真空饱水衡量水对沥青混合料高温稳定性的影响

2022-08-03李秀君赵麟昊欧阳欢刘立伟王宁宁

建筑材料学报 2022年6期

李秀君，赵麟昊，欧阳欢，刘立伟，王宁宁

（1.上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093；2.嘉兴市秀洲区区公路与运输管理服务中心，浙江嘉兴 314000）

永久变形是高温多雨地区沥青路面的主要病害，占所有病害类型的比例常达80%以上［1‑2］.广泛应用的SBS 改性沥青混合料动稳定度可达规范限值的2 倍，而在高温多雨地区的应用中其仍会出现较为严重的车辙病害［3］.究其原因，水在沥青膜中的扩散作用会削弱沥青混合料的高温稳定性.

为定量分析水对沥青混合料高温稳定性的影响，本文通过真空饱水试验，深入探究沥青混合料内黏聚力、内摩擦角和动稳定度随饱水率的变化规律，并对多功能改性沥青混合料（MFMA）、SBS 改性沥青混合料（SBSMA）和基质沥青混合料（MA）进行对比研究.

1 试验

1.1 原材料

基质沥青为中国石化70#沥青，其技术指标见表1.

表1 基质沥青的技术指标Table 1 Technical specifications of basic asphalt

矿料来源于浙江省某公路大修工程，确定沥青混合料的最佳油石比为4.3%（质量分数，文中涉及的掺量、比值等除特殊说明外均为质量分数或质量比），级配为AC‑13 密级配.SBS 改性剂为线形结构［4‑6］，且为提高沥青混合料高温稳定性，同时兼顾经济性，SBS 改性沥青混合料中SBS 掺量为4.5%.结合前期试验结果［7］，为达到最佳路用性能，多功能改性剂掺量为混合料质量的0.3%，其双组分调配质量比为2∶1.

1.2 试验方法

为定量分析水对沥青混合料高温稳定性的影响，对沥青混合料进行真空饱水试验，确定混合料在不同时间t下的饱水率wF［8］.参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，将不同饱水率试件放入60 ℃水箱中养护48 h，以模拟高温多雨地区的水和温度耦合作用（简称水温耦合作用），随后进行劈裂试验、单轴贯入试验、车辙试验，测试沥青混合料的内黏聚力c、内摩擦角φ及不同饱水率下的动稳定度DS.采用韧悦显微镜将3 种混合料表面放大500 倍，表征了混合料的表面状态.

2 结果与讨论

2.1 沥青混合料真空饱水试验结果分析

对沥青混合料试件进行真空饱水试验，得到MA、SBSMA、MFMA 的孔隙率（体积分数）分别为4.4%、4.5%、1.9%；其不同时间t下的饱水率见图1.由图1 可见，对MFMA：在吸水的前30 s，试件饱水率达到20%，试件表面空隙迅速被水分占据，饱水率迅速增大；30~120 s 时，饱水率增长到50%，该过程中水分逐步填充试件内部开口孔隙，试件饱水率出现一定程度的线性增长；120 s 后，试件的孔隙基本全部被水占据，试件内部深处部分开口孔隙进水，饱水率增长开始放缓；180 s 时，水分在试件中的饱水率达61%左右.

图1 沥青混合料不同时间t 下的饱水率Fig.1 wF of asphalt mixtures at different t

由图1 还可见：SBSMA 和MA 在180 s时的饱水率均达到在78%左右，高于MFMA 的饱水率.这是由于MFMA 的孔隙率远低于SBSMA 和MA，导致其进水量较少.多功能改性剂通过促使沥青分子链发生位移，形成网状结构，具有高温降黏的作用，即在温度超过140 ℃时，多功能改性剂使沥青黏度降低，因此在相同条件下，与SBSMA 和MA 相比，MFMA 有更低的孔隙率，水分不易进入.

2.2 沥青混合料的内黏聚力、内摩擦角

沥青混合料的抗剪强度可由莫尔‑库伦理论来表示［9］.为简化计算，采用无侧限单轴贯入试验、劈裂试验替代三轴试验.通过单轴贯入强度σu和劈裂强度σt为直径绘制莫尔圆，由公切线斜率、截距分别确定内摩擦角φ、内黏聚力c［10］，结果见图2.

由图2 可见：MA、SBSMA 内黏聚力c拟合公式的指数位为负数，即与饱水率呈负相关；SBSMA 内黏聚力下降幅度最大，其常数位为3 种混合料中最高；MA 内黏聚力c的下降幅度仅次于SBSMA，其常数位远低于SBSMA；SBSMA 的内黏聚力受饱水率影响较大，但仍保有较高的内黏聚力；MA、SBSMA的内摩擦角φ拟合公式的指数位为负数，与饱水率呈负相关；与SBSMA 内摩擦角φ的变化相比，MA 内摩擦角的下降幅度最大，其常数位为3 种混合料中最高；SBSMA 内摩擦角的降幅远小于MA，且二者常数位相差不大；SBSMA 内摩擦角优于MA；MFMA的内黏聚力和内摩擦角方程指数位均拟合为0，内黏聚力和内摩擦角保持为常数，不受饱水率影响.综上，水对MA 内黏聚力、内摩擦角的影响程度最大，其次为SBSMA，而MFMA 基本不受影响.

图2 沥青混合料的内黏聚力和内摩擦角Fig.2 c and φ of asphalt mixtures

沥青混合料表面的显微镜照片见图3.由图3可见：MFMA 表面的沥青胶浆分布均匀，没有出现胶浆的聚集，其自由沥青胶浆含量较少，结构沥青含量较多；MA、SBSMA 表面出现较多沥青胶浆裹覆不匀的情况，部分集料没有被胶浆充分裹覆，出现胶浆聚集.MA、SBSMA 中，自由沥青胶浆含量高于MFMA，结构沥青胶浆含量低于MFMA.SBS改性剂两端的聚苯乙烯在沥青中形成网架结构，增大了沥青的内黏聚力，同时加强了沥青-集料界面的内摩擦角.因此，SBSMA 的内黏聚力和内摩擦角仅次于MFMA，MA 的内黏聚力和内摩擦角最小.

图3 沥青混合料表面的显微镜照片Fig.3 Microscope photos of asphalt mixture surface（500×）

水对沥青混合料内黏聚力和内摩擦角的影响机理见图4.由图4 可见，这一过程分为形成扩散通道和水分子在沥青膜中扩散2 个阶段，且前一阶段速率较慢［11‑12］.当水膜包裹沥青混合料时，水分子会与沥青中的极性分子（基团）通过取向力发生作用；水分子与沥青中非极性组分可通过诱导力进行作用并形成微活化中心，还可与沥青中电负性大的O、N 杂原子形成氢键.在这3 种分子力作用下，微活化中心会形成水分渗入沥青膜的毛细管道，造成沥青膜的“乳化”，进而导致沥青胶浆的内黏聚力降低［13］.当“乳化”发展加剧，毛细管道到达沥青-集料界面时，水分子会沿着沥青-集料界面横向扩散，形成沥青-水-集料三相界面，从而降低了沥青混合料的内摩擦角.

图4 水对沥青混合料内黏聚力和内摩擦角的的影响机理Fig.4 Influence mechanism of water on c and φ of asphalt mixture

结合图2~4 可以看出：多功能改性沥青胶浆包裹均匀，没有出现集料裸露，大部分为黏结较紧密的结构沥青，而极性分子在集料表面取向，在分子作用力与极性吸附作用下增强沥青胶浆与集料的吸附，且多功能改性剂中超支化聚合物可以氧化轻质组分，在混合料表面形成致密、高硬度的氧化层，因此水分子对MFMA 影响的第1 阶段开展极为缓慢；多功能改性剂在高温拌和时黏性较低，使MFMA 最为密实，进水量最少，受到水温耦合作用影响最小；多功能改性剂在中温60 ℃时具有增黏的作用，所以MFMA 内黏聚力和内摩擦角的下降幅度极为有限，几乎不受影响；SBSMA 的施工和易性要差于MA，其拌和温度较MA 高10 ℃，因此在相同拌和温度与击实功下，SBSMA 均匀性最差，导致其内黏聚力和内摩擦角先于MA 下降，而在其集料裸露、沥青膜较薄弱部分被水分子浸润后，胶浆包裹严密部分的抗水损效果较好，其内黏聚力和内摩擦角的下降速率迅速得到控制，而MA则出现持续下降.

2.3 车辙试验结果分析

通过车辙试验，得到不同饱水率试件的动稳定度（DS），结果见图5.由图5 可见：随着试件饱水率的增大，MA 的DS 下降了41.86%；SBSMA 的DS 下降了31.70%；MFMA 的DS 下降不明显，总体仅下降了3.63%.由于水在沥青膜中的扩散削弱了沥青胶浆的内黏聚力和内摩擦角，且基质沥青、SBS 改性沥青胶浆出现聚集，对集料包裹不均匀，使水更容易扩散到集料表面，使沥青混合料内黏聚力和内摩擦角的削弱加剧，因此其动稳定度下降幅度较大.多功能改性沥青对集料包裹均匀，且内黏聚力和内摩擦角基本不受水的影响，因此其动稳定度仍保持较高水平.

图5 不同饱水率试件的动稳定度Fig.5 DS of specimens with different wF

2.4 动稳定度与内黏聚力、内摩擦角的关系

为验证参数的相关性及显著性［14］，对沥青混合料的动稳定度、内黏聚力和内摩擦角进行曲面拟合，结果见图6.由图6 可见：随着内黏聚力和内摩擦角的降低，沥青混合料受到的水温耦合作用逐渐增强，其动稳定度随内黏聚力和和内摩擦角的降低而降低；MA 的动稳定度受内黏聚力变化的影响大于内摩擦角的影响；SBSMA 的动稳定度较MA 提高了近5倍，其动稳定度受内黏聚力变化的影响程度远大于内摩擦角的影响；MFMA 的动稳定度基本不受水温耦合作用的影响，近似保持平面.综上，为保证沥青混合料在高温多雨条件下的路用性能，可以通过提高其内黏聚力和内摩擦角来实现.沥青混合料在采用相同级配时，其动稳定度受内黏聚力的影响明显大于内摩擦角的影响，因此在提高沥青混合料高温稳定性时，可优先考虑增大并保持混合料的内黏聚力.

图6 沥青混合料的动稳定度、内摩擦力和内摩擦角的拟合曲面图Fig.6 Fitting surface diagram of DS，c，φ of asphalt mixtures

各参数的相关性R及显著性p结果见表2，表中FS为试件的抗剪强度.由表2 可见：沥青混合料内黏聚力和内摩擦角与动稳定度指标具有显著的相关性，动稳定度受内黏聚力和内摩擦角影响较大；MA与SBSMA 的动稳定度与其他变量的相关性排序为抗剪强度>内黏聚力>内摩擦角，其相关性R均在0.9 以上；基质沥青混合料的动稳定度与抗剪强度、内黏聚力的显著性p均在0.01 以下，表现为极显著，动稳定度与内摩擦角的显著性p在0.05 以下，表现为显著；SBSMA 的显著性较MA 更强，其抗剪强度、内黏聚力与内摩擦角的显著性p远小于0.01，表现为极显著；MFMA 的动稳定度与其他变量的相关性排序为内摩擦角>抗剪强度>内黏聚力，相关性较MA 与SBSMA 降低明显，显著性p在0.05 以下，表现为显著.

表2 各参数的相关性及显著性Table 2 R and p of different parameters

为简化方差计算，将沥青混合料在不同饱水率下动稳定度与干燥条件下的动稳定度之比定义为干湿动稳定度比.以干湿动稳定度比作为响应变量，以饱水率和混合料类型作为影响因素X1、X2，预设显著性p=0.05，对试验结果进行二维方差分析，结果见表3，表中Df为自由度，F为X1、X2均方值的比值.由表3 可见：饱水率的p<0.01，表明饱水率对混合料干湿动稳定度比影响为极显著，水对沥青混合料高温稳定性有极大影响，在进行沥青混合料高温稳定性设计时需考虑水的存在；不同类型混合料的p<0.01，表明不同类型混合料对干湿动稳定度比影响为极显著，验证了前文抗水温耦合作用MFMA>SBSMA>MA的排序.