溫拌膠粉改性瀝青砂漿在凍融作用下的低溫性能研究

馮蕾，楊鑫，?？※i

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

0 前言

在內(nèi)蒙古中部寒冷地區(qū)，漫長(zhǎng)而低溫的冬季容易產(chǎn)生積雪和冰凍現(xiàn)象，不僅影響道路結(jié)構(gòu)的完整性，而且會(huì)影響其使用并引發(fā)不必要的交通事故［1］。為保證道路的通暢，經(jīng)常采用除冰鹽來(lái)融雪化冰［2-3］。除冰鹽不僅會(huì)使瀝青路面在凍與融循環(huán)之間造成早期病害，而且路面也容易在低溫環(huán)境下發(fā)生開(kāi)裂，降低瀝青路面的低溫性能，影響瀝青路面的使用壽命和服務(wù)水平［4-6］。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多是在凍融循環(huán)和鹽濃度各自影響因素下，分析瀝青混合料低溫抗開(kāi)裂性能［7-10］，除冰鹽對(duì)瀝青砂漿低溫抗開(kāi)裂性能的影響研究較少，對(duì)溫拌膠粉改性瀝青砂漿的低溫性能研究更為少見(jiàn)。瀝青砂漿作為瀝青混合料的重要組成部分，通常認(rèn)為瀝青砂漿的低溫開(kāi)裂是由于瀝青材料溫度的降低，膠結(jié)料成分會(huì)因各自的收縮系數(shù)差異而產(chǎn)生不同步的收縮引發(fā)溫度應(yīng)力導(dǎo)致開(kāi)裂，瀝青砂漿抗開(kāi)裂性能的好壞直接影響混合料的低溫性能，因此研究膠粉改性瀝青砂漿低溫抗開(kāi)裂性能具有重要意義。

本文選用不同凍融循環(huán)次數(shù)和除冰鹽濃度對(duì)內(nèi)蒙古中部寒冷地區(qū)瀝青砂漿的損傷進(jìn)行研究，通過(guò)有無(wú)除冰鹽溶液及不同的循環(huán)次數(shù)作用下，對(duì)熱拌和溫拌膠粉改性瀝青砂漿進(jìn)行小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，基于斷裂力學(xué)理論分析鹽凍循環(huán)對(duì)兩種瀝青砂漿開(kāi)裂特性的影響，以及溫拌劑的添加對(duì)改性瀝青砂漿低溫抗裂性能的改善效果，為今后溫拌膠粉改性瀝青混合料在內(nèi)蒙古中部地區(qū)的推廣使用提供相應(yīng)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用基質(zhì)瀝青為盤錦90#瀝青，集料采用0～5 mm 玄武巖，石灰?guī)r礦粉，膠粉改性劑采用30 目橡膠粉顆粒，溫拌劑采用SDYK 型表面活性劑。基于課題組的研究成果，確定膠粉、表面活性劑SDYK 最佳摻量分別為瀝青質(zhì)量的20%、0.6%，其物理技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，結(jié)果見(jiàn)表1。其中油砂比以AC-16 型密級(jí)配瀝青混合料為基礎(chǔ)采用δ體積修正法計(jì)算得瀝青砂漿油砂比為12.3%。

表1 90#基質(zhì)瀝青和膠粉改性瀝青性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)瀝青砂漿低溫性能的影響，試驗(yàn)選用凍融循環(huán)次數(shù)和鹽環(huán)境兩個(gè)影響因素。根據(jù)課題組的研究成果可知：鹽濃度為8%對(duì)砂漿小梁的破壞最為嚴(yán)重，故選取有鹽環(huán)境（鹽濃度8%）和無(wú)鹽環(huán)境（鹽濃度0），凍融循環(huán)次數(shù)為0、5 次、10 次、15次、20 次和25 次。

試驗(yàn)前，首先將小梁試件在水及鹽溶液中真空飽水（真空度97.3 kPa 下保持15 min），恢復(fù)常壓后放入水溶液及鹽濃度溶液中靜置1 h；之后將試件放入試驗(yàn)盒并注入相應(yīng)濃度溶液直至沒(méi)過(guò)試件，最后將試驗(yàn)盒及試件放入高低溫濕熱交變?cè)囼?yàn)箱中；在-20 ℃下延續(xù)冰凍試件16 h，再升溫至60 ℃維持8 h，完成一次鹽凍融循環(huán)，如此往復(fù)進(jìn)行5 次、10 次、15次、20 次、25 次凍融循環(huán)。

1.2.2 試驗(yàn)方案

采用SNYS-810 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行小梁三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)，選用位移控制的加載方式進(jìn)行試驗(yàn)，位移加載速率為3 mm/min，試驗(yàn)溫度為10 ℃，為了減小偶然誤差，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組條件下的小梁設(shè)置3 個(gè)平行試件。

2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 最大抗彎強(qiáng)度與最大彎曲應(yīng)變分析

在有鹽與無(wú)鹽環(huán)境以及不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下，熱拌膠粉改性瀝青砂漿（CR-HMA）、SDYK 型溫拌膠粉改性瀝青砂漿（CR-WMA-S）破壞時(shí)最大抗彎強(qiáng)度RB、最大彎曲應(yīng)變?chǔ)臖的變化規(guī)律如圖1 所示。

圖1 凍融循環(huán)及鹽侵蝕對(duì)膠粉改性瀝青砂漿彎曲性能的影響

由圖1 可以看出：①不論有無(wú)鹽環(huán)境，CR-HMA和CR-WMA-S 的最大抗彎強(qiáng)度和最大彎曲應(yīng)變均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈下降趨勢(shì)，表明凍融循環(huán)會(huì)降低這兩種膠粉改性瀝青砂漿的低溫力學(xué)性能。分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因?yàn)椋核膬雒泬毫腿芤鹤陨淼那治g力，當(dāng)瀝青砂漿試件經(jīng)真空飽水之后，溶液會(huì)滲入試件內(nèi)部的微小空隙，隨著外界溫度的降低，孔隙中的液態(tài)水轉(zhuǎn)化為體積微膨脹的固態(tài)冰，產(chǎn)生的膨脹力使得孔隙微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大；當(dāng)溫度上升固態(tài)冰又開(kāi)始融化，在空隙負(fù)壓的作用下會(huì)有更多的溶液充滿空隙，對(duì)瀝青與集料之間的黏結(jié)起到剝離作用，在此反復(fù)凍融循環(huán)作用下，迫使試件的集料與瀝青膜黏結(jié)力降低造成試件結(jié)構(gòu)變得松散，導(dǎo)致這兩種膠粉改性瀝青砂漿的抗開(kāi)裂性能逐漸衰減；②在同種鹽環(huán)境和凍融循環(huán)次數(shù)下，CR-WMA-S 的最大抗彎強(qiáng)度、最大彎曲應(yīng)變值均大于CR-HMA。是因?yàn)闇匕鑴┑募尤胩岣吡四z粉改性瀝青自身的流動(dòng)性和裹附性，同時(shí)還能有效地減小瀝青與骨料之間的接觸角，從而減緩溶液通過(guò)試件表面向內(nèi)部結(jié)構(gòu)的滲透速度，降低對(duì)瀝青材料的破壞，也有效地提升了瀝青砂漿低溫抗開(kāi)裂變形能力；③在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，與無(wú)鹽環(huán)境相比，有鹽環(huán)境下的這兩種膠粉改性瀝青砂漿最大抗彎強(qiáng)度和最大彎曲應(yīng)變值衰減幅度更大，鹽溶液對(duì)熱拌膠粉改性瀝青砂漿的低溫抗開(kāi)裂性造成更不利的影響，而對(duì)溫拌膠粉改性瀝青砂漿低溫性能影響偏小。

2.2 勁度模量變化率

勁度模量作為一個(gè)有量綱的低溫性能指標(biāo)，它不僅受到瀝青材料不均勻性的影響，而且還受成型小梁差異性的影響，故采用無(wú)量綱的勁度模量變化率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)［11］，用絕對(duì)值來(lái)客觀反映砂漿小梁力學(xué)性能。在有無(wú)鹽環(huán)境下，隨著凍融次數(shù)的增加瀝青砂漿彎曲勁度模量變化率如圖2 所示。

圖2 不同鹽溶液環(huán)境下瀝青砂漿彎曲勁度模量的變化率

由圖2 可見(jiàn)：①在無(wú)鹽環(huán)境下，瀝青砂漿隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其勁度模量變化率呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，且凍融15 次的變化率最大，此時(shí)砂漿小梁的勁度模量增長(zhǎng)速度極快，小梁自身的性能也從彈性急速向脆性發(fā)展；在無(wú)鹽環(huán)境相同凍融次數(shù)下，摻有溫拌劑的砂漿勁度模量變化率較小，即溫拌劑的加入會(huì)對(duì)瀝青砂漿低溫抗開(kāi)裂性能有所改善；②在有鹽環(huán)境下，瀝青砂漿隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其勁度模量變化率在凍融15 次左右出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，而其余凍融循環(huán)次數(shù)摻有溫拌劑的砂漿勁度模量變化率較熱拌膠粉改性瀝青砂漿的低，這是因?yàn)闉r青砂漿試件經(jīng)真空飽水之后，溶液會(huì)滲入試件內(nèi)部的微小孔隙，隨著溫度的降低，會(huì)在小梁試件內(nèi)部產(chǎn)生膨脹力，伴隨著凍融次數(shù)的增加使得孔隙擴(kuò)展越來(lái)越大，瀝青砂漿試件內(nèi)部膨脹力在一定程度上有所釋放，表現(xiàn)出先增加后減緩的趨勢(shì)，但試件中集料與瀝青膜的黏結(jié)力總體會(huì)降低，造成試件結(jié)構(gòu)變得松散，導(dǎo)致膠粉改性瀝青砂漿的低溫抗開(kāi)裂能力越來(lái)越差。

3 力學(xué)變形性能變化規(guī)律分析

3.1 應(yīng)變能變化規(guī)律分析

材料在加載過(guò)程中能量的耗散可以綜合反映該材料抵抗變形的能力，當(dāng)荷載達(dá)到最大時(shí)對(duì)應(yīng)著材料的臨界變形能，其值越高則破壞時(shí)所需要的能量越多，相反該材料韌性較低越容易被破壞。依據(jù)彎曲應(yīng)變能密度函數(shù)表達(dá)式：

式中：wf為應(yīng)變能密度函數(shù)；δij、εij分別為應(yīng)力和應(yīng)變分量。

低溫小梁彎曲試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合三次多項(xiàng)式形式：

式中：δ為應(yīng)力（MPa）；ε為應(yīng)變；A、B、C、D為材料基本參數(shù)，由應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合獲得。

將式（2）代入式（1）中，可得：

式中：ε0為應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)力峰值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。

不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下兩種膠粉改性瀝青砂漿的彎曲應(yīng)變能密度wf計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 凍融循環(huán)及鹽侵蝕對(duì)膠粉改性瀝青砂漿彎曲應(yīng)變能密度的影響

由圖3 可知：①不論何種鹽環(huán)境，CR-HMA 和CR-WMA-S 的彎曲應(yīng)變能均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)，即這兩種膠粉改性瀝青砂漿的低溫抗變形能力變差；②對(duì)比無(wú)鹽環(huán)境，有鹽環(huán)境下兩種膠粉改性瀝青砂漿彎曲應(yīng)變能衰減程度更大，表明與水侵蝕相比，鹽侵蝕對(duì)瀝青砂漿的低溫抗裂性能損傷更大；③在相同鹽環(huán)境和相同凍融次數(shù)下，添加溫拌劑的砂漿小梁破壞所需的應(yīng)變能較大，其低溫性能表現(xiàn)得更為優(yōu)越，造成這種現(xiàn)象是因?yàn)闇匕鑴┑募尤?，?huì)降低瀝青砂漿的拌和壓實(shí)溫度，減緩瀝青老化的同時(shí)，在溫拌劑極性與非極性基團(tuán)的牽引下能較好地和集料表面相接觸，增加了它們之間的黏附性，在凍融循環(huán)過(guò)程中對(duì)集料的剝離較為緩和，使得材料不會(huì)迅速開(kāi)裂，提高了瀝青砂漿的低溫抗裂性能。

3.2 斷裂韌度變化規(guī)律分析

為研究材料的開(kāi)裂性能，通常采用斷裂韌度作為材料的抗開(kāi)裂指標(biāo)［12-19］，根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)理論，材料在斷裂的過(guò)程中當(dāng)超過(guò)某一臨界值，裂紋進(jìn)入非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，因此選用J積分作為彈塑性斷裂力學(xué)的一種基本研究方法，用以評(píng)價(jià)瀝青砂漿的抗開(kāi)裂性能是合理的［12］。斷裂韌度JC的計(jì)算公式如下［13］：

式中：JC為斷裂韌度（N/mm）；UT為試件破壞時(shí)吸收的總應(yīng)變能，根據(jù)荷載-位移曲線中荷載達(dá)到最大值時(shí)曲線下的面積來(lái)計(jì)算（N · mm）；W為試件寬度（mm）；H為試件高度（mm）；a為裂縫深度（mm）。

根據(jù)荷載-位移曲線得出CR-HMA和CR-WMA-S兩種瀝青砂漿的總應(yīng)變能結(jié)果如圖4 所示。

圖4 凍融循環(huán)及鹽侵蝕對(duì)膠粉改性瀝青砂漿斷裂韌度的影響

對(duì)于砂漿小梁試驗(yàn)從總應(yīng)變能UT計(jì)算所得的斷裂韌度JC可以看出：①當(dāng)試件處于鹽環(huán)境時(shí)，兩種膠粉改性瀝青砂漿的斷裂韌度JC均表現(xiàn)為隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，即瀝青砂漿的抗裂性能隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與試件內(nèi)部微裂紋、微空隙內(nèi)的溶液在反復(fù)凍融作用下產(chǎn)生的膨脹壓力有關(guān)，降低試件內(nèi)部各組分之間的黏結(jié)力，影響試件的強(qiáng)度；②8%濃度下的斷裂韌度與0 濃度下的有類似的變化規(guī)律，且8%濃度下的斷裂韌度JC值均小于0%濃度下的JC值，以0 次凍融循環(huán)為例，與無(wú)鹽環(huán)境相比，8% 濃度下CR-HMA 和CR-WMA-S 的JC值 分 別 從12.646、13.509 變 化 為12.069、12.987，分 別 下 降 了0.577 和0.522，說(shuō) 明SDYK 表面活性劑溫拌劑的添加提高了瀝青的流變性，增加瀝青和集料之間的黏附性，可有效降低溶液的侵蝕，緩減試件內(nèi)部因?yàn)閮雒涀饔卯a(chǎn)生的凍脹力造成的破壞，同時(shí)也抑制試件內(nèi)部空隙的增長(zhǎng)速率，使膠粉改性瀝青砂漿中的成分與鹽溶液的接觸面積減少，有效地阻止了鹽溶液對(duì)瀝青材料的侵蝕，提高了瀝青砂漿的低溫抗裂性能，因此與熱拌型膠粉改性瀝青砂漿相比，溫拌膠粉改性瀝青砂漿的抗裂性更好；③在相同條件下，CR-WMA-S 斷裂韌度均高于CR-HMA，從線彈性斷裂理論出發(fā)，可知這是因?yàn)闇匕鑴┑奶砑邮沟脼r青與集料形成較強(qiáng)的黏結(jié)力，在小梁加載開(kāi)裂破壞過(guò)程中對(duì)裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生一定的黏結(jié)阻礙作用，因此裂紋進(jìn)入非穩(wěn)定階段所需的時(shí)間更長(zhǎng)，宏觀上表現(xiàn)出CR-WMA-S 具有較好的低溫抗開(kāi)裂性能。

3.3 斷裂韌度比分析

瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)中從定義劈裂抗拉強(qiáng)度比RTSR的公式出發(fā)，采用斷裂韌度比kjC/%評(píng)價(jià)鹽凍循環(huán)作用下瀝青砂漿的抗裂性能，分析瀝青砂漿經(jīng)鹽凍循環(huán)作用后的殘余斷裂韌度，其值越大，低溫抗裂性能越好。

根據(jù)凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比RTSR定義斷裂韌度比的計(jì)算公式如下：

式中：kjC為斷裂韌度比（%）；JCn為凍融循環(huán)n次后試件斷裂韌度平均值（N/mm）；-JC1為未凍融試件斷裂韌度平均值（N/mm）。

不同鹽環(huán)境下瀝青砂漿斷裂韌度比結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同鹽環(huán)境對(duì)瀝青砂漿斷裂韌度比的影響

由圖5 可知：不論在水溶液中還是在8%濃度的鹽溶液中，CR-HMA 和CR-WMA-S 兩種膠粉改性瀝青砂漿的斷裂韌度比kjC均呈現(xiàn)出隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低的趨勢(shì)，但在相同條件下CR-WMA-S 的斷裂韌度比kjC均高于CR-HMA 的值，說(shuō)明溫拌劑的加入能有效地改善砂漿的低溫性能；對(duì)于同種瀝青砂漿材料在不同的鹽環(huán)境中，有鹽環(huán)境下瀝青砂漿斷裂韌度比均小于無(wú)鹽環(huán)境下的值，說(shuō)明鹽環(huán)境會(huì)降低砂漿小梁的低溫抗開(kāi)裂性能，會(huì)對(duì)路面整體性造成破壞。

4 結(jié)論

（1）瀝青砂漿在不同濃度的鹽環(huán)境中，都隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其最大抗彎強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變值均呈下降趨勢(shì)，彎曲勁度模量變化率均為正值，即彎曲勁度模量的積累量在不斷增大。

（2）在相同的鹽環(huán)境和凍融循環(huán)次數(shù)下，CR-WMA-S 的最大抗彎強(qiáng)度、最大彎曲應(yīng)變值均大于CR-HMA，即SDYK 型溫拌劑的添加能夠改善瀝青與集料之間的黏附性，提高膠粉改性瀝青砂漿的低溫抗開(kāi)裂性能。

（3）兩種膠粉改性瀝青砂漿的彎曲應(yīng)變能均隨著凍融次數(shù)的增加而減小，且不論何種環(huán)境下的CR-WMA-S 彎曲應(yīng)變能值均高于CR-HMA，說(shuō)明CR-WMA-S 相比于CR-HMA 具有更好的韌性和低溫抗裂性。

（4）對(duì)于瀝青砂漿的抗開(kāi)裂指標(biāo)斷裂韌度而言，兩種砂漿的值均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但在相同條件下CR-WMA-S 的斷裂韌度JˉC較CR-HMA 大，且斷裂韌度比也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，這與應(yīng)變能相對(duì)應(yīng)，即溫拌劑的加入能提高砂漿的低溫抗開(kāi)裂性能。