魏婷婷，李文凱，邵景干，陳紅奎

（1 河南中州路橋建設(shè)有限公司，河南周口 466000；2 河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 綠色高性能材料應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，河南鄭州 450046）

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模及服務(wù)質(zhì)量提出了更高的要求。近年來，我國投入運(yùn)營的高等級(jí)公路里程逐年增加，截止2020 年底，通車總里程己超出15.5萬公里，每百平方公里就有16.15 公里的公路。我國地大物博，地域跨度大，部分地區(qū)處于季節(jié)性冰凍區(qū)，冬季路面積雪嚴(yán)重，嚴(yán)重影響行車安全［1］。因此，為了使路面積雪盡快融化，除冰鹽被廣泛應(yīng)用。研究表明，單一氯鹽作用下，MgCl2對瀝青路面的腐蝕作用最大，其次是NaCl、CaCl2［2-3］。氯鹽融雪劑的應(yīng)用，不僅會(huì)對瀝青路面、橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，同時(shí)也會(huì)對地表水、植被、周邊土壤造成破壞［4］。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，大量瀝青改性劑相繼出現(xiàn)，這些改性劑的應(yīng)用能夠有效改善瀝青路面的路用性能及使用年限，其中橡膠SBS 復(fù)合改性效果較為突出［5］。然而，大量氯鹽融雪劑的使用會(huì)對橡膠SBS 復(fù)合改性瀝青路面的性能造成嚴(yán)重侵蝕，如何在高低溫及氯鹽侵蝕等復(fù)雜環(huán)境下對橡膠SBS 復(fù)合改性瀝青路面進(jìn)一步改性成為目前道路工作者研究的重要方向［6-7］。馬昆林［8］用不同鹽溶液浸泡水泥混凝土芯樣并進(jìn)行抗凍及耐久性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鹽溶液會(huì)引起混凝土內(nèi)部結(jié)晶破壞，且破壞程度與浸泡時(shí)間及鹽溶液濃度關(guān)系密切。查旭東［9］通過對AC-13C 改性瀝青混合料進(jìn)行配合比優(yōu)化得出，礦料級(jí)配優(yōu)化后的瀝青路面性能得到很大改善。朱春鳳［10］將硅藻土及玄武巖纖維摻入到瀝青混合料中進(jìn)行相關(guān)性能研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土及玄武巖纖維的摻入，瀝青路面高溫抗車轍、低溫抗開裂、水穩(wěn)定性及疲勞性能均得到了不同程度的改善。2- 丙烯酰胺-2- 甲基丙磺酸(AMPS)是一種高分子聚合物，應(yīng)用較為廣泛，具有良好的抗鹽凍、抗高溫及水解穩(wěn)定等性能［11］。本文選用將AMPS 摻入到AC-13C 混合料中，并以氯鹽溶液及凍融循環(huán)綜合作用下加速模擬季節(jié)性冰凍區(qū)瀝青路面路用性能的變化情況，為AMPS 在瀝青路面中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

1.1.1 AMPS 聚合物

本文選用2- 丙烯酰胺-2- 甲基丙烷磺酸（AMPS）展開研究，它是強(qiáng)酸性質(zhì)含磺酸基的烯烴單體，具有電解、固定、絮凝、分散及增稠的特性，被廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。AMPS 能夠與水溶性及水不溶性單體共聚，能夠改善被融材料的高溫耐堿性、分散性及親水性，摻入到橡膠SBS 復(fù)合改性瀝青路面中，能夠提高瀝青路面在鹽凍融循環(huán)作用下的路用性能。AMPS 物理化學(xué)指標(biāo)及部分極性溶劑中的溶解度試驗(yàn)結(jié)果見表1，AMPS 二元聚合物的合成原理如圖1 所示。

表1 AMPS 物理化學(xué)指標(biāo)及部分極性溶劑中的溶解度Table 1 Physical and chemical indexes of AMPS and solubility in some polar solvents

圖1 AMPS 二元聚合物的合成原理Fig.1 Synthesis principle of AMPS binary polymer

1.1.2 橡膠 SBS 復(fù)合改性瀝青

瀝青性能的好壞對瀝青路面路用性能起著決定性作用。瀝青種類的選取應(yīng)根據(jù)道路等級(jí)、交通量、氣候特征、結(jié)構(gòu)層位及施工工藝等綜合因素來決定。本文選取河南金歐特實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的橡膠 SBS 復(fù)合改性瀝青進(jìn)行研究，其主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 橡膠 SBS 復(fù)合改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of main technical indexes of rubber SBS composite modified asphalt

1.2 配合比設(shè)計(jì)

選用密級(jí)配AC-13C 瀝青混合料展開研究，其中粗集料分別為10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm 石灰?guī)r碎石，細(xì)集料為0～3 mm 機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，粗、細(xì)集料及礦粉主要技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40 的要求?；旌狭系V料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見表3，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)AMPS聚合物摻量范圍為0.5%～1.0%，作為瀝青混合料的外加劑，本文選用的摻量為0.8%(占瀝青混合料質(zhì)量)，其中摻0.8% AMPS 混合料類型用SAC-13C 表示，兩種混合料最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 AC-13C 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 AC-13C mineral aggregate grading design results

表4 最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Optimum asphalt aggregate ratio and Marshall test results

2 氯鹽融雪劑對瀝青路面的侵蝕機(jī)理

北方季節(jié)性冰凍區(qū)雨雪天氣路表時(shí)常積雪并伴有結(jié)冰，不僅影響道路暢通，也會(huì)影響行車安全。為了使冰雪快速融化，氯鹽融雪劑被廣泛應(yīng)用。但這些氯鹽融雪劑在融冰雪的同時(shí)，也會(huì)形成氯鹽溶液滲透到路面結(jié)構(gòu)孔隙當(dāng)中，嚴(yán)重影響瀝青與骨料之間的黏附性，同時(shí)路面結(jié)構(gòu)在長期鹽凍融循環(huán)作用下性能也會(huì)降低。

2.1 鹽脹作用

隨著瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部水分的蒸發(fā)，氯鹽融雪劑不斷積聚結(jié)晶，當(dāng)結(jié)晶達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)在骨料之間形成膨脹壓力，不僅會(huì)降低瀝青與骨料之間的黏附性，導(dǎo)致瀝青膠漿從骨料之間剝落，也會(huì)對路面結(jié)構(gòu)造成破壞，降低結(jié)構(gòu)層的整體強(qiáng)度［12］。

2.2 乳化作用

氯鹽融雪劑的使用，會(huì)降低冰雪的熔點(diǎn)，使之快速融化，在車輛軸載及毛細(xì)作用下，氯鹽溶液滲透到結(jié)構(gòu)層孔隙當(dāng)中，導(dǎo)致孔隙被氯鹽溶液填充。氯鹽溶液的表面活性大于瀝青，更易吸附在瀝青與骨料之間，加速瀝青與骨料分離。當(dāng)氯鹽溶液與瀝青接觸時(shí)，Na+會(huì)與瀝青發(fā)生化學(xué)吸附作用，將瀝青乳化，同時(shí)Na+與混合料中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成硅酸鹽凝膠。瀝青乳化作用及硅酸鹽凝膠的形成會(huì)降低結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度，瀝青膠漿極易從骨料之間剝落［13］。

2.3 加速老化作用

造成瀝青路面老化的因素有多種，主要包括：瀝青與骨料之間的黏附性降低；長期低溫環(huán)境導(dǎo)致瀝青黏韌性降低，脆性增強(qiáng)，混合料彎曲破壞應(yīng)變下降；結(jié)構(gòu)層內(nèi)部積水、鹽溶液膨化結(jié)晶、凍融循環(huán)及車輛軸載重復(fù)作用，水穩(wěn)定性能降低［14-15］。氯鹽融雪劑中的Cl-會(huì)與瀝青膠漿反應(yīng)，增加瀝青混合料的剛性模量，降低瀝青路面的延展性，加速瀝青路面老化。

2.4 其他侵蝕機(jī)理分析

密級(jí)配瀝青路面質(zhì)地密實(shí)，后期車輛軸載重復(fù)作用下會(huì)更加致密，能有效防止路表水滲透。大孔隙排水式瀝青路面有利于路表水的快速排出，但雨雪天氣內(nèi)部的孔隙易被冰雪填充，在動(dòng)軸載及凍融循環(huán)作用下結(jié)構(gòu)層容易破壞。我國北方季節(jié)性冰凍區(qū)，晝夜溫差大，白天氣溫升高，結(jié)構(gòu)層孔隙中的冰雪融化，夜晚水分積聚并凍結(jié)，長期作用下，瀝青路面容易開裂且開裂深度及寬度不斷加?。宦访鎸娱g結(jié)構(gòu)是瀝青路面的薄弱環(huán)節(jié)，表層結(jié)構(gòu)裂縫會(huì)在層間結(jié)構(gòu)處積聚，加速結(jié)構(gòu)破壞；結(jié)構(gòu)層內(nèi)部原材料溫縮系數(shù)存在差異，外界環(huán)境綜合作用下內(nèi)部出現(xiàn)開裂也會(huì)反射到路表形成發(fā)射裂縫。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鹽凍融方案

本文鹽凍融循環(huán)作用主要考慮兩個(gè)方面，一是融雪鹽溶液濃度，二是凍融循環(huán)的次數(shù)。相關(guān)研究表明，高濃度氯鹽對瀝青路面性能的影響較小，而氯鹽濃度為4%左右時(shí)，瀝青路面性能衰減較快，隨著鹽凍融循環(huán)次數(shù)的增加瀝青路面的性能呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。本文在橡膠SBS 復(fù)合改性AC-13C 混合料的基礎(chǔ)上，摻入0.8%的AMPS 聚合物改性劑，并對瀝青混合料的抗鹽凍融能力展開研究。在基準(zhǔn)條件下、0% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次及4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次三種試驗(yàn)環(huán)境下對混合料進(jìn)行路用性能研究，其中，鹽凍融循環(huán)的方案為：NaCl 鹽溶液濃度為4%，凍融循環(huán)次數(shù)為5 次，在-18℃的環(huán)境下凍4h，然后25℃的環(huán)境下融4h 為一個(gè)凍融循環(huán)，進(jìn)行模擬季節(jié)性冰凍區(qū)5 年的季節(jié)交替。為保證試驗(yàn)條件接近實(shí)際情況，收集同一天內(nèi)的雨水進(jìn)行研究。

3.2 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是瀝青路面最重要的性能。夏季高溫天氣路表溫度往往會(huì)超過60℃，局部炎熱地區(qū)甚至?xí)^70℃，瀝青路面在高溫及車輛軸載重復(fù)作用下，抗剪切能力降低，極易發(fā)生永久性塑性變形，這些病害的出現(xiàn)嚴(yán)重影響行車安全，車轍、擁包、推移及泛油病害的出現(xiàn)是瀝青路面高溫穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式［16-18］。本文選用室內(nèi)60℃車轍試驗(yàn)對兩種混合料進(jìn)行高溫抗車轍性能研究，不同試驗(yàn)環(huán)境下動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Dynamic stability test results

由圖2 可以得出：兩種混合料在不同試驗(yàn)環(huán)境下動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果均滿足1-3 區(qū)改性瀝青混合料不低于2800 次/mm 的規(guī)范要求，且在4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次后的SAC-13C 混合料試驗(yàn)結(jié)果仍能達(dá)到5349 次/mm；上述三種試驗(yàn)環(huán)境下，兩種混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果均逐漸降低，摻AMPS 的SAC-13C 混合料試驗(yàn)結(jié)果降低幅度小得多，且相同試驗(yàn)環(huán)境下，摻AMPS 聚合物的SAC-13C 混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于常規(guī)AC-13C混合料，表明AMPS 的摻入能夠改善混合料鹽凍融循環(huán)后混合料的高溫抗車轍能力。

3.3 低溫抗裂性

目前，瀝青路面低溫開裂病害的研究仍在不斷完善，導(dǎo)致低溫開裂的因素有多種，主要包括原材料質(zhì)量、施工工藝、外界環(huán)境、交通量及運(yùn)營年限等。低溫環(huán)境下瀝青路面在車輛軸載作用下極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的允許拉應(yīng)力低于溫縮應(yīng)力而發(fā)生開裂，裂縫、塊狀裂縫及龜裂等病害的出現(xiàn)是瀝青路面低溫抗裂性差的主要表現(xiàn)形式［19-22］。本文選用-10℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)來評(píng)價(jià)兩種混合料的低溫抗開裂能力，不同試驗(yàn)環(huán)境下彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Bending failure strain test results

由圖3 可以得出：基準(zhǔn)條件下，SAC-13C 混合料彎曲破壞應(yīng)變小于 AC-13C，但仍滿足1-3 區(qū)改性混合料不低于2500με 的規(guī)范要求；0% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次及4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次兩種環(huán)境下兩種混合料彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果均逐漸下降，但摻AMPS 的SAC-13C混合料降低幅度較AC-13C 混合料小得多，這主要因?yàn)锳MPS 的摻入會(huì)降低混合料的黏韌性，低溫環(huán)境下彎曲破壞應(yīng)變降低，但會(huì)大大提高混合料的抗鹽凍能力，鹽凍循環(huán)次數(shù)越多效果越明顯。

3.4 水穩(wěn)定性

水損害是夏季多雨地區(qū)瀝青路面最常見的病害形式。瀝青路面在雨水、使用年限、紫外線、溫縮應(yīng)力及車輛軸載綜合作用下，瀝青膠漿極易從骨料之間剝落，坑槽、松散等病害的出現(xiàn)是瀝青路面水穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式［23-25］。本文選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)對兩種混合料進(jìn)行抗水損害性能研究，不同試驗(yàn)環(huán)境下浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5 所示。

圖4 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Immersion Marshall residual stability test results

圖5 凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of freeze-thaw splitting residual strength ratio

由圖4、圖5 可以得出：基準(zhǔn)條件下，SAC-13C 混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果均小于 AC-13C，但仍滿足1-3 區(qū)改性混合料分別不低于85%、80% 的規(guī)范要求；0% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次及4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次兩種環(huán)境下兩種混合料試驗(yàn)結(jié)果均有所降低，但摻AMPS 的SAC-13C 混合料降低幅度較AC-13C 混合料小得多，且試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于AC-13C 混合料，表明AMPS 的摻入能有效改善橡膠SBS 復(fù)合改性瀝青混合料鹽凍循環(huán)作用下的抗水損害能力。

3.5 疲勞性能

瀝青路面隨著使用年限增加及車輛軸載的重復(fù)作用會(huì)發(fā)生疲勞破壞，當(dāng)荷載應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)層的極限破壞強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生開裂，這些病害是瀝青路面常見的疲勞損傷現(xiàn)象［26-28］。本文選用UTM-25 疲勞試驗(yàn)機(jī)來評(píng)價(jià)兩種混合料的抗疲勞性能，試件尺寸為長380mm× 高50mm× 寬63mm 的小梁試件，采用應(yīng)變控制加載模式，以 400με 應(yīng)變水平進(jìn)行加載，試驗(yàn)波形為正弦波，頻率選用10Hz，試驗(yàn)溫度20℃，不同試驗(yàn)環(huán)境下疲勞次數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果Fig. 6 Fatigue performance test results

由圖6 可以得出：基準(zhǔn)條件、0% 鹽濃度凍融循環(huán) 5次及4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次三種試驗(yàn)環(huán)境下兩種混合料疲勞次數(shù)試驗(yàn)結(jié)果均逐漸降低，且SAC-13C 混合料降低幅度較AC-13C 混合料小得多；相同條件下?lián)紸MPS的SAC-13C 混合料的試驗(yàn)結(jié)果均大于AC-13C 混合料，表明AMPS 的摻入能有效改善橡膠SBS 復(fù)合改性瀝青混合料鹽凍融環(huán)境下的抗疲勞性能。

4 結(jié)論

本文通過對橡膠SBS 復(fù)合改性AC-13C 及摻0.8% AMPS的SAC-13C 兩種瀝青混合料進(jìn)行配合比及高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水損害及疲勞等路用性能研究，得出以下結(jié)論：

（1）0% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次、4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次兩種試驗(yàn)環(huán)境下橡膠SBS 復(fù)合改性AC-13C 及摻0.8% AMPS 的SAC-13C 兩種瀝青混合料路用性能均有不同程度的降低。

（2）基準(zhǔn)條件下，AMPS 的摻入能夠改善橡膠SBS 復(fù)合改性瀝青混合料的高溫抗車轍及疲勞性能；0%鹽濃度凍融循環(huán) 5 次、4% 鹽濃度凍融循環(huán) 5 次兩種試驗(yàn)環(huán)境下，摻0.8% AMPS 的SAC-13C 瀝青混合料的相關(guān)路用性能的降低幅度較AC-13C 混合料小得多，表明AMPS 的摻入能有效改善橡膠SBS 復(fù)合改性瀝青混合料鹽凍融循環(huán)作用下的路用性能。

本研究瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果是在鹽濃度為4% 及鹽凍融循環(huán)5 次的基礎(chǔ)上得出的，不同鹽濃度及不同鹽凍融循環(huán)次數(shù)作用下瀝青混合料路用性能的變化趨勢還需進(jìn)一步的研究。