酸性环境对沥青材料抗疲劳性能的影响研究

汪 亮 柯友权 吴 勇 王 军 刘子阳

(1.湖北长江路桥有限公司 武汉 430077; 2.华中科技大学土木与水利工程学院 武汉 430074)

我国的酸雨主要是硫酸雨,少量为硝酸雨[1]。酸雨对沥青路面造成侵蚀,降低其性能,影响行车安全。因此,如何抵御酸雨对沥青路面的损害受到道路工程界广泛关注[2-3]。

针对酸雨对沥青路面性能的影响,国内学者已进行了一定研究。袁仁峰等[4]研究酸雨气候对沥青混合料路用性能的影响规律,发现随着侵蚀时间的增长,沥青混合料各项性能大幅下降。冯新军等[5]将由3种集料(石灰岩、玄武岩、花岗岩)制备的沥青混合料在不同pH值的酸溶液中进行浸泡处理,发现沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性均出现明显下降。张倩等[6]研究了酸雨对沥青混合料破坏的化学反应机理,发现酸雨中的酸性物质与沥青混合料中的酸性或碱性矿料均会发生反应生成可溶于水的盐类,从而降低沥青混合料的抗水损害性能。马万等[7]模拟研究了酸雨对新型直投式干法橡胶沥青混合料和SBS沥青混合料的影响,发现直投式干法橡胶沥青混合料含有的橡胶颗粒能够与酸雨中酸性成分反应以减轻其对混合料性能的不利影响。朱俊材等[8]对环氧沥青混合料、SBS改性沥青混合料和70号基质沥青混合料的耐酸雨侵蚀性能进行研究,结果表明环氧沥青混合料耐酸雨侵蚀能力最优,其空间网络结构增强了混合料的力学性能、抗渗性能和耐酸雨侵蚀能力。目前研究主要集中于沥青混合料的性能评价,对沥青材料的影响研究较少。本文以沥青材料为主体研究对象,考察酸雨对其抗疲劳性能的影响,并分析沥青材料疲劳寿命的影响因素。

1 试验方案设计

1.1 试验材料

为探究沥青在酸雨环境下的疲劳性能变化规律,试验所用沥青材料为70号基质沥青与SBS(I-D)改性沥青,2种材料均为道路行业常用沥青,其性能指标试验结果见表1[9-10]。

表1 沥青性能指标测试结果

1.2 试验仪器与试验方法

试验采用动态剪切流变仪(DSR)对所选的沥青进行温度频率扫描试验与线性振幅扫描试验(LAS),以获取不同溶液浸泡时间下的沥青的疲劳性能数据,进而对2种沥青的抗疲劳性能进行评价分析。

1.3 酸性环境模拟

通过室内试验模拟酸性环境,研究不同沥青的抗疲劳性能。以国内酸雨情况为基础,采用稀释浓硫酸配置pH=3的酸性溶液,采用浸泡法处理沥青。同时设置pH=7的中性水环境作为对照组。使用pH测量计监测溶液pH值,保证在±0.3范围内,其配制过程示意见图1。

图1 试验配制pH=3的硫酸溶液

沥青试样浸泡处理方式为前2个周期浸泡6 d、自然风干1 d,每个周期7 d,共处理2个周期;第3个周期浸泡13 d,自然风干1 d,每个周期14 d,共处理1个周期。为真实模拟路面情况,选择自然风干试样,避免烘箱烘干引起沥青老化。经过第3个周期的13 d浸泡后风干模拟地区多雨、潮湿的条件,以及考虑到酸雨侵蚀后期沥青性能变化较慢的情况。使用动态剪切流变仪对2种沥青进行疲劳性能测试,DSR试样见图2。值得一提的是,该试验所需沥青试样较小(直径约8 mm、高度约2 mm),能被酸性溶液充分侵蚀,确保测试结果准确。

图2 DSR沥青试样

2 疲劳性能实验结果及分析

2.1 温度频率扫描试验结果及分析

采用应变控制方式进行温度频率扫描试验,应变设置为3%,试验温度区间为20～40 ℃,频率为10 Hz。通过温度频率扫描试验,获取沥青试样的动态剪切模量G*及相位角δ,进而获得疲劳因子G*·sinδ。疲劳因子是沥青抗疲劳性能的重要指标,其值越大,表明沥青的黏性比例越大,弹性能力越弱,恢复能力越弱,越容易发生疲劳开裂。本研究中70号沥青和SBS(I-D)改性沥青在硫酸溶液中浸泡不同天数下的疲劳因子试验结果见图3。

图3 不同浸泡时间、不同工况下的疲劳因子试验结果

根据试验结果,疲劳因子受温度影响较大,随温度升高而迅速下降。在相同浸泡时间下,中性水环境中的SBS改性沥青表现出最好的抗疲劳性能,其余3种工况的抗疲劳性能依次为:硫酸浸泡的SBS改性沥青>中性水浸泡的70号沥青>硫酸浸泡的70号沥青。为了进一步分析疲劳因子随浸泡时间变化的规律,提取了20 ℃下4种工况的疲劳因子计算结果,见图4。

图4 20 ℃时不同工况下疲劳因子变化

由图4可见:

1) 随着浸泡时间增加,不同浸泡环境下的沥青抗疲劳性能下降,硫酸环境下的下降速度更快。

2) SBS改性沥青在中性水环境和硫酸环境浸泡28 d后的疲劳因子变化曲线趋于平缓,而70号沥青的疲劳因子随浸泡周期延长而持续增加,且在28 d后仍未趋于稳定,这表明抗疲劳性能可能会继续下降。

3) 根据疲劳因子的变化规律,70号沥青在硫酸环境下的抗疲劳性能衰减速度快,而SBS改性沥青在硫酸环境下具有更好的抗疲劳性能。

2.2 线性振幅扫描试验结果及分析

本研究对不同浸泡时间下的沥青试样进行了线性振幅扫描(LAS)试验,试验温度为25 ℃,采用应变控制模式。试验包括2个阶段:第一阶段为频率扫描试验,测试频率为0.2～30 Hz,以获取沥青试样的动态剪切模量和相位角,计算双对数坐标下存储模量和角频率的斜率值m。第二阶段为线性振幅扫描试验,应变控制模式,频率为10 Hz,应变振幅范围为0.1%～30.0%。该阶段旨在获取沥青试样在不同应变下的应力、应变、模量和相位角数据。采用式(1)计算累计损伤D。

(1)

式中:C(t)=|G*(t)|/|G*|initial;|G*(t)|为时间t时刻的动态剪切模量,MPa;|G*|initial为初始时刻的动态剪切模量,MPa;γ为施加的应变大小。根据实验数据计算了不同浸泡时间下2种沥青在应变率为2.5%与5.0%时的疲劳寿命, LAS试验疲劳寿命计算结果见图5。

图5 不同浸泡时间、不同沥青疲劳寿命结果

通过LAS试验结果可知,5.0%应变下的疲劳寿命明显小于2.5%应变时的疲劳寿命,而不是随应变呈线性变化。在LAS试验中,疲劳寿命的表达式为:Nf=A(γ)-B,其中,Nf为疲劳寿命,γ为应变大小,A、B为模型参数。随应变增大,受到指数B的影响,疲劳寿命会迅速减小,与路面实际破坏情况相符。荷载增大时,路面性能迅速下降且更易出现疲劳破坏。

当浸泡时间相同,中性水环境下的SBS改性沥青疲劳寿命最高,其次为硫酸环境下的SBS改性沥青和中性水环境下的70号沥青,性能最差的是硫酸环境下的70号沥青。浸泡时间较短如7 d时,SBS改性沥青的抗疲劳性能优于70号沥青。浸泡时间增长,酸性环境对抗疲劳性能影响逐渐显著,沥青在硫酸环境下逐步丧失抗疲劳性能。

为了更直观地呈现疲劳寿命随浸泡时间的变化规律,以浸泡时间作为自变量,分别做出2.5%、5.0%应变下不同沥青的疲劳寿命变化图,见图6。

图6 不同应变下不同沥青疲劳寿命变化

从2种应变下4种不同沥青疲劳寿命变化图可得出如下规律。

1) 随着浸泡时间的增加,4种工况下的沥青疲劳寿命均有所下降,但在相同的环境下,SBS改性沥青疲劳性能优于70号沥青。

2) SBS改性沥青的疲劳寿命随着浸泡时间的增加,疲劳寿命趋于稳定,在2.5%应变下的趋势更为明显,较好地抵御了外部溶液的侵蚀。而70号沥青则未表现出相应的趋势。

3) 在5.0%应变下,浸泡7 d时,中性水环境下的SBS改性沥青的疲劳寿命与硫酸环境下较为接近,可能原因是在浸泡周期较短时,硫酸环境对SBS改性沥青疲劳寿命影响较小,因此在较大应变下具有较为接近的疲劳寿命。而随着浸泡时间的增加,酸溶液对沥青的侵蚀作用愈加明显,酸性环境下的沥青疲劳寿命逐渐低于中性水环境。70号沥青浸泡初期未出现此类现象,是因为70号沥青抵御酸腐蚀的能力较差,硫酸溶液的侵蚀作用对沥青抗疲劳性能的影响大于应变大小的影响。

2.3 疲劳性能影响因素分析

通过对试验数据的总结分析,可以发现影响沥青在硫酸环境下疲劳性能的因素是多方面的,既有内因,如沥青种类等,也有外因,如浸泡时间、浸泡溶液种类、温度、应变大小等,下面依次对不同因素进行分析。

2.3.1沥青种类

SBS改性沥青在硫酸环境下的抗疲劳性能显著高于70号沥青。

2.3.2浸泡时间

随着浸泡时间的增加,硫酸环境对沥青的侵蚀作用逐渐加强,导致疲劳寿命也随之下降,SBS改性沥青则在浸泡28 d时性能曲线趋于稳定,较好地抵御了硫酸溶液的侵蚀。

2.3.3温度

沥青具有较强的温度敏感性,温度对沥青疲劳性能的影响较大,随着温度的升高,沥青的抗疲劳性能下降,因此在进行沥青相关疲劳试验时应严格控制温度,避免因为温度波动而影响沥青疲劳性能的测定。

2.3.4应变大小

施加的应力大小对沥青疲劳寿命有影响,随着应力水平增大,疲劳寿命降低。疲劳寿命的变化不是线性的,而是受到指数的影响。在SBS改性沥青浸泡早期,硫酸环境和中性水环境下的疲劳寿命接近,这是因为溶液对SBS改性沥青的侵蚀作用不明显,此时应变大小对疲劳寿命的影响在浸泡早期占主导地位。因此,在疲劳试验中应避免选取较大的应变水平,以确保试验结果的准确性。

3 结语

通过硫酸溶液模拟酸雨环境,采用动态剪切流变仪对不同浸泡周期的70号基质沥青与SBS改性沥青进行温度疲劳扫描试验与LAS试验,测得其疲劳因子及疲劳寿命等数据,并分析相关因素对沥青抗疲劳性能的影响,结论如下。

1) 从疲劳因子数据可知,经硫酸溶液浸泡后的70号沥青疲劳因子显著增大,且随着浸泡时间的增加其疲劳因子增长幅度增大,SBS改性沥青具有较好的耐侵蚀效果,在中性水环境与硫酸环境下都具有较好的抗疲劳性能。

2) 通过线性振幅扫描试验获得了沥青试样在不同应变下的应力、动态剪切模量及相位角数据,结合S-VECD理论模型计算得到了2.5%及5.0%应变下的沥青疲劳寿命,经中性水或硫酸溶液浸泡后沥青疲劳寿命均发生下降,硫酸环境下对沥青的侵蚀较为严重。浸泡初期,70号沥青与SBS改性沥青疲劳寿命下降较小,随着浸泡时间的增加,70号沥青疲劳寿命下降明显,SBS改性沥青疲劳寿命下降缓慢。

3) 对影响沥青疲劳性能的不同因素进行了分析,除了浸泡溶液的种类、浸泡时间外,试验温度、应力大小等外部因素均对沥青的疲劳性能具有一定影响,通过对试验温度、应力大小这些参数进行严格控制,可以减小其对沥青抗疲劳性能评价结果的干扰,从而准确获取因酸性环境侵蚀对沥青抗疲劳性能产生的不利影响。

4) SBS改性沥青在硫酸环境下具有较好的抗疲劳性能,能够抵御酸性环境的侵蚀。因此,对于酸雨地区的路面设计,推荐使用SBS改性沥青。