周曉東， 常春清， 王 嵐

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學重點實驗室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 土木工程學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

20世紀60年代，美國、英國、法國和日本等國先后開展了橡膠粉瀝青混凝土的應(yīng)用研究和鋪路試驗，通過技術(shù)推廣，促進了膠粉在道路工程中的應(yīng)用[1].實踐證明，橡膠粉改性瀝青具有優(yōu)良的路用性能.溫拌技術(shù)的出現(xiàn)降低了膠粉改性瀝青的拌和溫度，改善了瀝青的性能.中國北方地區(qū)常常伴有降雪，甚至結(jié)冰，為了保證道路的暢通，需要在路面撒布融雪劑，對瀝青路面造成了不可逆的破壞[2].在繁重的交通負荷和融雪劑的作用下，路面常常在設(shè)計年限內(nèi)就發(fā)生疲勞破壞，這一現(xiàn)象引起了國內(nèi)外學者的高度重視.

葛折圣[3]采用應(yīng)變控制模式的疲勞試驗來研究5種級配瀝青混合料的應(yīng)變疲勞規(guī)律，并對混合料疲勞性能的影響因素，包括集料級配、混合料空隙率、瀝青品種、加載方式、加載頻率和試驗溫度等進行分析，進而預(yù)估瀝青混合料的疲勞壽命.李兆生等[4]通過對比分析凍融循環(huán)作用下瀝青混合料的力學性能，研究了凍融對瀝青混合料力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)凍融作用后瀝青混合料的抗疲勞性能降低，且疲勞壽命對應(yīng)力水平的變化更為敏感.康誠[5]通過模擬北方地區(qū)季節(jié)溫差，針對3種級配的瀝青混凝土在清水和NaCl飽和溶液中的凍融循環(huán)，進行3種應(yīng)力比條件下的間接拉伸疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)作用下瀝青混凝土的疲勞壽命總體逐漸下降，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混凝土疲勞壽命下降程度不斷加劇.馮蕾等[6]通過室內(nèi)凍融循環(huán)試驗分析了鹽凍融循環(huán)對膠粉改性瀝青混合料性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著鹽濃度和凍融循環(huán)次數(shù)的增加，膠粉改性瀝青混合料的孔隙率逐漸變大，除冰鹽對膠粉改性瀝青的破壞比較嚴重，不宜大量使用.在中國東北、西北地區(qū)，由于土壤鹽分含量較高以及除冰鹽的大量使用，使得路面長期受到水、溫度和鹽分侵蝕的共同作用，瀝青混凝土路面極易產(chǎn)生凍融疲勞損害[7].因此，研究瀝青路面在鹽分作用下的凍融疲勞性能具有重要的意義.

1 試驗

1.1 原材料

瀝青為濕法制備的熱拌膠粉改性瀝青和溫拌膠粉改性瀝青，技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求.其中，基質(zhì)瀝青為盤錦90#瀝青；改性劑為250μm(60目)的膠粉顆粒，摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的20.0%；溫拌劑為表面活性劑SDYK，根據(jù)前期相關(guān)研究表明，溫拌劑摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的0.6%時性能最佳[8]，技術(shù)指標見表1.

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

集料采用玄武巖，礦粉采用磨細的石灰?guī)r礦粉，按照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》進行粗細集料的篩分，得到各集料的篩分曲線，再進行粗細集料的密度及吸水測試，結(jié)果如表2所示.參照馬歇爾配合比設(shè)計方法，得到最佳油石比(質(zhì)量比，文中涉及的油石比、摻量等除特別注明外，均為質(zhì)量比或質(zhì)量分數(shù))為5.8%，級配類型為AC-16，如表2所示.融雪劑以CaCl2為主，主要參數(shù)如表3所示.

表2 礦料級配組成Table 2 Gradation of mineral powder and aggregate w/%

表3 融雪劑參數(shù)Table 3 Parameters of deicer

1.2 試件成型

采用剪切壓實儀進行試件制備，經(jīng)瀝青混合料切割機切割成尺寸為380.0mm×63.5mm×50.0mm的小梁試件，且誤差均符合規(guī)范要求.

1.3 鹽凍融循環(huán)試驗設(shè)計

本試驗將小梁試件浸泡在水和不同質(zhì)量分數(shù)的融雪劑溶液中，先用高低溫濕熱交變箱在-20℃冰凍 16h，然后緩慢升溫至60℃并保持24h，即完成1次凍融循環(huán).凍融循環(huán)次數(shù)分別為5、10、15、20次，鹽溶液中鹽質(zhì)量分數(shù)分別為0%、4%、8%、12%.影響疲勞壽命的因素，包括荷載水平、加載模式、加載波形、試驗溫度和試驗頻率等.

由于該試驗涉及多因素、多水平，為了減少試驗量，同時能夠獲得較為全面的數(shù)據(jù)，采用正交試驗方法進行設(shè)計.試驗考慮了4個影響因素：瀝青種類、凍融循環(huán)次數(shù)(n)、應(yīng)變和除冰鹽質(zhì)量分數(shù)，詳細方案如表4所示.其中CR-HMA代表熱拌膠粉改性瀝青混合料，CR-WMA代表溫拌膠粉改性瀝青混合料.

1.4 疲勞試驗

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青瀝青混合料試驗規(guī)程》中的“T0739-2011”進行瀝青混合料四點彎曲疲勞壽命試驗，試驗儀器為澳大利亞IPC公司生產(chǎn)的UTM-100型疲勞試驗機及BFA氣動式四點彎曲小梁疲勞試驗夾具.試驗過程中，由設(shè)備配套UTS軟件進行試驗數(shù)據(jù)的實時采集與計算.按照規(guī)范選用應(yīng)變控制模式下的半正弦波加載，其峰值應(yīng)變在滿足疲勞壽命處于103～107的條件下，經(jīng)測試確定為700μm/m.試驗溫度為15℃，試驗頻率為10Hz，大概相當于60～65km/h的車速.試驗結(jié)果見表5.

表4 正交試驗設(shè)計方案Table 4 Design scheme of orthogonal experiment

表5 膠粉改性瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗結(jié)果Table 5 Results of four point bending fatigue test of rubber powder modified asphalt mixture

2 結(jié)果與分析

2.1 基于疲勞壽命的疲勞特性分析

2.1.1凍融循環(huán)次數(shù)對疲勞壽命的影響

圖1為凍融循環(huán)次數(shù)與瀝青混合料疲勞壽命的關(guān)系，其中圖例編號中的數(shù)字代表鹽質(zhì)量分數(shù).由圖1可見：在不同鹽質(zhì)量分數(shù)條件下,所有瀝青混合料的疲勞壽命都隨著凍融次數(shù)的增加而減小.這是由于瀝青與集料的熱膨脹系數(shù)相差很大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生的溫度疲勞應(yīng)力使瀝青混合料缺陷不斷擴大，更多的溶液進入瀝青混合料的內(nèi)部，降低了瀝青與集料之間的黏附力，瀝青混合料產(chǎn)生了更多的微小裂隙.當溫度降低時，瀝青混合料孔隙中的溶液結(jié)冰后產(chǎn)生膨脹壓，同時鹽溶液飽和而結(jié)晶.當瀝青混合料孔隙中鹽結(jié)晶超過一定量時，將產(chǎn)生鹽結(jié)晶壓力[9]，從而引起瀝青混合料破壞.在凍融循環(huán)作用下，溫度疲勞應(yīng)力和結(jié)冰膨脹壓加劇了瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，使瀝青混合料的疲勞性能降低.隨著凍融次數(shù)的增加，疲勞壽命下降的速率有所減慢.這是由于凍融循環(huán)前期，瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的裂縫迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)開始變得松散，勁度模量迅速減小，瀝青混合料疲勞性能迅速降低.到了后期，裂縫生長幅度變小，并趨于穩(wěn)定，疲勞壽命下降的速率減慢.

圖1 凍融循環(huán)次數(shù)與瀝青混合料疲勞壽命的關(guān)系Fig.1 Relationship between number of freeze-thaw cycle and fatigue life of asphalt mixture

2.1.2鹽質(zhì)量分數(shù)對疲勞壽命的影響

圖2為鹽質(zhì)量分數(shù)與瀝青混合料疲勞壽命的關(guān)系，其中圖例編號中數(shù)字代表凍融循環(huán)次數(shù).由圖2可見：CR-HMA和CR-WMA疲勞壽命均隨著鹽質(zhì)量分數(shù)的增大呈現(xiàn)出先減小、后略有增加的趨勢；當鹽質(zhì)量分數(shù)為8%時的疲勞壽命最小，0%時的疲勞壽命最大，12%時的疲勞壽命略大于4%.由于瀝青混合料的鹽凍破壞包括物理破壞和化學破壞.物理破壞主要是除冰鹽溶液結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹壓和溫度引起的疲勞應(yīng)力對瀝青混合料內(nèi)部的凍融損傷，化學破壞主要體現(xiàn)在除冰鹽溶于水后電離出的Na+、Ca+和Cl-等極性很強的帶電粒子，集料表面有很高的表面能.為了降低表面能，集料表面會吸附物質(zhì)，兩種物質(zhì)吸附得越緊密，結(jié)合得越穩(wěn)定，其表面能也越低.鹽離子比瀝青有更強的極性，與集料的吸附能降低更多的表面能，結(jié)合更穩(wěn)定，比瀝青對集料有更強的吸附能力.因此，鹽離子對瀝青產(chǎn)生剝離作用，引起瀝青和集料的黏結(jié)力下降[10].隨著除冰鹽質(zhì)量分數(shù)的繼續(xù)增大，溶液中Na+、Ca+和Cl-也相應(yīng)增多，對瀝青的剝離作用也越來越強，疲勞壽命隨著鹽質(zhì)量分數(shù)的增大而降低.當除冰鹽質(zhì)量分數(shù)超過8%時，瀝青混合料孔隙中水的體積比變小，溶液結(jié)冰產(chǎn)生的體積膨脹率減小，產(chǎn)生的結(jié)冰膨脹壓也隨之減小，較大的鹽質(zhì)量分數(shù)抑制了水的凍脹作用[11].因此，隨著鹽質(zhì)量分數(shù)的增加，瀝青混合料疲勞壽命呈現(xiàn)出先減小、后略有增大的趨勢.當鹽質(zhì)量分數(shù)為8%時，鹽的侵蝕作用和水的凍脹力對瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)耦合損傷最大，導(dǎo)致瀝青與混合料之間的黏結(jié)力降到最低，疲勞壽命降到最低.

圖2 鹽質(zhì)量分數(shù)與瀝青混合料疲勞壽命的關(guān)系Fig.2 Relationship between salt mass fraction and fatiguelife of asphalt mixture

2.1.3溫拌劑對疲勞壽命的影響

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，CR-WMA要比CR-HMA的疲勞壽命高.這是由于瀝青混合料在拌和的過程中，表面活性劑、水和瀝青三者借助分散力實現(xiàn)彼此融合，使膠結(jié)料的內(nèi)部形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)水膜.水膜的潤滑作用能明顯地抵消瀝青黏度增大的影響，顯著地降低拌和與壓實溫度，增強施工和易性[12]，使得瀝青可以充分地浸潤到集料間的微小縫隙中，提高了瀝青與集料的黏附性，使得溫拌瀝青混合料具有更高的疲勞壽命.

2.2 基于勁度模量的疲勞特性分析

中國以前一直習慣于采用應(yīng)力疲勞模式確定瀝青混合料的疲勞壽命.近年來，隨著對長壽命瀝青路面的關(guān)注，一些研究人員認為，應(yīng)該根據(jù)不同路面的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)來確定采用何種疲勞模式.研究認為，可以采用彎曲勁度模量來表征瀝青混合料的疲勞壽命[13-14].

(1)

式中：S0為初始勁度模量，MPa；Si為i時刻對應(yīng)的勁度模量，MPa；T為加載時間，s.

圖3 不同種類瀝青混合料凍融循環(huán)次數(shù)與勁度模量衰減速率的關(guān)系Fig.3 Relationship between number of freeze-thaw cycle of different asphalt mixtures and stiffness modulus decay rate

2.3 基于耗散能理論的疲勞特性分析

瀝青混合料在外部荷載作用下，內(nèi)部會進一步擠密，材料會自然地抵抗外部荷載.為了適應(yīng)材料的內(nèi)部移動、新表面的產(chǎn)生，瀝青混合料需要以熱量的形式消耗一部分能量作為代價，這種能量稱為耗散能.

(2)

式中:Wc為累積耗散能，J/m3；A、B為試驗過程中確定的參數(shù)；Nf為加載次數(shù).

中國現(xiàn)行試驗規(guī)程中以瀝青混合料彎曲勁度模量下降至初始值的50%所對應(yīng)的加載次數(shù)(K)作為疲勞壽命.此時的疲勞壽命僅使材料達到疲勞破壞的前2個階段，且第2階段并非全部[15].為了從能量的角度研究鹽質(zhì)量分數(shù)、凍融循環(huán)次數(shù)和溫拌劑對膠粉改性瀝青混合料疲勞損傷特性的影響規(guī)律，采用耗散能變化率(rate change of dissipation energy，RCODE)(見 式(3))對不同膠粉改性瀝青混合料試件在經(jīng)受不同鹽質(zhì)量分數(shù)及不同凍融循環(huán)次數(shù)下進行損傷分析.

(3)

式中：DEj、DEi分別是第j、i次循環(huán)中的耗散能，J/m3.

2.3.1凍融循環(huán)次數(shù)對耗散能變化率的影響

圖4為鹽質(zhì)量分數(shù)為8%時，不同凍融循環(huán)次數(shù)下加載次數(shù)與耗散能變化率的關(guān)系.由圖4可見：耗散能變化率隨加載次數(shù)變化分為2個階段.第1階段：經(jīng)凍融循環(huán)作用的瀝青混合料在荷載循環(huán)作用下，裂縫初始形成需要消耗較多的能量，內(nèi)部損傷消耗的耗散能占較大的比例，之后材料內(nèi)部不斷趨于穩(wěn)定，耗散能變化率迅速降低；第2階段：隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，材料內(nèi)部已經(jīng)穩(wěn)定，裂紋穩(wěn)定發(fā)展，耗散能變化率趨于平緩.由于試驗的終止條件是勁度模量下降到初始模量的50%，所以耗散能變化率均未出現(xiàn)第3階段.在相同鹽質(zhì)量分數(shù)下，凍融次數(shù)越多，曲線越陡，對應(yīng)的循環(huán)加載次數(shù)也越少，耗散能變化率穩(wěn)定值也越大.說明凍融循環(huán)次數(shù)越多，其消耗于材料內(nèi)部損傷的能量就越多.這是因為凍融循環(huán)次數(shù)越多，水的凍脹力和溫度疲勞應(yīng)力對瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷越大，瀝青與集料的黏結(jié)力越弱，瀝青混合料越易開裂，耗散能變化率下降得越快.無論在何種鹽質(zhì)量分數(shù)情況下，耗散能變化率穩(wěn)定值隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大.

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下加載次數(shù)與瀝青混合料耗散能變化率的關(guān)系Fig.4 Relationship between loading times and dissipation rate of asphalt mixture under different number of freeze-thaw cycle

2.3.2鹽質(zhì)量分數(shù)對耗散能變化率的影響

圖5為經(jīng)歷20次凍融循環(huán)時，不同鹽質(zhì)量分數(shù)下加載次數(shù)與瀝青混合料耗散能變化率的關(guān)系.由圖5可見：在不同鹽質(zhì)量分數(shù)下，CR-HMA和CR-WMA耗散能變化率是不同的，當鹽質(zhì)量分數(shù)為0%時，瀝青混合料耗散能變化率曲線最平緩，耗散能變化率穩(wěn)定值最小，循環(huán)加載次數(shù)最大；隨著鹽質(zhì)量分數(shù)的增大瀝青混合料耗散能變化率曲線變陡，耗散能變化率穩(wěn)定值增大，循環(huán)加載次數(shù)也隨之減小.說明隨著鹽質(zhì)量分數(shù)增大，鹽對瀝青混合料的侵蝕作用增強，鹽溶液對瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷增大，瀝青與集料的黏結(jié)力變?nèi)?，瀝青混合料易開裂，耗散能變化率下降加快；鹽的侵蝕作用和水的凍脹作用對瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷越嚴重，耗散能變化率穩(wěn)定值越大[16].8%鹽質(zhì)量分數(shù)下的瀝青混合料耗散能變化率曲線最陡，耗散能穩(wěn)定值最大，加載循環(huán)次數(shù)也最小.說明當鹽質(zhì)量分數(shù)為8%時，凍融循環(huán)作用對瀝青混合料的疲勞損傷最大，這是因為在鹽質(zhì)量分數(shù)為8%時，鹽的侵蝕作用和水的凍脹力對瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的耦合損傷最大，鹽侵蝕和凍脹力對瀝青混合料結(jié)構(gòu)的破壞最嚴重，其耗散能變化率也最大.當鹽質(zhì)量分數(shù)為12%時瀝青混合料的耗散能穩(wěn)定值變小，循環(huán)加載次數(shù)增大，是因為過高的鹽濃度抑制了水的凍脹，使瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷有所減小.

圖5 不同鹽質(zhì)量分數(shù)下加載次數(shù)與瀝青混合料耗散能變化率的關(guān)系Fig.5 Relationship between loading times and dissipation rate of asphalt mixture under different salt mass fraction

2.3.3溫拌劑對耗散能變化率的影響

根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)，無論在何種鹽質(zhì)量分數(shù)情況下，CR-HMA和CR-WMA的耗散能變化率穩(wěn)定值隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大.對比溫拌前后的膠粉改性瀝青混合料發(fā)現(xiàn)：溫拌膠粉改性瀝青混合料的穩(wěn)定值較熱拌膠粉改性瀝青混合料小，說明其消耗于損傷的能量較小.這是由于表面活性劑的分子由極性的親水基團和非極性的親油基團構(gòu)成，在一端與瀝青牢固結(jié)合的同時另一端與集料牢固結(jié)合，提高了瀝青與集料的黏附性能；瀝青混合料疲勞裂縫往往會在瀝青與集料的界面處發(fā)生，因此表面活性劑的摻入可減少瀝青與集料界面處由于黏附性不足而發(fā)生的開裂現(xiàn)象，進而提高瀝青混合料疲勞性能.溫拌劑的加入減小了瀝青混合料的拌和溫度和壓實溫度，進而減小了瀝青的老化程度，增強了瀝青與集料之間的黏附力，從而改善了瀝青混合料的抗疲勞性能，減小了能量的耗散.

3 結(jié)論

(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，瀝青混合料的裂縫發(fā)展速度由快變慢，疲勞壽命縮短，耗散能變化率穩(wěn)定值增大，能量消耗加快，疲勞損傷增大.

(2)隨著鹽質(zhì)量分數(shù)的增大，瀝青混合料的疲勞壽命出現(xiàn)了先縮短后略有延長的趨勢，鹽質(zhì)量分數(shù)對膠粉瀝青混合料疲勞損傷的影響強弱依次為：8%>4%>12%>0%.

(3)綜合對比彎曲勁度模量衰減速率、疲勞壽命和耗散能變化率穩(wěn)定值，發(fā)現(xiàn)CR-WMA具有比CR-HMA更優(yōu)的抗疲勞性能.