馮 蕾，崔亞楠，李 超

（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）

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(jié)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(lái)融雪除冰［1］.與機(jī)械除冰、電熱除冰相比，撒布融雪鹽除冰操作簡(jiǎn)便、價(jià)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(huì)加劇路面結(jié)構(gòu)的破壞.

現(xiàn)行規(guī)范［2］以標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件經(jīng)歷1次凍融循環(huán)后的劈裂強(qiáng)度以及劈裂強(qiáng)度比來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.事實(shí)上，瀝青路面的設(shè)計(jì)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(gè)凍融循環(huán)過(guò)程，所以現(xiàn)行規(guī)范［2］不能全面評(píng)價(jià)路面材料抵抗凍融循環(huán)破壞的能力.為了對(duì)現(xiàn)行規(guī)范［2］進(jìn)行改進(jìn)，不少學(xué)者在其基礎(chǔ)上做了一定的研究，例如王抒音等［3］在凍融劈裂試驗(yàn)中增加了凍融循環(huán)次數(shù)，以凍融循環(huán)劈裂強(qiáng)度比評(píng)價(jià)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(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況，結(jié)果表明在最初的凍融循環(huán)中，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而明顯減小，當(dāng)達(dá)到7次凍融循環(huán)之后，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行融雪鹽條件下的凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析冰凍溫度、融雪鹽濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)膠粉改性瀝青混合料空隙率、劈裂強(qiáng)度和馬歇爾模數(shù)的影響，同時(shí)對(duì)融雪鹽條件下凍融循環(huán)后混合料的微觀形貌進(jìn)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(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn).按JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中AC－13C型中值級(jí)配進(jìn)行膠粉改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，其中粗、細(xì)集料都采用玄武巖，礦粉采用石灰?guī)r粉，膠結(jié)料采用膠粉改性瀝青，油石比（質(zhì)量比）為5.7%，空隙率（體積分?jǐn)?shù)）控制在5%.膠粉改性瀝青技術(shù)指標(biāo)見表1，集料和礦粉技術(shù)指標(biāo)見表2.

表1 膠粉改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of rubber modified asphalt

表2 集料和礦粉的技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index of aggregate and mineral filler

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

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

凍融循環(huán)試驗(yàn)參照GB／T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的混凝土快凍法及張洪剛［6］設(shè)計(jì)的瀝青混合料室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行.

將標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到飽和度要求，然后裝入保鮮袋中，再向其中注入10mL 清水或?qū)?yīng)的融雪鹽溶液，密封袋口.將密封后的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件放入低溫箱中，在設(shè)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(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，直至達(dá)到所需的凍融循環(huán)次數(shù)為止.

1.3 性能測(cè)試及微觀形貌觀察

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

采用日本紫臺(tái)Hitachi S－3400NⅡ型掃描電子顯微鏡對(duì)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(jìn)行觀察.

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)方法，按照不同因素和相應(yīng)水平對(duì)瀝青混合料進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn).正交試驗(yàn)共分16組進(jìn)行，每組進(jìn)行6次平行試驗(yàn)，取6次試驗(yàn)的平均值作為該組試驗(yàn)的結(jié)果.為對(duì)比各影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(yàn)完成后，測(cè)試試件空隙率、劈裂強(qiáng)度以及馬歇爾模數(shù)，結(jié)果見表4.由表4可見，經(jīng)過(guò)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(yàn)結(jié)果Table 4 Results of orthogonal test

3 各影響因素對(duì)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(qiáng)度比可表征其長(zhǎng)期水穩(wěn)定性.瀝青混合料馬歇爾模數(shù)可用來(lái)評(píng)價(jià)其抵抗水損害的能力.

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)融雪鹽條件下凍融循環(huán)對(duì)膠粉改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)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(duì)膠粉改性瀝青混合料空隙率、劈裂強(qiáng)度、馬歇爾模數(shù)的影響加以分析.

3.1 空隙率

不同試驗(yàn)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(jì)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(huì)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(shí)，凍融循環(huán)前后混合料空隙率幾乎不變，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到15次時(shí)，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(xì)集料剝落和流失的情況越嚴(yán)重.

3.2 劈裂強(qiáng)度

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

圖1 不同試驗(yàn)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(yàn)條件下膠粉改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)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(jié)后再融化，劈裂強(qiáng)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(qiáng)度最大，說(shuō)明此濃度的融雪鹽溶液對(duì)混合料的劈裂強(qiáng)度影響最?。蝗羧谘}濃度增加至6%，膠粉改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)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(yàn)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(shuō)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(duì)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(shì)，當(dāng)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(yàn)結(jié)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(qiáng)度比在－30℃時(shí)能保持在90%，而馬歇爾模數(shù)在－30℃時(shí)最低，這說(shuō)明在經(jīng)歷冰凍后混合料劈裂強(qiáng)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(duì)膠粉改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度以及抵抗水損害能力的影響相對(duì)較小，因此為寒冷地區(qū)冬季除冰時(shí)適宜的融雪鹽濃度.鹽溶液的存在會(huì)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(duì)較小，說(shuō)明融雪鹽對(duì)混合料確實(shí)存在腐蝕作用，特別是使瀝青膠結(jié)料變硬，從而破壞瀝青和集料之間的黏結(jié)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(qiáng)度下降，馬歇爾模數(shù)基本呈下降趨勢(shì)，說(shuō)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(kuò)展，水穩(wěn)定性能逐漸劣化.

4 劣化機(jī)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(shuō)明在凍融循環(huán)過(guò)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(huì)刺破瀝青膜（破壞瀝青的黏結(jié)性），并生長(zhǎng)在瀝青和集料的界面處.當(dāng)環(huán)境溫度下降到一定值時(shí)，瀝青混合料空隙中的溶液溫度達(dá)到結(jié)冰點(diǎn)，冰晶開始生長(zhǎng)、膨脹并產(chǎn)生應(yīng)力，同時(shí)瀝青材料在低溫下會(huì)發(fā)生收縮而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，在膨脹應(yīng)力和溫度應(yīng)力的雙重作用下，應(yīng)力集中的混合料空隙邊緣就產(chǎn)生了新的裂紋.當(dāng)溫度升高時(shí)，冰晶消融，這又會(huì)在混合料內(nèi)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，使其結(jié)構(gòu)受損.多次凍融循環(huán)后，就造成細(xì)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(jié)論

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

（2）融雪鹽晶粒對(duì)瀝青黏結(jié)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(guān)鍵原因.

［1］王小光，章亞?wèn)|.融雪劑的研究進(jìn)展及發(fā)展方向［J］.無(wú)機(jī)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(yàn)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(píng)價(jià)瀝青混合料抗水損害能力［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)與分析［M］.2 版.北京：清華大學(xué)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(jī)理［D］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2010.ZHANG Honggang.Asphalt pavement characteristics and development mechanism under water－warm thaw condition［D］.Changsha：Changsha University of Science ＆ Technology，2010.（in Chinese）