[7]通过对不同级配的表面活性剂(Evotherm)温拌沥青混合料以及热拌沥青混合料的路用性能进行研究，发现Evotherm温拌沥青混合料的高低温性能、抗疲劳性能均比热拌沥青混合料有不同程度的提高，而水稳定性略有下降。郭鹏等[8]基于表面能理论研究了温拌再生沥青与骨料的粘附性能，结果表明，温拌剂提高了沥青与骨料的粘附性，很大程度提高了沥青混合料的水稳定性。陈慨等[9]对温拌沥青混合料的路用性能进行研究，结果发现不同温拌剂对沥青混合料的高低温性能、水稳定性的影响不尽相同。王岚等[10]通过半圆弯拉(SCB)试验，研究了盐冻融循环作用对胶粉改性沥青混合料低温抗裂性能的影响，发现随着冻融循环次数与盐浓度的增加，沥青混合料的低温性能逐渐降低，并且中低浓度的盐溶液，对沥青混合料的侵蚀最为严重。Akisetty等[11]研究了温拌剂对胶粉改性沥青混合料高温性能的影响，发现温拌剂会明显改变胶粉改性沥青混合料的粘性，可有效提高胶粉改性沥青混合料的高温抗车辙能力。目前，国内外对温拌沥青混合料的路用性能研究较为全面，但关于温拌胶粉改性沥青混合料的研究相对较少。

本文通过三轴重复蠕变试验、小梁弯曲试验、弯曲蠕变试验分别对盐冻融循环作用下温拌胶粉改性沥青混合料(CR-WMA)及热拌胶粉改性沥青混合料(CR-HMA)的高低温性能进行评价；通过对蠕变数据进行Burgers模型参数的拟合，对CR-WMA与CR-HMA的高温性能进行评价；通过抗弯拉强度RB、最大弯拉应变εB、弯曲劲度模量SB三个力学性能指标以及弯曲应变能密度Wf评价CR-WMA与CR-HMA的低温性能，通过对弯曲蠕变试验数据进行Burgers模型参数的拟合，进一步探讨CR-WMA及CR-HMA在冻融循环作用下低温性能变化规律。

1 实验

1.1 原材料

基质沥青采用中海油90#沥青，橡胶粉采用混合目数(40目(0.45 mm)、60目(0.3 mm)、80目(0.2 mm))按3 ∶3 ∶1的质量比配制，胶粉掺量为20%(质量分数)，混合目胶粉改性沥青的技术指标如表1所示。温拌剂采用自主研发的SDYK型表面活性剂温拌剂，胶粉改性沥青混合料的级配类型为AC-16连续型级配，粗集料分别采用10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm的玄武岩，矿粉采用石灰岩矿粉(细度≤0.075 mm)，矿料级配及油石比见表2。通过马歇尔等空隙率设计方法确定CR-WMA的拌和、压实温度分别为160 ℃、145 ℃，CR-HMA 的拌和、压实温度分别为180 ℃、165 ℃，试验试件根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求制备。除冰盐选用NaCl(Na:40.01%、Cl:59.99%，均为质量分数)。

表1 混合目胶粉改性沥青技术指标

续表

表2 AC-16胶粉改性沥青混合料目标配合比设计

1.2 试验方案

三轴重复蠕变试验采用IPC-global UTM-100多功能材料试验机，试验温度60 ℃，偏应力0.7 MPa，采用加载0.1 s、卸载0.9 s的半正弦波加载方式，以试件应变达到50 000 με或循环次数达到10 000次为试验终止条件，试验前将试件置于保温箱中保温6 h。小梁弯曲试验采用IPC-global UTM-100多功能材料试验机，试验温度为-10 ℃，在50 mm/min的速率下加载至破坏。弯曲蠕变试验采用IPC-global UTM-100多功能材料试验机，试验温度为-10 ℃，加载力取小梁弯曲试验破坏荷载的10%，并记录加载过程中的跨中挠度变化曲线，以试件变形进入稳定期0.5 h为试验终止条件。盐冻融循环溶液浓度(a%)分别为0%、4%、8%、12%(质量分数)，将沥青混合料试件置于高低温交变箱，在-20 ℃下冰冻16 h，60 ℃下融化24 h，以此为一次冻融循环，冻融循环次数(b)分别为0次、5次、10次、15次、20次(图中CR-W/HMA-a%-b代表盐浓度为a%、冻融循环次数为b次的温/热拌胶粉改性沥青混合料)。

2 改性沥青混合料高温性能

2.1 盐浓度与循环次数的影响

对于三轴重复蠕变试验，采用蠕变速率k和第5 000次循环所对应的应变ε5 000可对沥青混合料高温性能进行有效评价[12]。图1为不同冻融循环次数对两种类型胶粉改性沥青混合料的蠕变速率k及应变ε5 000影响。

图1 不同冻融循环次数对沥青混合料高温性能的影响

图2为除冰盐浓度及冻融循环次数对蠕变速率k与ε5 000影响变化曲线。

图2 盐浓度对蠕变速率k与ε5 000的影响

由图2可以看出，两种类型沥青混合料的蠕变速率k与ε5 000随盐浓度的变化趋势大致相同，随着盐浓度的增加，蠕变速率k与 ε5 000均逐步增大，并在盐浓度为8%时达到峰值，表明在8%盐浓度下沥青混合料内部及沥青-集料界面遭受冻融循环作用的侵蚀是最为严重的，之后随盐浓度的提高，蠕变速率k与ε5 000呈现降低趋势。这是由于溶液中的水产生的冻胀力、盐溶液低温时结晶产生的压力及除冰盐溶液中游离出的Na+、Cl-对集料的强吸附性等综合作用使得8%盐浓度对沥青混合料的破坏达到最大[10,15]，随着盐浓度的进一步提高，在达到12%盐浓度时，盐溶液中的自由水减少，使得水分结冰产生的冻胀力对沥青混合料的破坏减小，并且盐溶液在低温时产生的结晶压力及盐溶液中的Na+、Cl-引发的化学剥蚀作用逐步趋于稳定，从而减缓了冻融循环作用破坏的速度，致使12%盐浓度对沥青混合料的破坏作用降低。相比于8%盐浓度，12%盐浓度受冻融循环作用有所减弱，在盐浓度为4%、8%、12%时的蠕变速率k与ε5 000均大于0%盐浓度的蠕变速率k与ε5 000，说明盐冻融循环相比水冻会加快沥青混合料高温性能衰减速度。

2.2 改进的Burgers模型参数分析

图3 改进的Burgers模型原理图[17]

Burgers模型虽然可以较准确地反映材料的蠕变变形和应力松弛特性，但其所表述的蠕变变形随时间的推移是无限增大的，这与材料的特性是相违背的[16]。徐世法等[17]针对这一缺点，在Burgers模型的基础上，将外部粘壶重新定义，以粘滞系数η0(t)=MeNt取代η0(其中M、N为正的材料参数)，提出以改进的Burgers模型来评价沥青混合料的高温蠕变特性，图3为其模型示意图，其中σ为应力，ε为应变。图中G0、G1为模型的弹性模量，η0、η1为模型的粘滞系数。

图4为利用1Stopt软件拟合出的改进的Burgers模型参数变化曲线。由图4可知，随冻融循环次数的增加，沥青混合料的G1、η1均减小，而这两个参数代表的是变形能力，其值越小，变形越大，说明冻融循环次数增加，沥青混合料的变形在逐步增加，抗变形能力降低，高温性能变差。这是由于随着冻融循环次数的增加，溶液中的水结冰产生的冻胀力与盐分结晶产生的压力使得沥青混合料逐渐开裂，使得沥青混合料的变形增大，并且除冰盐溶液中游离出的Na+、Cl-与集料之间具有较强的吸附性，使得沥青与集料之间的粘附能力降低，造成部分沥青膜的脱落，影响了沥青混合料整体结构稳定性。随盐浓度的增加，G1、η1二者数值均减小，在盐浓度为8%时达到最小值，说明沥青混合料随盐浓度的增加其变形量先增大后略微减小，盐浓度为8%时沥青混合料的抗变形能力影响最为显著。对比相同循环次数与盐浓度水平下，CR-WMA的G1、η1值均大于CR-HMA，表明温拌剂可有效改善沥青混合料的高温抗变形能力，这是由于SDYK型表面活性剂温拌剂的加入使得集料更好地包裹于沥青，增加了沥青与集料的粘附程度，并且SDYK型表面活性剂温拌剂中存在的胺类物质与集料中硅酸盐的O-相结合，减缓了部分水溶液对沥青的置换剥离作用，故CR-WMA具有更优的高温抗变形能力。M、N两个参数共同决定粘滞系数η0(t)=MeNt，因此单独分析其中一个参数并无意义，两种类型沥青混合料的η0值变化曲线见图5。

由图5可知，随着冻融循环次数的增加，两种类型胶粉改性沥青混合料的η0均逐步减小，表明不可恢复的粘性流动变形在逐步增加，即沥青混合料在外力作用下容易产生变形，高温下易产生车辙破坏，使得高温性能逐步变差，这是由于冻融循环作用下沥青混合料内部产生的损伤不断累积所导致的结果。但随着冻融循环次数的继续增加，不可恢复的粘性流动变形增大趋势变缓，这可能是由于沥青发生了水老化[13]，使得沥青中的轻质组分减少，重质组分增多而表现为变脆变硬，故导致沥青混合料的粘性流动变形减小。在相同冻融循环次数下，随着盐浓度的增加，沥青混合料的η0值逐渐减小，在盐浓度为8%时的η0值达到最小值，说明盐浓度的增加使沥青混合料不可恢复的粘性流动变形增加，从而使得高温抗变形能力下降，并且在盐浓度为8%时，沥青混合料的高温性能为最差。在相同冻融循环次数及相同盐浓度下CR-WMA的η0值均大于CR-HMA，表明SDYK表面活性剂型温拌剂的加入有效地抑制了盐溶液的侵蚀及冻融循环作用，减弱了盐溶液对沥青的侵蚀与沥青-集料间的剥落作用，从而减小了沥青混合料不可恢复的粘性流动变形，提高了胶粉改性沥青混合料的高温性能。

图5 改进的Burgers模型η0值

3 改性沥青混合料低温性能

3.1 盐冻融对小梁弯曲试验参数的影响

两种类型胶粉改性沥青混合料的抗弯拉强度RB、最大弯拉应变εB、弯曲劲度模量SB随冻融循环次数增加的变化曲线如图6所示。

图6 沥青混合料RB、εB、SB值

由图6可知，随着冻融循环次数的增加，两种类型胶粉改性沥青混合料的抗弯拉强度RB和最大弯拉应变εB逐步减小，弯曲劲度模量SB逐步增大，表明随着冻融循环次数的增加，两种胶粉改性沥青混合料的低温性能均逐渐变差。表3为0%盐浓度下20次冻融循环后沥青混合料低温指标变化情况(以0%盐浓度为例，其余浓度规律相似，“-”代表减小，下同)。由表3可知，CR-WMA的低温性能指标变化幅度均小于CR-HMA，说明随着冻融循环次数的增加，CR-WMA具有更优的长期抗冻性及低温抗裂能力。这是由于在胶粉改性沥青中，胶粉与基质沥青中的饱和分、芳香分等轻质组分产生溶胀反应，表现为其粘度增大，从而使得荷载应力被快速消散，低温抗裂性能较好，但胶粉改性沥青的制备温度在200 ℃左右，若制备温度过低，则会导致沥青与集料裹附不均匀，使得胶粉改性沥青沥青混合料存在较大空隙及微裂缝等缺陷。在盐冻融循环的作用下，盐溶液更易渗入其内部造成较大损伤，若制备温度过高，则会使胶粉改性沥青产生老化，排放有害气体。而SDYK型表面活性剂温拌剂的加入在降低了拌和、压实过程中的温度的同时，极大地减缓了沥青的老化程度，减少了有害气体的排放，并且也增加了胶粉改性沥青的粘流性能，使沥青在较低温度下仍具备良好的流动与变形能力，使得沥青与集料之间的粘附能力增强，有效地遏制了盐溶液对沥青混合料内部空隙及裂缝的渗入与侵蚀作用，从而CR-WMA具有更优的长期抗冻性及低温抗裂能力。

表4为第20次冻融循环下沥青混合料低温性能指标随盐浓度增加的变化情况(以第20次冻融循环为例)。由表4可知，胶粉改性沥青混合料的低温性能由于除冰盐的加入而降低，降低速度随盐浓度的提高而逐渐增加，在盐浓度8%时降低速度最快，相比于8%盐浓度，在盐浓度12%时低温性能出现些许提高现象。因为盐冻融循环作用对沥青混合料的破坏是由溶液中的水分结冰产生的冻胀力、盐分结晶产生的结晶压力和盐溶液中游离出的Na+、Cl-对集料的强吸附性等综合作用的结果[10,15]。在低温条件下，渗入沥青混合料内部的盐溶液中的水分结冰产生冻胀力，盐分在水中的溶解度降低致使盐分结晶产生结晶压力，使得沥青混合料逐渐开裂产生损伤；在高温条件下，溶液继续渗入内部空隙及已开裂位置，且溶液中存在的Na+、Cl-与集料具有较强的吸附性，侵入沥青-集料界面引起置换效应，使沥青脱落于集料表面，反复作用从而使得在8%盐浓度时沥青混合料的低温性能最差，破坏最为严重。但随着盐浓度的进一步增加，在12%盐浓度溶液中，自由水结冰产生的冻胀力会越来越小，并且盐分在低温时结晶产生的压力与盐溶液中的Na+、Cl-所引发对集料的侵蚀作用也趋于稳定，故相比于8%盐浓度，12%盐浓度受冻融循环作用有所减弱。又可知，在盐冻融循环作用下，因SDYK型表面活性剂温拌剂的加入使得CR-WMA的低温性能指标RB、εB、SB随盐浓度的变化幅度要大于CR-HMA，但CR-WMA的低温性能仍然优于CR-HMA，这是因为盐溶液中的带电离子Na+、Cl-，容易被集料表面所吸附，并且破坏了SDYK型表面活性剂温拌剂中存在的胺类物质与集料中硅酸盐中O-的结合，加重了对CR-WMA的侵蚀作用，故在受到盐冻融循环作用时，CR-WMA的低温性能指标变化幅度较大，但盐溶液的侵蚀作用对沥青混合料所造成的影响并不大。SDYK型表面活性剂温拌剂的加入提高了沥青-集料界面的粘结能力，延缓了盐冻融循环作用对沥青-集料界面的侵蚀破坏作用，故在不同盐浓度下CR-WMA的低温抗开裂性能依然要优于CR-HMA。综上所述，以上结论进一步证实了SDYK型表面活性剂温拌剂的加入确实提升了沥青对集料的裹附能力，阻止了盐溶液对沥青与集料界面的渗入及侵蚀作用，提高了沥青混合料的抗低温开裂能力。

表3 0%盐浓度下20次冻融循环后沥青混合料RB、εB、SB变化情况

表4 盐浓度从0%到4%、8%、12%沥青混合料RB、εB、SB变化情况

3.2 弯曲应变能密度Wf

沥青混合料的低温开裂伴随着能量的耗散，其耗散的能量越大，低温抗裂能力越强[18]。图7为两种类型沥青混合料弯曲应变能密度Wf的变化。由图7可以看出，在相同盐浓度与冻融循环次数下，CR-WMA的弯曲应变能密度Wf均大于CR-HMA，同时CR-WMA经冻融循环作用后弯曲应变能密度Wf的下降速度要比CR-HMA缓和，说明相比于CR-HMA，CR-WMA具有较优的抗低温开裂能力。这是因为SDYK型表面活性剂温拌剂降低了胶粉改性沥青混合料的拌和、压实温度的同时，极大地减缓了沥青的老化程度，使沥青在较低温度下仍具备良好的流动与变形能力，沥青与集料之间的粘附能力增强，遏制了盐溶液对沥青混合料内部空隙及裂缝的渗入与侵蚀作用。同时，冻融循环后每种沥青混合料的弯曲应变能密度Wf均有不同程度的降低，在循环次数10次以前降低程度较大，10次以后降低程度较小，表明随着冻融循环次数的增加，沥青混合料本身所储存的弹性应变能会降低，最终导致低温抗开裂能力变差。这是由于随着冻融循环次数的增加，沥青混合料内部的损伤不断积累，产生了大量微裂缝，并且在外力作用下易产生变形，使得在冻融循环10次以前弯曲应变能密度Wf降低程度较大。但随着沥青混合料内部裂缝继续发展，减缓了冻胀力及结晶压力对沥青混合料内部的破坏作用，最终使得冻融循环次数10次以后低温性能下降趋势变缓。在不同盐浓度下，随着冻融循环次数的增加，两种类型沥青混合料的Wf均下降，并且发现盐冻后沥青混合料的弯曲应变能密度Wf比水冻的要小，表明盐冻融循环作用会比水冻融循环作用更为显著地降低沥青混合料的弹性变形能力，盐浓度为8%时CR-WMA与CR-HMA的弯曲应变能密度Wf达到最小，之后略有上升，这是由于较高盐浓度除冰盐溶液中Na+、Cl-的化学侵蚀作用逐步趋于稳定，溶液中的自由水结冰产生的压力减小，并且由于冻融循环作用造成的沥青混合料内部较大空隙有效地释放了水分结冰产生的冻胀压力与盐分结晶产生的压力，故而导致弯曲应变能密度Wf略有上升。

图7 沥青混合料Wf值的变化

3.3 Burgers模型参数分析

图8 Burgers模型原理图[17]

沥青混合料蠕变曲线分为迁移期、稳定期、破坏期三个阶段，在高温条件下，蠕变曲线会很快进入第三阶段，且在实际沥青路面中所产生的蠕变变形不是无限增加的，故改进的Burgers模型可以更为准确地描述实际沥青路面所产生的蠕变变形[17]。在低温条件下，沥青混合料所产生的变形以弹性变形为主，故其蠕变曲线在进入破坏期前会持续很长一段时间，因此在不考虑蠕变曲线破坏期的情况下，Burgers模型对低温蠕变变形具有更高的拟合精度。图8为Burgers模型原理图。Burgers 模型是由Maxwell元件和Kelvin元件二者串联得到的四元件模型，G1、η1分别为Maxwell模型的弹性模量、粘滞系数;G2、η2分别为Kelvin模型的弹性模量、粘滞系数。

图9为利用1Stopt软件拟合出的Burgers模型参数随冻融循环次数的变化曲线。Burgers 模型中，G1为瞬时弹性变形系数，其产生的变形在卸载阶段可以完全恢复；G2、η2产生的变形会随着时间变化而恢复；η1产生的变形为不可恢复的永久变形[15]。由图9可以看出，当盐浓度相同时，随冻融循环次数增加η1增大，表明不可恢复的永久变形在增大，使得整体变形能力降低，而导致沥青混合料低温抗开裂性能的降低。随着冻融循环次数的增加，G2、η2也逐渐增大，表明延迟弹性变形在逐渐增大，即沥青混合料中弹性比例在逐步增加，故在低温时更容易开裂。随着冻融循环次数的增加，G1逐渐减小，代表瞬时弹性变形减小，说明随着冻融循环次数的增加，沥青混合料内部产生的损伤不断累积，产生了大量微裂纹。CR-WMA的η1、G2、η2均小于CR-HMA，表明CR-WMA在低温时具有更好的变形能力，即更优的抗低温开裂能力，而CR-WMA的G1均大于CR-HMA，表明SDYK型表面活性剂的加入会抑制或减少由于冻融循环作用造成的沥青混合料内部裂纹的产生与扩展。在相同的冻融循环次数下，经水溶液侵蚀的沥青混合料G1均大于经除冰盐溶液侵蚀的沥青混合料，而η1、G2、η2均小于经除冰盐溶液侵蚀的沥青混合料，表明除冰盐的存在加重了冻融循环对沥青混合料内部裂纹扩展的促进作用，使得沥青混合料的变形能力降低，低温性能变差。