鹽凍循環(huán)條件下膠粉改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能

馮 蕾，崔亞楠，李 超

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學 土木工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

北方地區(qū)冬季氣溫低，降雪頻繁，道路路面易產(chǎn)生積雪與結冰，行車安全受到極大影響.為了避免交通擁堵并確保車輛行駛的安全性，常采用撒布融雪鹽來融雪除冰［1］.與機械除冰、電熱除冰相比，撒布融雪鹽除冰操作簡便、價格低廉，但是融雪鹽溶液容易滲入瀝青路面內(nèi)部，在氣溫交替變化下，會加劇路面結構的破壞.

現(xiàn)行規(guī)范［2］以標準馬歇爾試件經(jīng)歷1次凍融循環(huán)后的劈裂強度以及劈裂強度比來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.事實上，瀝青路面的設計使用年限一般為10～15a，而每年冬季路面材料都要隨著氣溫的變化經(jīng)歷數(shù)個凍融循環(huán)過程，所以現(xiàn)行規(guī)范［2］不能全面評價路面材料抵抗凍融循環(huán)破壞的能力.為了對現(xiàn)行規(guī)范［2］進行改進，不少學者在其基礎上做了一定的研究，例如王抒音等［3］在凍融劈裂試驗中增加了凍融循環(huán)次數(shù)，以凍融循環(huán)劈裂強度比評價瀝青混合料抗水損害能力；李東慶等［4］研究了瀝青混合料劈裂強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況，結果表明在最初的凍融循環(huán)中，瀝青混合料的劈裂強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而明顯減小，當達到7次凍融循環(huán)之后，瀝青混合料的劈裂強度趨于穩(wěn)定.但是目前很少有涉及融雪鹽條件下瀝青混合料抗凍融循環(huán)破壞性能的研究.

本文采用膠粉改性瀝青混合料標準馬歇爾試件進行融雪鹽條件下的凍融循環(huán)試驗，分析冰凍溫度、融雪鹽濃度（質量分數(shù)）、凍融循環(huán)次數(shù)對膠粉改性瀝青混合料空隙率、劈裂強度和馬歇爾模數(shù)的影響，同時對融雪鹽條件下凍融循環(huán)后混合料的微觀形貌進行觀察，探討融雪鹽條件下凍融循環(huán)后混合料水穩(wěn)定性能劣化的機理.

1 試驗

1.1 試驗材料

采用標準馬歇爾試件進行凍融循環(huán)試驗.按JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中AC－13C型中值級配進行膠粉改性瀝青混合料配合比設計，其中粗、細集料都采用玄武巖，礦粉采用石灰?guī)r粉，膠結料采用膠粉改性瀝青，油石比（質量比）為5.7%，空隙率（體積分數(shù)）控制在5%.膠粉改性瀝青技術指標見表1，集料和礦粉技術指標見表2.

表1 膠粉改性瀝青技術指標Table 1 Technical index of rubber modified asphalt

表2 集料和礦粉的技術指標Table 2 Technical index of aggregate and mineral filler

1.2 凍融循環(huán)試驗設計

為合理規(guī)劃試驗次數(shù)并減少凍融循環(huán)試驗的工作量，本試驗采用的是正交試驗.為了更好地模擬實際的鹽凍環(huán)境，試驗考慮了3 個影響因素：冰凍溫度、融雪鹽濃度與凍融循環(huán)次數(shù)，每個影響因素取4個水平［5］.正交試驗的因素及水平見表3.

表3 正交試驗的因素及水平Table 3 Factors and levels of orthogonal test

凍融循環(huán)試驗參照GB／T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的混凝土快凍法及張洪剛［6］設計的瀝青混合料室內(nèi)凍融循環(huán)試驗進行.

將標準馬歇爾試件分別置于清水和一定濃度的融雪鹽溶液中浸泡100h，達到飽和度要求，然后裝入保鮮袋中，再向其中注入10mL 清水或對應的融雪鹽溶液，密封袋口.將密封后的標準馬歇爾試件放入低溫箱中，在設定溫度下持續(xù)冰凍3h，然后將試件取出放入清水或者融雪鹽溶液中，升溫至40℃融化2h，完成1次凍融循環(huán).按照以上步驟進行凍融循環(huán)試驗，直至達到所需的凍融循環(huán)次數(shù)為止.

1.3 性能測試及微觀形貌觀察

依照現(xiàn)行規(guī)范［2］測試凍融循環(huán)后膠粉改性瀝青混合料空隙率、劈裂強度以及馬歇爾模數(shù).

采用日本紫臺Hitachi S－3400NⅡ型掃描電子顯微鏡對在4%融雪鹽溶液中凍融循環(huán)15次后的膠粉改性瀝青混合料微觀形貌進行觀察.

2 試驗結果

根據(jù)正交試驗方法，按照不同因素和相應水平對瀝青混合料進行凍融循環(huán)試驗.正交試驗共分16組進行，每組進行6次平行試驗，取6次試驗的平均值作為該組試驗的結果.為對比各影響因素對試驗結果的影響，增加干燥條件下不做凍融循環(huán)處理的第17組試件作為比照試件.

凍融循環(huán)試驗完成后，測試試件空隙率、劈裂強度以及馬歇爾模數(shù)，結果見表4.由表4可見，經(jīng)過凍融循環(huán)后，所有試件的空隙率都有不同程度的增大.

表4 正交試驗結果Table 4 Results of orthogonal test

3 各影響因素對比分析

瀝青混合料空隙率的大小主宰著其透水程度，決定著水損害的形成及危害程度，影響著混合料的路用性能.瀝青混合料劈裂強度比可表征其長期水穩(wěn)定性.瀝青混合料馬歇爾模數(shù)可用來評價其抵抗水損害的能力.

為了進一步評價融雪鹽條件下凍融循環(huán)對膠粉改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，根據(jù)表4試驗結果，采用極差分析的方法，就冰凍溫度、融雪鹽濃度、凍融循環(huán)次數(shù)對膠粉改性瀝青混合料空隙率、劈裂強度、馬歇爾模數(shù)的影響加以分析.

3.1 空隙率

不同試驗條件下膠粉改性瀝青混合料空隙率的變化見圖1（a）～（c）.

由圖1（a）經(jīng)計算可以得出，－10，－20，－30，－40℃條件下膠粉改性瀝青混合料空隙率變化率分別為8.38%，8.23%，8.40%，9.51%，這表明在－20 ℃下冰凍后再融化，混合料空隙率的變化最小，隨著冰凍溫度的繼續(xù)下降，混合料空隙率的變化會增大.由圖1（b）可以看出，在4%融雪鹽溶液中發(fā)生凍融循環(huán)，混合料空隙率變化最大.由圖1（c）可以看出：隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混合料空隙率不斷增加；凍融循環(huán)次數(shù)為3次時，凍融循環(huán)前后混合料空隙率幾乎不變，當凍融循環(huán)次數(shù)達到15次時，凍融循環(huán)前后混合料空隙率變化很大，可見凍融循環(huán)次數(shù)越多，混合料中細集料剝落和流失的情況越嚴重.

3.2 劈裂強度

不同試驗條件下膠粉改性瀝青混合料劈裂強度比（以未凍融循環(huán)試件劈裂強度為基準）的變化見圖2（a）～（c）.

圖1 不同試驗條件下膠粉改性瀝青混合料空隙率的變化Fig.1 Changes of void ratio（by volume）of rubber modified asphalt mixture at different test conditions

圖2 不同試驗條件下膠粉改性瀝青混合料劈裂強度比的變化Fig.2 Changes of splitting strength ratio of rubber modified asphalt mixture at different test conditions

由圖2（a）可見，膠粉改性瀝青混合料在－30℃下凍結后再融化，劈裂強度下降最小.由圖2（b）可見，在4%融雪鹽溶液中發(fā)生凍融循環(huán)，膠粉改性瀝青混合料剩余劈裂強度最大，說明此濃度的融雪鹽溶液對混合料的劈裂強度影響最小；若融雪鹽濃度增加至6%，膠粉改性瀝青混合料劈裂強度下降幅度增大.由圖2（c）可見，膠粉改性瀝青混合料剩余劈裂強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小.

3.3 馬歇爾模數(shù)

不同試驗條件下膠粉改性瀝青混合料馬歇爾模數(shù)的變化見圖3（a）～（c）.

圖3 不同試驗條件下膠粉改性瀝青混合料馬歇爾模數(shù)的變化Fig.3 Changes of Marshall modulus of rubber modified asphalt mixture at different test conditions

由圖3（a）可見，膠粉改性瀝青混合料凍融循環(huán)后的馬歇爾模數(shù)均低于未經(jīng)凍融循環(huán)的馬歇爾模數(shù)（5.25kN·mm－1），表明膠粉改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性是比較差的.由圖3（b）可見，膠粉改性瀝青混合料的馬歇爾模數(shù)隨著融雪鹽濃度的增加先增加而后減小；在清水溶液條件下發(fā)生凍融循環(huán)，膠粉改性瀝青混合料馬歇爾模數(shù)比未凍融的降低36.7%；在4%融雪鹽溶液中發(fā)生凍融循環(huán)，膠粉改性瀝青混合料馬歇爾模數(shù)比未凍融的降低30.0%，說明在該融雪鹽濃度下，膠粉改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性變化反而相對要小.由圖3（c）可見，膠粉改性瀝青混合料馬歇爾模數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加基本呈下降的趨勢，當經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后，膠粉改性瀝青混合料馬歇爾模數(shù)比未凍融的降低25.7%.

綜合上述試驗結果，可知：

（1）在不同冰凍溫度下，膠粉改性瀝青混合料凍融循環(huán)后空隙率較未凍融循環(huán)的明顯增加.膠粉改性瀝青混合料劈裂強度比在－30℃時能保持在90%，而馬歇爾模數(shù)在－30℃時最低，這說明在經(jīng)歷冰凍后混合料劈裂強度不一定快速衰減，但其抵抗水損害的能力卻大大降低.

（2）4%融雪鹽溶液對膠粉改性瀝青混合料的劈裂強度以及抵抗水損害能力的影響相對較小，因此為寒冷地區(qū)冬季除冰時適宜的融雪鹽濃度.鹽溶液的存在會使混合料空隙率增加幅度大大上升，而在清水中凍融循環(huán)，混合料空隙率增加幅度相對較小，說明融雪鹽對混合料確實存在腐蝕作用，特別是使瀝青膠結料變硬，從而破壞瀝青和集料之間的黏結性.

（3）隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，膠粉改性瀝青混合料的空隙率增大，劈裂強度下降，馬歇爾模數(shù)基本呈下降趨勢，說明在高低溫度的交替變化下，作為溫度敏感性材料的瀝青混合料，瀝青和集料界面性能變差，微裂隙不斷擴展，水穩(wěn)定性能逐漸劣化.

4 劣化機理

4%融雪鹽溶液中凍融循環(huán)15次后膠粉改性瀝青混合料的微觀形貌如圖4所示.

由圖4可見，在4%融雪鹽溶液中凍融循環(huán)15次后，瀝青與集料界面處存在融雪鹽晶粒（白色晶狀物），而在混合料的空隙中也出現(xiàn)融雪鹽晶粒，這說明在凍融循環(huán)過程中，融雪鹽溶液滲入試件空隙中，并在凍融循環(huán)后形成鹽類晶粒，這些晶粒會刺破瀝青膜（破壞瀝青的黏結性），并生長在瀝青和集料的界面處.當環(huán)境溫度下降到一定值時，瀝青混合料空隙中的溶液溫度達到結冰點，冰晶開始生長、膨脹并產(chǎn)生應力，同時瀝青材料在低溫下會發(fā)生收縮而產(chǎn)生溫度應力，在膨脹應力和溫度應力的雙重作用下，應力集中的混合料空隙邊緣就產(chǎn)生了新的裂紋.當溫度升高時，冰晶消融，這又會在混合料內(nèi)產(chǎn)生較大內(nèi)應力，使其結構受損.多次凍融循環(huán)后，就造成細集料剝落、流失，混合料空隙率增大，水穩(wěn)定性降低.

圖4 4%融雪鹽溶液中凍融循環(huán)15次后膠粉改性瀝青混合料的微觀形貌Fig.4 Microstructure of rubber modified asphalt mixture after 15freeze－thaw cycles in 4%deicing salt concentration

5 結論

（1）冰凍溫度、融雪鹽濃度和凍融循環(huán)次數(shù)都會對膠粉改性瀝青混合料的空隙率、劈裂強度和馬歇爾模數(shù)產(chǎn)生較大的影響.

（2）融雪鹽晶粒對瀝青黏結性的破壞以及冰晶在混合料內(nèi)部的膨脹和消融是造成混合料水穩(wěn)定性能下降的關鍵原因.

［1］王小光，章亞東.融雪劑的研究進展及發(fā)展方向［J］.無機鹽工業(yè)，2007，39（3）：8－10.WANG Xiaoguang，ZHANG Yadong.The research progress and development direction of snow－melting agent［J］.Inorganic Chemicals Industry，2007，39（3）：8－10.（in Chinese）

［2］JTJ E20—2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］.JTJ E20—2011 The highway engineering asphalt and asphalt testing procedures［S］.（in Chinese）

［3］王抒音，譚憶秋.用凍融循環(huán)劈裂比評價瀝青混合料抗水損害能力［J］.哈爾濱建筑大學學報，2002，35（5）：123－126.WANG Shuyin，TAN Yiqiu.The evaluation of asphalt mixture resistance to water damage by freeze－thaw cycle split ratio［J］.Journal of Harbin University of Civil Engineering and Architecture，2002，35（5）：123－126.（in Chinese）

［4］李東慶，孟慶洲，房建宏，等.瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能的試驗研究［J］.公路，2007（12）：145－147.LI Dongqing，MENG Qingzhou，F(xiàn)ANG Jianhong，et al.Experimental study of asphalt freeze－thaw cycling performance［J］.Highway，2007（12）：145－147.（in Chinese）

［5］陳魁.試驗設計與分析［M］.2 版.北京：清華大學出版社，2005：72－136.CHEN Kui.Experiment design and analysis［M］.2nd ed.Beijing：Tsinghua University Press，2005：72－136.（in Chinese）

［6］張洪剛.水－溫凍融條件下瀝青路面病害特征及發(fā)展機理［D］.長沙：長沙理工大學，2010.ZHANG Honggang.Asphalt pavement characteristics and development mechanism under water－warm thaw condition［D］.Changsha：Changsha University of Science ＆ Technology，2010.（in Chinese）