冻融循环作用下盐浓度对温拌胶粉改性沥青混合料开裂特性影响

冯 蕾，陈 征，王 岚，罗 鑫

(内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，呼和浩特 010051)

0 引 言

近年来，胶粉改性沥青混合料以其优越的高低温性能得到推广，但本身存在高耗能和高排放等问题，由此国内外专家提出了环保效益较好的温拌技术[1-3]，温拌技术的应用不仅可以有效解决这一问题，还可以提高胶粉改性沥青混合料的抗开裂、抗水损等性能。但由于我国气候条件复杂多变，对于路面材料的研究需要考虑到特殊环境的影响。北方冬季沥青路面易因冰雪天气而结冰，常采用融雪盐融雪除冰，尤其是在内蒙古大温差地区易发生冻融交替作用[4]，并使路面长期处于盐侵蚀状态。Yi等[5]通过黏弹塑性模型分析了沥青混凝土经冻融循环后的损伤特性，发现冻融循环作用会导致沥青混合料弹塑性能下降，进而发生损伤破坏。罗蓉等[6]通过水汽扩散试验，发现沥青混凝土的内部结构会因冻融循环作用而发生改变。Zhang等[7]通过室内三点弯曲试验，发现随冻融循环次数的增加，环氧沥青混凝土断裂能和应变断裂韧度先减小后增大。Feng等[8]发现除冰盐侵蚀作用会加速沥青混合料内部结构的破坏进程。目前对冻融循环和盐侵蚀共同作用下的沥青混合料研究相对较少，而数字图像(DIC)技术具有非接触、全场测量、测量精度高等优势，为研究沥青混合料的抗损伤开裂特性提供了新的手段[9-10]。Jiang等[11]基于DIC技术研究了沥青混合料小梁试件的开裂特性，发现研究沥青混合料的开裂特性采用整体拉伸应变是不准确的。Safavizadeh等[12]利用DIC技术，通过观察沥青混合料的裂缝发展过程中的位移场和应变场，分析了双层玻璃纤维格栅加筋沥青混凝土在疲劳加载过程中的开裂特性，为研究沥青混合料的抗损伤开裂性能提供了新的思路。在盐侵蚀及行车荷载的双重作用下，沥青路面材料的强度会逐渐衰减，最终造成路面开裂破坏,因此研究温拌沥青混合料在盐冻融循环条件下的抗损伤开裂特性具有重要的现实意义。

综上所述，针对内蒙古地区气候特点，以温拌胶粉改性沥青混合料(warm rubber powder modified asphalt mixture， CR-WMA)为研究对象，并选用热拌胶粉改性沥青混合料(hot rubber powder modified asphalt mixture， CR-HMA)进行对比分析，采用DIC技术研究冻融循环作用下除冰盐侵蚀对温拌胶粉改性沥青混合料抗损伤开裂特性的影响，以期为温拌胶粉改性沥青混合料在寒冷地区的应用提供参考。

1 实 验

1.1 原材料

试验采用粒径60目(0.42 mm)的橡胶粉(CR)，由山东交科院自主研发的SDYK型表面活性剂作为温拌剂。温拌胶粉改性沥青混合料(CR-WMA)是在盘锦90#基质沥青中掺入20%(质量分数，下同)的60目CR颗粒和0.6%的SDYK型表面活性剂加工制成，其拌和温度为160 ℃。SDYK型表面活性剂和胶粉改性沥青技术指标分别见表1、表2。

表1 SDYK技术指标Table 1 Technological index of SDYK

表2 温拌胶粉改性沥青混合料的技术指标Table 2 Technical index of CR-WMA

选用的粗细集料均为玄武岩，矿粉为石灰岩(细度≤0.075)，采用AC-16级配，CR-WMA和CR-HMA配合比设计结果见表3。

表3 CR-WMA和CR-HMA的配合比设计结果Table 3 Mix design results of CR-WMA and CR-HMA

采用旋转压实仪分别成型CR-WMA和CR-HMA沥青混合料圆柱体试件，为消除试件两头压实不均匀产生的较大离散性，将试件两头去掉，剩余部分切割成半圆试件，其尺寸为直径D=100 mm、厚度B=40 mm。预切口位于试件底部中心，切口深度为5 mm，切口宽度为0.5 mm。将半圆试件表面用哑光漆制成均匀的散斑，以提高试件表面的灰度识别度，提高DIC技术采集图像的精度。

1.2 DIC基本原理

DIC作为一种全新的非接触式全场位移、应变测量方法，其基本原理为：利用CCD高速相机采集的物体变形前后的数字图像点(如P(x0,y0)和P′(x′0,y′0))来获取变形信息，进行相关性识别匹配，进而得到相应的位移应变信息，如图1所示，其中U为水平方向位移，V为竖直方向位移。

图1 变形前后计算区域变形示意图Fig.1 Deformation diagram of calculated region before and after deformation

(1)

式中：f(x,y)为P点灰度值;g(x′0,y′0)为P′点灰度值;M为变形场内各个数据点的坐标;fm、gm分别为参考图像与变形图像中窗口区域灰度值。

1.3 试验方法

盐冻试验方法：将成型的CR-WMA和CR-HMA半圆试件分别放入除冰盐溶液浓度为0%、4%、8%、12%(质量分数)溶液中进行真空饱水，其次将试件放到注入清水和相应盐溶液的试验盒中，使其没过试件，最后放入高低温交变箱中，其冰冻温度为-20 ℃，时间为8 h，融化温度为60 ℃，时间为16 h，并以此为一次冻融循环[13]。冻融循环次数为5次、10次、15次、20次，除冰盐主要成分为NaCl。

本研究采用万能试验机进行半圆试件三点弯曲重复加载试验，支撑距离2D=80 mm，加载波形为正弦波，加载频率为10 Hz，试验温度为20 ℃，加载模式为应力控制模式[14-15]。当沥青混合料试件彻底断裂时，该试验终止。在加载过程中同时采用DIC技术同步观测，图像采集频率为0.5 Hz，利用Vic计算软件将采集完成后图像进行数字化处理，从而得到半圆试件在受力过程中的位移和应变。

2 基于DIC技术试验结果分析

2.1 水平应变场分析

图2为重复荷载作用下的CR-WMA和CR-HMA预切口半圆试件开裂附近区域处的水平应变云图。由图2可知CR-WMA和CR-HMA半圆试件的水平应变场变化特征基本一致，在重复荷载作用初期，半圆试件开裂附近区域的水平应变值较小，在预切口处产生水平应变较大的深色区域，这是因为沥青混合料试件切口薄弱处和试件内部缺陷处产生应力集中导致。在荷载作用下，沥青混合料首先会在内部微裂缝尖端等薄弱处产生应力集中，说明此时试件内部产生微裂缝，将其称为微裂缝形成阶段。随着重复荷载作用次数增多，半圆试件开裂附近区域水平应变值增大，水平应变值较大区域扩大并向上移动，由裂缝尖端向周围呈辐射状减小，并形成呈带状样式的开裂过程区，说明试件产生裂缝并不断发展，将其称为微裂缝稳定扩展阶段。这是因为试件承受应力达到极限后迅速破坏，之后释放应力，并在下一个缺陷或薄弱处形成应力集中区域，如此循环交替所致。在重复荷载作用后期，水平应变值较大区域继续扩大上移，但试件开裂附近区域水平应变值下降，这是由于裂缝不断扩展，最终导致试件开裂破坏并失去荷载能力，此阶段称为宏观裂缝失稳扩展阶段。进一步分析发现，试件在受重复荷载作用的过程中，水平应变值较大区域的移动轨迹始终伴随着主裂缝的发展方向。综上所述，水平应变值较大的区域与试件裂缝的发展密切相关。

图2 CR-WMA和CR-HMA开裂附近区域水平应变特征云图Fig.2 Horizontal strain characteristic cloud images of CR-WMA and CR-HMA near crack

2.2 水平应变点分析

在长35 mm、宽40 mm的计算区域内(2.1节散斑水平应变云图)，每隔0.5 mm取一个计算点，应变场表面共约5 600个计算点。根据2.1节所述，水平应变数值较大的点能够在一定程度上反映沥青混合料的损伤开裂过程，因此本文选择计算区域内最大前5%、前10%、前15%、前50%应变点均值来预说明试件在重复荷载作用下的损伤开裂过程。以CR-WMA为例，CR-HMA呈现相似的应变点均值随荷载作用次数变化的规律，图3为未经盐冻循环的CR-WMA半圆试件前5%、前10%、前15%、前50%最大应变点均值随重复荷载作用次数的变化曲线。由图3可知，在重复加载过程中，前5%、前10%、前15%应变点均值随重复荷载作用次数的演化规律基本一致，可分为三个阶段:第一阶段为微裂缝形成阶段，水平应变(EXX)增长缓慢，持续时间比较短;第二个阶段为微裂缝稳定扩展阶段，EXX增长快速直至峰值，持续时间较长;第三阶段为宏观裂缝产生阶段，EXX在峰值后急剧下降。而前50%应变点均值的曲线变化平缓，特征不明显，无法反映出沥青混合料损伤开裂的三个阶段。为了能够更为准确地来描述沥青混合料的损伤开裂，尽可能选择应变数值较大且数量较多的点，因此本文选择最大前10%的应变点，以便用于后续研究。

图3 CR-WMA半圆试件前5%、前10%、前15%、前50%最大应变点均值随重复荷载作用次数的变化曲线Fig.3 Variation curves of mean value of the maximumstrain point of the first 5%, first 10%, first 15%,and first 50% of CR-WMA semicircular specimenswith the number of repeated load actions

进一步分析发现，随荷载循环次数的增加，试件研究区域内的应变均值逐渐增大，这表明在三点弯曲试验状态下，随荷载重复次数增加，沥青混合料产生损伤累积效应，最终开裂。图4为未经盐冻循环的CR-WMA随重复荷载作用次数的损伤变化曲线。由于微裂缝形成阶段和微裂缝稳定扩展阶段是抵抗荷载的主要阶段，因此利用最大前10%的应变点来定义损伤因子D，通过计算一、二阶段下的损伤累积密度DE(Ⅰ区和Ⅱ区面积之和)，定量分析重复荷载作用下，CR-WMA和CR-HMA半圆试件在不同盐溶液浓度中的性能表现。损伤累积密度DE值越大，说明混合料抗损伤开裂能力越强，损伤累积密度DE计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

图4 未经盐冻融循环的CR-WMA随重复荷载作用次数的损伤变化曲线Fig.4 Damage changing curves of CR-WMA withoutsalt water freeze-thaw with the numberof repeated loads

2.3 沥青混合料损伤开裂性能分析

图5为不同盐冻融循环条件下CR-WMA和CR-HMA的损伤累积密度DE值，其中以0%-5为例，代表经盐浓度0%、冻融循环5次后的CR-WMA和CR-HMA试样。由图5可知，在相同冻融次数下，水冻融循环的损伤累积密度DE值均大于盐冻融循环，说明两种沥青混合料的抗损伤开裂能力在水冻循环条件下较优。这是由于在盐冻融循环中，除了水在低温结冰时产生的膨胀力会对沥青混合料造成开裂以外，还有除冰盐因结晶而产生的膨胀力和盐的侵蚀作用，使沥青混合料内部结构原有的缺陷增大甚至新增缺陷，从而使水冻融循环的损伤累积密度DE值较大。在相同冻融循环次数下，随着盐溶液浓度由0%升到8%，CR-WMA和CR-HMA的损伤累积密度DE值逐渐减小，说明两种沥青混合料的抗损伤开裂性能和抗盐侵蚀性能下降；当盐浓度由8%升到12%，CR-WMA和CR-HMA的损伤累积密度DE值增大，说明两种沥青混合料的抗损伤开裂性能和抗盐侵蚀性能提高。这主要是因为盐冻融作用对沥青混合料的破坏是盐溶液的结冰膨胀引起的[16]。对于浓度为4%和8%的盐溶液，盐浓度对水结冰时产生的膨胀作用影响较小，而盐分结晶所产生的膨胀作用和盐溶液侵蚀作用随着盐浓度的增加而增强，进而导致盐冻融作用对沥青混合料的破坏力随着盐浓度的增加而增强。在较高盐浓度12%的盐冻融循环中，盐溶液浓度对冰点影响程度较盐分结晶膨胀和盐溶液侵蚀作用大，使溶液结冰所需温度降低，延缓了冻融破坏的速度，相当于减弱了水结冰膨胀作用[17]，综合作用结果最终导致损伤累积密度DE值增大。

图5 不同盐冻融循环条件下CR-WMA和CR-HMA的损伤累积密度DE值Fig.5 DE value of cumulative damage density of CR-WMA and CR-HMA under different salt freeze-thaw cycles

与CR-HMA相比，CR-WMA的损伤累积密度DE值较大，说明CR-WMA抗损伤开裂能力和抗盐侵蚀能力优于CR-HMA。盐溶液的侵蚀作用主要体现在Na+和Cl-有着更强的吸附能力，高于沥青对集料的吸附作用，且Cl-还会向沥青与集料的界面处扩散，导致沥青的脱落，综合作用下使沥青混合料抗损伤开裂性能下降，但由于SDYK型表面活性剂的添加，SDYK的亲水基作用在集料表面，亲油基作用在沥青表面，能够降低集料的表面能，减小液体沥青与固体集料之间的接触角，同时在拌和搅拌的作用下，一部分由亲水基联结的微小水分子会分散在沥青胶结料内部，在沥青混合料拌和过程中起润湿作用，降低沥青表面的张力，从而提高沥青对集料裹附的能力，形成更为紧密的整体结构。此外SDYK型表面活性剂会降低CR-WMA的拌和温度，通过对固液界面张力的改变，可在固体表面形成一定结构的吸附层，提高沥青在相对较低温度条件下对集料的裹覆能力[18-19]，并且由于拌和温度的下降，还降低了老化对沥青粘附力的影响，所以CR-WMA的抗损伤开裂能力和抗盐侵蚀能力高于CR-HMA。

3 基于SCB试验结果分析

由于沥青混合料存在蠕变应变能(DCSE)，当沥青混合料的损伤值超过DCSE时，将形成宏观裂缝，DCSE被视为微裂缝向宏观裂缝转化的起始点[20]，因此采用DCSE研究重复荷载作用下沥青混合料的抗损伤开裂特性，图6为DCSE计算示意图，其中Mr为回弹模量，以Mr为斜率，过峰值应力点做一条线段，与坐标轴交于一点，记为ε0。

图6 DSCE计算示意图Fig.6 Schematic diagram of DSCE calculation

蠕变耗散能密度DCSE计算公式如下：

(5)

(6)

DCSE=FE-EE

(7)

式中：E*为动态模量;σf为试件底部中心应力峰值;εf为试件底部中心应力峰值所对应的应变;FE为断裂能密度;EE弹性应变能。

以CR-WMA和CR-HMA在10次冻融循环条件下的DCSE值为例，5次、15次、20次冻融循环条件下CR-WMA和CR-HMA的DCSE值均呈现相似规律，图7为10次冻融循环下CR-WMA和CR-HMA的DCSE值及DCSE值衰减率。由图7(a)可知，在相同的冻融循环次数，随着盐溶液浓度由0%升至8%，CR-WMA和CR-HMA的DCSE值逐渐下降，说明CR-WMA和CR-HMA的抗损伤开裂性能和抗盐侵蚀性能逐渐下降；随着盐溶液浓度由8%升至12%，CR-WMA和CR-HMA的DCSE值增大，说明CR-WMA和CR-HMA抗损伤开裂性能和抗盐侵蚀性能提高。由图7可知，相同条件下，与CR-HMA相比，CR-WMA的DCSE值均较大，并且CR-WMA的DCSE值衰减率均小于CR-HMA的DCSE值衰减率，综合说明CR-WMA的抗损伤开裂性能和抗盐侵蚀性能要高于CR-HMA。

图7 10次冻融循环下CR-WMA和CR-HMA的DCSE值及DCSE值衰减率Fig.7 DCSE value and DCSE value attenuation rate of CR-WMA and CR-HMA under 10 freeze-thaw cycles

基于两种试验得到的结论，对其指标进行相关性分析。为保证试验条件的统一性，选取CR-WMA和CR-HMA在10次冻融循环条件下的DE值和DCSE值进行分析，如图8所示。由图8可知，两条拟合曲线的相关系数R2均在0.9以上，说明基于DIC技术得到的指标DE和基于SCB得到的指标DCSE具有很好的相关性。

图8 CR-WMA 和CR-HMA损伤开裂指标相关性分析Fig.8 Correlation analysis of CR-WMA and CR-HMAdamage and cracking indicators

通过上述分析发现，盐溶液浓度对CR-WMA和CR-HMA抗损伤开裂性能的影响，在不同评价方法下保持一致，一方面验证了结论的正确性，另一方面也说明了DIC技术评价沥青混合料抗损伤开裂特性具有较好的合理性。

4 结 论

(1)通过对试件水平应变云图和前5%、前10%、前15%、前50%最大应变点均值随重复荷载作用次数的变化分析，发现水平应变值较大的区域与CR-WMA和CR-HMA的损伤开裂发展密切相关；选择最大前10%应变点定义的损伤累积密度DE，用以研究CR-WMA和CR-HMA在不同盐溶液浓度中的抗损伤开裂性能是合理的。

(2)在相同的冻融循环次数下，无论何种盐溶液浓度(0%、4%、8%、12%)，CR-WMA试件的DE值和DCSE值均大于CR-HMA，说明CR-WMA的抗损伤开裂性能和抗盐侵蚀性能优于CR-HMA，表明添加SDYK型表面活性剂可提高沥青混合料抗损伤开裂和抗盐侵蚀能力。

(3)通过对损伤累积密度DE和蠕变应变能DCSE的相关性分析，发现DIC技术在评价沥青混合料抗损伤开裂特性方面具有较好的合理性。