沥青混凝土路面盐冻劣化机理及改善措施

张国超 吴刚 余颂

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050）

一、引言

沥青路面作为最受欢迎的路面结构，具有行车舒适性高、噪音低等优点，在我国公路建设中得到广泛应用。沥青混合料通常被认为是一种复杂的多孔材料，包括沥青、骨料、填料及大量孔隙。低温和水分会导致沥青路面冻融破坏，这对季节性冰冻地区的公路建设非常不利。

冻融循环严重影响路面性能，严重时会导致性能过早失效。基础设施面临的沥青混合料的破坏和抗冻融问题，是全世界公认的关键问题。近几十年来，人们对沥青混合料在冻融循环作用下的内部结构或性能损失开展了大量研究，但很少有研究从微观、中观和宏观三个层面综合考虑沥青混合料在冻融循环过程中的变形。此外，在冻融循环作用下，沥青混合料的微观孔隙结构不仅会发生变化，而且在冻融循环过程中，材料性能也会因水的作用而衰减。因此，在研究冻融循环对沥青混合料性能的影响时，必须考虑沥青和骨料之间的黏附性能。本文采用界面剪切试验来研究冻融循环对界面黏结参数的影响，结合扫描电子显微镜图像，利用CT扫描获得的三维图像和三维孔隙参数解释了沥青混合料在冻融循环过程中的间接抗拉强度损失，实现了沥青混合料在冻融循环过程中的多尺度损伤表征，以及不同尺度之间的关系。最后，系统地评价了冻融循环对沥青混合料的影响及冻融循环的破坏机理，提出了改善不同类型沥青混合料抗冻融性能的有效方法，并通过冻融破坏过程进行了验证，可为季节性冰冻地区沥青混合料的设计和养护提供参考。

二、盐蚀环境下沥青结合料的间接拉伸强度的变化

本文根据AASHTO T322提供的间接拉伸试验方法，评估了沥青混合料在冻融循环期间的拉伸强度演变。间接抗拉强度和冻融劈裂强度比的计算方法如公式1和公式2所示。

其中，RT表示抗拉强度；P表示试验荷载峰值；h表示试样厚度；RT0表示未冻融试样的抗拉强度；RTn表示n次冻融循环后的抗拉强度；TSR表示劈裂强度比。

在冻融循环过程中，试样的损伤不仅表现为内部孔隙结构的变化，还表现为沥青与石头之间黏附力的明显变化。在每个冻融条件下通过3次平行试验获得的界面剪切强度平均值为最终结果；由此，定量研究了沥青与石料在冻融循环过程中黏附特性的变化规律。

图1（a）显示了抗剪强度和滑移位移随冻融循环次数的变化规律，从图中可以看出，在冻融循环的初始阶段，剪切力峰值显著降低。随着冻融循环次数的进一步增加，峰值剪切力缓慢下降。板间界面的抗剪强度随冻融循环次数的增加而降低，但板条的相对滑移量不断增加。产生这一结果主要原因有两点：一方面是水在冻融循环期间对沥青具有一定的软化作用；另一方面是水进入沥青和板岩之间的间隙，减少沥青和板岩之间的接触面积，导致界面剪切强度降低，相对滑移增大如图1（b）所示。此外，由图1可以证明，界面的黏结强度在初始阶段迅速降低，并且随着冻融循环的次数增加，界面黏结强度的振幅会随之下降。结果与CT扫描得到的间隙参数变化规律一致。

图1 冻融循环作用下的界面剪切试验结果

如图2所示，沥青混合料的抗拉强度和劈裂强度比随着冻融循环次数的增加而降低，在冻融循环初期迅速下降，随着冻融循环次数的增加，与原始冻融阶段相比，IDT强度的衰减率显著降低。沥青混合料的抗拉强度损失是由于在冻融循环期间沥青混合料渗水，而由冻结引起的水体膨胀导致混合料试样中的水压升高。扫描电镜和CT扫描试验发现，内部结构在冻融循环过程中受到水压破坏，这种损伤主要是由新孔隙，以及冻融早期骨料和沥青界面分离引起的。在IDT试验期间，由其产生的微裂纹将产生集中应力。此外，界面剪切试验表明，界面黏结强度在冻融初期显著降低，因此，此时IDT强度显著降低。随着冻融循环的持续，通过CT扫描和图像处理获得的三维孔隙参数的变化，沥青混合料中孔隙的生成和连通性趋于动态平衡，内部结构趋于稳定。同时，膨胀连通的孔隙对冰的冻胀力有一定的消散作用，此时内部结构对冰强度的弱化作用减弱。这主要是由于沥青在解冻阶段被水软化，骨料和沥青之间的黏结强度降低。因此，IDT强度的降低在此时下降，并随着冻融循环次数的增加逐渐趋于稳定。以上结果表明，沥青混合料的水损害是沥青混合料内部结构损伤和材料性能综合作用的结果。内部结构破坏是沥青混合料在初始冻融循环作用下力学性能破坏的主要原因，本文研究的沥青与集料界面黏结参数的影响贯穿于冻融循环过程。随着冻融循环次数的增加，集料与沥青将完全分离，这是沥青路面疏松的根本原因。

图2 多次冻融循环下沥青混合料抗拉强度和强度比的变化图

三、X射线的CT检测技术

本文采用X射线CT技术检测沥青混合料的内部结构，然后将捕获的图像实施数字图像处理，以提高图像质量，执行边缘检测、滤波噪声，并通过MATLAB提取捕获图像中的研究对象。最后是三维孔隙表示参数的提取，提取的主要参数包括3D孔隙含量、孔隙数量和孔隙等效直径。

通过比较不同冻融循环过程中沥青混合料样品的三维图像，可以观察到内部结构的两个主要变化，一是在冻融循环期间产生了新的红色区域，如图3中矩形标记所示，二是出现了以椭圆为标志的区域，共分为两部分，实心椭圆表示冻融循环期间孔隙体积增加，而凹陷椭圆与现有孔隙之间的连接有关。这些变化说明冻融循环可通过三种方式破坏沥青混合料的内部结构，即冻融循环下：沥青混合料渗水后体积增加了孔隙的体积；沥青和骨料的线性收缩系数不同，导致沥青混合料中出现新孔隙或界面微裂缝，如扫描样品表面所示；新孔隙的产生和孔隙体积的增加可能导致原始孔隙的连接扩大。

图3 冻融循环前后沥青混合料的三维重建

如图4（a）和（b）所示，在5次冻融循环作用下，混凝土的孔隙率和孔隙数显著增加，而等效孔隙直径减小；结果表明，新孔隙的产生是冻融循环开始时孔隙含量变化的主要原因。随着冻融循环次数增加，沥青混合料试件的孔隙率也会随之不断增加，但在10次冻融循环中，孔隙率显著降低，表明在该冻融循环阶段，孔隙是连通的。此外，孔隙数在后期趋于稳定，这意味着在后期冻融循环中孔隙的生成和连通性趋于动态平衡。等效孔隙直径是上述两个参数综合作用的结果。因此，在5次～10次冻融循环中，由于空气孔隙数突然减少，孔隙的等效直径将会呈现显著增加趋势。三维参数的变化表明，在最初的5次冻融循环中，沥青混合料的损伤主要是新的孔隙或裂缝，当冻融循环次数达到10次时，孔隙体积增长和产生的新孔隙增强了孔隙的连通性，这与扫描电镜下5次冻融循环作用下，沥青与集料界面仅出现微裂纹的结果一致，而10次循环后出现明显分离，随着冻融循环次数的增加，新产生的空间和空间连接趋于动态平衡，损伤趋于稳定。

图4 冻融循环前后沥青混合料的三维参数变化

四、盐湿环境下沥青混合料的改性技术

本文选用AMR和TJ-066抗剥落剂、玄武岩纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维和熟石灰，共6种添加剂。将掺入不同添加剂的试样在10%氯化钠溶液中进行12次干湿循环处理，以模拟盐和湿度环境下的腐蚀。通过劈裂试验，分析了不同外加剂对高盐高湿环境下沥青混合料水稳定性和力学性能的改善作用。

掺有各种添加剂的沥青混合料的劈裂强度如图5所示。图5显示，添加抗剥落剂、纤维和熟石灰后，混合料的劈裂强度都呈现不同程度的增加趋势，表明掺入添加剂可以改善沥青混合料在盐湿环境中的力学性能。掺加不同添加剂的沥青混合料的劈裂强度排序为玄武岩纤维＞聚丙烯腈纤维＞熟石灰＞聚酯纤维＞AMR＞TJ-066。玄武岩纤维改善沥青混合料力学性能的效果最好，增幅达61.55%。TJ-066抗剥落剂在不同添加剂中的改善效果最差，增幅仅为13%。掺加玄武岩纤维的沥青混合料能较好地抵抗盐湿环境的腐蚀。因此，建议使用玄武岩纤维改善沥青混合料在盐湿环境中的力学性能。一些学者也建议使用玄武岩纤维改善沥青混合料的力学性能，从而提高沥青混合料的抗盐蚀能力。

图5 混合不同添加剂的混合物的劈裂强度

产生上述现象的主要原因是各种添加剂对沥青混合料的改善机理不同，导致沥青混合料劈裂强度提高幅度不同。AMR和TJ-066的抗剥离剂属于表面活性剂。反剥离剂中含有的活性基因将改善沥青的极性，并降低表面张力。沥青和骨料之间的物理和化学吸附将得到增强，两者之间的黏附性也得到改善。熟石灰属于碱性材料，能活化集料表面，提高沥青与集料的黏结力。由于比表面积较大，熟石灰在游离沥青上的吸附作用较强。消石灰的耐久性优于抗剥落剂，改善效果更好。加入5种纤维后，混合料的最佳沥青含量增加。集料表面的结构沥青膜由于5种纤维的吸附而变厚，从而改善了沥青与集料之间的界面状况。此外，均匀分散的纤维在混合物中起到了桥梁作用，在传递和分散车辆荷载方面表现出良好的效果。此外，纤维可以抵消氯化物结晶产生的部分应力，从而提高沥青混合料的劈裂强度。在高温潮湿环境下，纤维对沥青混合料劈裂强度的提高效果优于熟石灰，较高的抗拉强度和碱性表面特性可以大大提高沥青混合料的劈裂强度。玄武岩纤维对沥青混合料劈裂强度的提高幅度最大。

根据不同添加剂对沥青混合料在咸湿环境中的水稳定性和力学性能的影响，推荐使用玄武岩纤维改善高盐高湿地区沥青混合料的性能。

五、结语

在宏观维度上，通过间接抗拉强度和抗拉强度比评价沥青混合料冻融损伤性能。从微观和细观试验结果可以看出，在冻融初期，沥青混合料间接抗拉强度的快速损失与沥青混合料中出现新的微裂纹和应力集中密切相关。后期强度的降低主要是由于冻融循环期间沥青和骨料之间界面的黏附特性持续降低，以及新孔隙产生的应力集中效应逐渐减弱，因此，变化在当时趋于稳定。

通过分析沥青混合料三维孔隙含量、孔隙数量和等效孔隙直径发现，最初5次冻融循环对沥青混合料造成的损伤主要是产生新的孔隙或裂缝。当冻融循环次数增加到10次时，连通孔隙的比例增加，因此孔隙的数量保持稳定。

增加添加剂后，沥青混合料在盐湿环境中的冻融劈裂强度比均有不同程度的提高。各种添加剂可以增加沥青混合料的破坏次数，延缓出现剥离问题，降低剥离率和车辙深度。掺加各种添加剂的沥青混合料的劈裂强度排序为玄武岩纤维＞聚丙烯腈纤维＞水化石灰＞聚酯纤维＞AMR＞TJ-066。根据不同添加剂对高盐高湿环境下沥青混合料水稳定性和力学性能的影响，推荐使用玄武岩纤维改善高盐高湿地区沥青混合料的性能。