瀝青混凝土路面鹽凍劣化機理及改善措施

張國超 吳剛 余頌

（中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050）

一、引言

瀝青路面作為最受歡迎的路面結(jié)構(gòu)，具有行車舒適性高、噪音低等優(yōu)點，在我國公路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。瀝青混合料通常被認(rèn)為是一種復(fù)雜的多孔材料，包括瀝青、骨料、填料及大量孔隙。低溫和水分會導(dǎo)致瀝青路面凍融破壞，這對季節(jié)性冰凍地區(qū)的公路建設(shè)非常不利。

凍融循環(huán)嚴(yán)重影響路面性能，嚴(yán)重時會導(dǎo)致性能過早失效?；A(chǔ)設(shè)施面臨的瀝青混合料的破壞和抗凍融問題，是全世界公認(rèn)的關(guān)鍵問題。近幾十年來，人們對瀝青混合料在凍融循環(huán)作用下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或性能損失開展了大量研究，但很少有研究從微觀、中觀和宏觀三個層面綜合考慮瀝青混合料在凍融循環(huán)過程中的變形。此外，在凍融循環(huán)作用下，瀝青混合料的微觀孔隙結(jié)構(gòu)不僅會發(fā)生變化，而且在凍融循環(huán)過程中，材料性能也會因水的作用而衰減。因此，在研究凍融循環(huán)對瀝青混合料性能的影響時，必須考慮瀝青和骨料之間的黏附性能。本文采用界面剪切試驗來研究凍融循環(huán)對界面黏結(jié)參數(shù)的影響，結(jié)合掃描電子顯微鏡圖像，利用CT掃描獲得的三維圖像和三維孔隙參數(shù)解釋了瀝青混合料在凍融循環(huán)過程中的間接抗拉強度損失，實現(xiàn)了瀝青混合料在凍融循環(huán)過程中的多尺度損傷表征，以及不同尺度之間的關(guān)系。最后，系統(tǒng)地評價了凍融循環(huán)對瀝青混合料的影響及凍融循環(huán)的破壞機理，提出了改善不同類型瀝青混合料抗凍融性能的有效方法，并通過凍融破壞過程進(jìn)行了驗證，可為季節(jié)性冰凍地區(qū)瀝青混合料的設(shè)計和養(yǎng)護(hù)提供參考。

二、鹽蝕環(huán)境下瀝青結(jié)合料的間接拉伸強度的變化

本文根據(jù)AASHTO T322提供的間接拉伸試驗方法，評估了瀝青混合料在凍融循環(huán)期間的拉伸強度演變。間接抗拉強度和凍融劈裂強度比的計算方法如公式1和公式2所示。

其中，RT表示抗拉強度；P表示試驗荷載峰值；h表示試樣厚度；RT0表示未凍融試樣的抗拉強度；RTn表示n次凍融循環(huán)后的抗拉強度；TSR表示劈裂強度比。

在凍融循環(huán)過程中，試樣的損傷不僅表現(xiàn)為內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化，還表現(xiàn)為瀝青與石頭之間黏附力的明顯變化。在每個凍融條件下通過3次平行試驗獲得的界面剪切強度平均值為最終結(jié)果；由此，定量研究了瀝青與石料在凍融循環(huán)過程中黏附特性的變化規(guī)律。

圖1（a）顯示了抗剪強度和滑移位移隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，從圖中可以看出，在凍融循環(huán)的初始階段，剪切力峰值顯著降低。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加，峰值剪切力緩慢下降。板間界面的抗剪強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，但板條的相對滑移量不斷增加。產(chǎn)生這一結(jié)果主要原因有兩點：一方面是水在凍融循環(huán)期間對瀝青具有一定的軟化作用；另一方面是水進(jìn)入瀝青和板巖之間的間隙，減少瀝青和板巖之間的接觸面積，導(dǎo)致界面剪切強度降低，相對滑移增大如圖1（b）所示。此外，由圖1可以證明，界面的黏結(jié)強度在初始階段迅速降低，并且隨著凍融循環(huán)的次數(shù)增加，界面黏結(jié)強度的振幅會隨之下降。結(jié)果與CT掃描得到的間隙參數(shù)變化規(guī)律一致。

圖1 凍融循環(huán)作用下的界面剪切試驗結(jié)果

如圖2所示，瀝青混合料的抗拉強度和劈裂強度比隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，在凍融循環(huán)初期迅速下降，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，與原始凍融階段相比，IDT強度的衰減率顯著降低。瀝青混合料的抗拉強度損失是由于在凍融循環(huán)期間瀝青混合料滲水，而由凍結(jié)引起的水體膨脹導(dǎo)致混合料試樣中的水壓升高。掃描電鏡和CT掃描試驗發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)過程中受到水壓破壞，這種損傷主要是由新孔隙，以及凍融早期骨料和瀝青界面分離引起的。在IDT試驗期間，由其產(chǎn)生的微裂紋將產(chǎn)生集中應(yīng)力。此外，界面剪切試驗表明，界面黏結(jié)強度在凍融初期顯著降低，因此，此時IDT強度顯著降低。隨著凍融循環(huán)的持續(xù)，通過CT掃描和圖像處理獲得的三維孔隙參數(shù)的變化，瀝青混合料中孔隙的生成和連通性趨于動態(tài)平衡，內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。同時，膨脹連通的孔隙對冰的凍脹力有一定的消散作用，此時內(nèi)部結(jié)構(gòu)對冰強度的弱化作用減弱。這主要是由于瀝青在解凍階段被水軟化，骨料和瀝青之間的黏結(jié)強度降低。因此，IDT強度的降低在此時下降，并隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定。以上結(jié)果表明，瀝青混合料的水損害是瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷和材料性能綜合作用的結(jié)果。內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞是瀝青混合料在初始凍融循環(huán)作用下力學(xué)性能破壞的主要原因，本文研究的瀝青與集料界面黏結(jié)參數(shù)的影響貫穿于凍融循環(huán)過程。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，集料與瀝青將完全分離，這是瀝青路面疏松的根本原因。

圖2 多次凍融循環(huán)下瀝青混合料抗拉強度和強度比的變化圖

三、X射線的CT檢測技術(shù)

本文采用X射線CT技術(shù)檢測瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后將捕獲的圖像實施數(shù)字圖像處理，以提高圖像質(zhì)量，執(zhí)行邊緣檢測、濾波噪聲，并通過MATLAB提取捕獲圖像中的研究對象。最后是三維孔隙表示參數(shù)的提取，提取的主要參數(shù)包括3D孔隙含量、孔隙數(shù)量和孔隙等效直徑。

通過比較不同凍融循環(huán)過程中瀝青混合料樣品的三維圖像，可以觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的兩個主要變化，一是在凍融循環(huán)期間產(chǎn)生了新的紅色區(qū)域，如圖3中矩形標(biāo)記所示，二是出現(xiàn)了以橢圓為標(biāo)志的區(qū)域，共分為兩部分，實心橢圓表示凍融循環(huán)期間孔隙體積增加，而凹陷橢圓與現(xiàn)有孔隙之間的連接有關(guān)。這些變化說明凍融循環(huán)可通過三種方式破壞瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即凍融循環(huán)下：瀝青混合料滲水后體積增加了孔隙的體積；瀝青和骨料的線性收縮系數(shù)不同，導(dǎo)致瀝青混合料中出現(xiàn)新孔隙或界面微裂縫，如掃描樣品表面所示；新孔隙的產(chǎn)生和孔隙體積的增加可能導(dǎo)致原始孔隙的連接擴(kuò)大。

圖3 凍融循環(huán)前后瀝青混合料的三維重建

如圖4（a）和（b）所示，在5次凍融循環(huán)作用下，混凝土的孔隙率和孔隙數(shù)顯著增加，而等效孔隙直徑減?。唤Y(jié)果表明，新孔隙的產(chǎn)生是凍融循環(huán)開始時孔隙含量變化的主要原因。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，瀝青混合料試件的孔隙率也會隨之不斷增加，但在10次凍融循環(huán)中，孔隙率顯著降低，表明在該凍融循環(huán)階段，孔隙是連通的。此外，孔隙數(shù)在后期趨于穩(wěn)定，這意味著在后期凍融循環(huán)中孔隙的生成和連通性趨于動態(tài)平衡。等效孔隙直徑是上述兩個參數(shù)綜合作用的結(jié)果。因此，在5次～10次凍融循環(huán)中，由于空氣孔隙數(shù)突然減少，孔隙的等效直徑將會呈現(xiàn)顯著增加趨勢。三維參數(shù)的變化表明，在最初的5次凍融循環(huán)中，瀝青混合料的損傷主要是新的孔隙或裂縫，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到10次時，孔隙體積增長和產(chǎn)生的新孔隙增強了孔隙的連通性，這與掃描電鏡下5次凍融循環(huán)作用下，瀝青與集料界面僅出現(xiàn)微裂紋的結(jié)果一致，而10次循環(huán)后出現(xiàn)明顯分離，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，新產(chǎn)生的空間和空間連接趨于動態(tài)平衡，損傷趨于穩(wěn)定。

圖4 凍融循環(huán)前后瀝青混合料的三維參數(shù)變化

四、鹽濕環(huán)境下瀝青混合料的改性技術(shù)

本文選用AMR和TJ-066抗剝落劑、玄武巖纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維和熟石灰，共6種添加劑。將摻入不同添加劑的試樣在10%氯化鈉溶液中進(jìn)行12次干濕循環(huán)處理，以模擬鹽和濕度環(huán)境下的腐蝕。通過劈裂試驗，分析了不同外加劑對高鹽高濕環(huán)境下瀝青混合料水穩(wěn)定性和力學(xué)性能的改善作用。

摻有各種添加劑的瀝青混合料的劈裂強度如圖5所示。圖5顯示，添加抗剝落劑、纖維和熟石灰后，混合料的劈裂強度都呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢，表明摻入添加劑可以改善瀝青混合料在鹽濕環(huán)境中的力學(xué)性能。摻加不同添加劑的瀝青混合料的劈裂強度排序為玄武巖纖維＞聚丙烯腈纖維＞熟石灰＞聚酯纖維＞AMR＞TJ-066。玄武巖纖維改善瀝青混合料力學(xué)性能的效果最好，增幅達(dá)61.55%。TJ-066抗剝落劑在不同添加劑中的改善效果最差，增幅僅為13%。摻加玄武巖纖維的瀝青混合料能較好地抵抗鹽濕環(huán)境的腐蝕。因此，建議使用玄武巖纖維改善瀝青混合料在鹽濕環(huán)境中的力學(xué)性能。一些學(xué)者也建議使用玄武巖纖維改善瀝青混合料的力學(xué)性能，從而提高瀝青混合料的抗鹽蝕能力。

圖5 混合不同添加劑的混合物的劈裂強度

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是各種添加劑對瀝青混合料的改善機理不同，導(dǎo)致瀝青混合料劈裂強度提高幅度不同。AMR和TJ-066的抗剝離劑屬于表面活性劑。反剝離劑中含有的活性基因?qū)⒏纳茷r青的極性，并降低表面張力。瀝青和骨料之間的物理和化學(xué)吸附將得到增強，兩者之間的黏附性也得到改善。熟石灰屬于堿性材料，能活化集料表面，提高瀝青與集料的黏結(jié)力。由于比表面積較大，熟石灰在游離瀝青上的吸附作用較強。消石灰的耐久性優(yōu)于抗剝落劑，改善效果更好。加入5種纖維后，混合料的最佳瀝青含量增加。集料表面的結(jié)構(gòu)瀝青膜由于5種纖維的吸附而變厚，從而改善了瀝青與集料之間的界面狀況。此外，均勻分散的纖維在混合物中起到了橋梁作用，在傳遞和分散車輛荷載方面表現(xiàn)出良好的效果。此外，纖維可以抵消氯化物結(jié)晶產(chǎn)生的部分應(yīng)力，從而提高瀝青混合料的劈裂強度。在高溫潮濕環(huán)境下，纖維對瀝青混合料劈裂強度的提高效果優(yōu)于熟石灰，較高的抗拉強度和堿性表面特性可以大大提高瀝青混合料的劈裂強度。玄武巖纖維對瀝青混合料劈裂強度的提高幅度最大。

根據(jù)不同添加劑對瀝青混合料在咸濕環(huán)境中的水穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響，推薦使用玄武巖纖維改善高鹽高濕地區(qū)瀝青混合料的性能。

五、結(jié)語

在宏觀維度上，通過間接抗拉強度和抗拉強度比評價瀝青混合料凍融損傷性能。從微觀和細(xì)觀試驗結(jié)果可以看出，在凍融初期，瀝青混合料間接抗拉強度的快速損失與瀝青混合料中出現(xiàn)新的微裂紋和應(yīng)力集中密切相關(guān)。后期強度的降低主要是由于凍融循環(huán)期間瀝青和骨料之間界面的黏附特性持續(xù)降低，以及新孔隙產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)逐漸減弱，因此，變化在當(dāng)時趨于穩(wěn)定。

通過分析瀝青混合料三維孔隙含量、孔隙數(shù)量和等效孔隙直徑發(fā)現(xiàn)，最初5次凍融循環(huán)對瀝青混合料造成的損傷主要是產(chǎn)生新的孔隙或裂縫。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加到10次時，連通孔隙的比例增加，因此孔隙的數(shù)量保持穩(wěn)定。

增加添加劑后，瀝青混合料在鹽濕環(huán)境中的凍融劈裂強度比均有不同程度的提高。各種添加劑可以增加瀝青混合料的破壞次數(shù)，延緩出現(xiàn)剝離問題，降低剝離率和車轍深度。摻加各種添加劑的瀝青混合料的劈裂強度排序為玄武巖纖維＞聚丙烯腈纖維＞水化石灰＞聚酯纖維＞AMR＞TJ-066。根據(jù)不同添加劑對高鹽高濕環(huán)境下瀝青混合料水穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響，推薦使用玄武巖纖維改善高鹽高濕地區(qū)瀝青混合料的性能。