鹽凍融循環(huán)對瀝青混合料性能的影響因素研究*

王 嵐，弓寧寧，邢永明

(內蒙古工業(yè)大學 土木工程學院，呼和浩特 010051)

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鹽凍融循環(huán)對瀝青混合料性能的影響因素研究*

王 嵐，弓寧寧，邢永明

(內蒙古工業(yè)大學 土木工程學院，呼和浩特 010051)

為了研究瀝青混合料在凍融循環(huán)及除冰鹽溶液共同作用下的抗裂性能，在斷裂力學理論基礎上，采用半圓試件彎拉實驗，并通過J積分來評價瀝青混合料的抗裂性能；利用極差分析法原理和灰色關聯(lián)熵分析法原理深入分析瀝青種類、凍融循環(huán)次數(shù)和除冰鹽濃度對瀝青混合料抗裂性能的影響。結果表明，鹽凍融循環(huán)作用下，對斷裂韌度影響程度的大小關系為瀝青種類>凍融循環(huán)次數(shù)>除冰鹽濃度；與基質瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和復合膠粉改性瀝青混合料相比，橡膠粉改性瀝青混合料具有更好的抗裂性；隨著凍融循環(huán)次數(shù)及鹽濃度的增加，混合料的抗裂性逐步降低。

瀝青混合料；鹽凍融循環(huán)；極差分析法；灰色關聯(lián)熵分析法

0 引 言

在中國北方地區(qū)，冬季氣溫較低，冰凍持續(xù)時間長，持續(xù)降雪或大雪容易導致高速公路和城市道路出現(xiàn)堵塞。為了保證交通順暢和行駛安全，許多道路工程采用撒鹽快速除冰融雪的辦法解決交通堵塞和預防路面繼續(xù)冰凍的問題。但是除冰鹽溶液容易進入瀝青混合料內部，產生一系列物理、化學反應，出現(xiàn)瀝青軟化、瀝青膜剝落、集料松散等病害。

目前，國內外已有許多學者對此進行了研究。王抒音等通過研究瀝青混合料隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的強度遞減規(guī)律，提出以凍融循環(huán)劈裂比來評價瀝青混合料抗水損害能力[1]。李兆生、譚憶秋等根據損傷變量隨凍融次數(shù)的變化曲線特點將瀝青混合料的凍融損傷過程劃分為快速損傷期、穩(wěn)定損傷期及損傷發(fā)展期3個階段[2]；頓珠次仁通過凍融循環(huán)作用后的瀝青混合料試件彎曲實驗，分析了凍融循環(huán)次數(shù)對瀝青混合料低溫彎拉特性的影響。實驗結果表明，在凍融循環(huán)作用下，瀝青混合料低溫彎拉特性均有所降低；經歷15次凍融循環(huán)作用后，瀝青混合料的低溫抗彎拉強度、彎拉應變和破壞勁度模量的衰減逐漸趨于穩(wěn)定[3]。Mull等采用帶切口的半圓試件評價了橡膠瀝青混合料的抗裂性能[4]；Decheng Feng、Junyan Yi等認為除冰鹽對瀝青結合料的低溫性能有重要的影響，當鹽濃度超過3%時，除冰鹽的侵蝕作用加速了瀝青混合料的破壞[5]；在鹽凍融循環(huán)過程中，有諸多因素影響著瀝青混合料的性能，徐松、唐伯明、朱洪洲利用灰色關聯(lián)熵分析方法研究了瀝青穩(wěn)定碎石的水穩(wěn)性影響因素，在諸多的因素中找出關鍵影響因素，對控制其水穩(wěn)性有重大意義[6]。

本文通過極差分析法和灰色關聯(lián)分析法對4種瀝青混合料進行不同凍融循環(huán)次數(shù)和不同除冰鹽濃度下的鹽凍融循環(huán)實驗，分析不同瀝青種類、凍融循環(huán)次數(shù)和除冰鹽濃度下，瀝青混合料的斷裂韌度的變化規(guī)律和損傷特征，為寒冷地區(qū)瀝青路面設計和除冰鹽的使用情況提供依據。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗所用瀝青為基質(MA)瀝青，遼河AH-90；SBS改性瀝青，SBS型號為4303-星型，摻量為4%；橡膠粉(CR)改性瀝青，橡膠粉采用60目顆粒，摻量為20%和復合(CCR)改性瀝青，SBS摻量2%，膠粉摻量18%，技術指標如表1所示?？紤]到與路面實際壓實狀況的符合程度，按照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中T0736-2011的方法，采用SGC (superpave gyratory compacter)旋轉壓實儀成型混合料試件，粗集料采用玄武巖，細集料采用石灰?guī)r，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，油石比均為4.8%，級配類型為AC-16，級配組成如表2所示。融雪鹽采用內蒙古烏海市永維工貿有限責任公司生產的以氯化鈣為主要成分的環(huán)保型融雪劑，見表3所示。

1.2 試件成型

為了進行半圓試件彎拉實驗和斷裂韌度JC的計算，將旋轉壓實后的試件經取芯后，采用高精度瀝青混合料專用切割設備(IPC-global)切割成型半圓試件，厚度為(25±0.5)mm，齊邊長度為(99.8±0.05)mm，然后在半圓試件跨中位置處預切口，切口深度分別為1和2 cm。

表1 改性瀝青技術指標

表2 瀝青混合料級配組成

表3 融雪劑參數(shù)

1.3 鹽凍融循環(huán)實驗設計

由于現(xiàn)行規(guī)范中評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的標準凍融劈裂實驗不能真實地模擬瀝青混合料在凍融循環(huán)及除冰鹽溶液共同作用下的路面狀況，本文將半圓試件浸泡在水中和不同濃度的除冰鹽溶液中，利用高低溫濕熱交變實驗箱，在-20 ℃下持續(xù)冰凍8 h，然后緩慢升溫至25 ℃持續(xù)4 h，完成一次凍融循環(huán)。

由于該實驗涉及多因素、多水平實驗，為了減少實驗量同時能獲得較全面的數(shù)據分析結果，采用正交實驗方法設計該實驗。實驗考慮了3個影響因素：瀝青種類、凍融循環(huán)次數(shù)和除冰鹽濃度，每個因素取3個水平，影響因素及水平見表4所示。

表4 正交實驗的因素及水平

注：MAM：Matrix asphalt mixture

SBSM：SBS modified asphalt mixture

CRM：CR modified asphalt mixture

CCRM：Composite modified asphalt mixture

2 實驗數(shù)據處理的基本原理

2.1 極差分析法原理

極差分析法簡稱R法[7]。它包括計算和判斷兩個步驟，其內容如圖1所示。

圖1 極差分析法

(1)

用極差法分析正交實驗結果可引出以下幾個結論：Rj反映了第j列因素的水平變動時，實驗指標的變動幅度。將各列極差R的數(shù)值從大到小的排列。R越大，說明該因素對實驗指標的影響越大。依據極差的大小，就可以判斷因素的主次。將計算結果繪制成趨勢圖可直觀地觀察實驗指標隨各因素的變化趨勢。

2.2 灰色關聯(lián)熵分析法原理

灰熵分析法是一種系統(tǒng)分析方法[8-9]，可以在“小樣本、貧信息"的條件下進行分析，通過一定數(shù)據處理，在隨機的因素序列中找到其關聯(lián)性，提煉出影響系統(tǒng)的主要因素、主要特征和因素間對系統(tǒng)影響的差別，其分析步驟如下。

2.2.1 均值化處理

對選定的數(shù)據進行均值化處理：設

為參考列

為比較列，按

(k=1,2,...,n;i=1,2,...,m)

進行均值化，得無量綱參考列

x0=[x0(1),x0(2),...,x0(n)]

無量綱比較列

(k=1,2,...,n;i=1,2,...,m)

2.2.2 灰熵關聯(lián)系數(shù)

比較列與參考列之間的關聯(lián)系數(shù)為

(2)

2.2.3 灰熵關聯(lián)度

灰熵關聯(lián)度

(3)

2.2.4 灰關聯(lián)熵和灰熵關聯(lián)度

灰關聯(lián)熵

(4)

灰熵關聯(lián)度

(5)

其中

Hmax=lnn

n為由n個元素組成的差異信息列的最大值。

2.2.5 關鍵因素

比較列的灰熵關聯(lián)度越大，則比較列與參考列的關聯(lián)性越強，從而找出關鍵因素。

為確定除雪鹽濃度、凍融循環(huán)次數(shù)對不同種瀝青混合料的影響程度，本文通過灰關聯(lián)熵分析，確定鹽凍融循環(huán)后瀝青混合料性能變化的主要影響因素。

3 實驗結果與分析

3.1 J積分理論

彈塑性斷裂力學的J積分是一個與線路無關的能量積分，它是裂縫尖端附近彈塑性場強弱的一個平均值，無論是線彈性還是非線性的荷載-位移關系，均可采用J積分對瀝青混合料的斷裂性能進行描述。Little等采用半圓彎拉實驗(SCB)實驗方法研究瀝青混合料的斷裂性能，認為用斷裂韌度JC作為瀝青混合料的斷裂參數(shù)是合適的，且斷裂韌性越大其抗裂性能越好[10]。

為了確定J積分值， 采用不同預切口深度的半圓試件進行SCB實驗，SCB實驗中斷裂韌性的取得基于如下公式

(6)

式中，U1、U2為兩種不同鋸縫深度試件的斷裂應變能；a1、a2為兩種鋸縫深度；B1、B2為兩種不同鋸縫深度的試件厚度。

3.2 極差分析實驗結果

按照表4進行正交實驗，實驗共16組，每組進行3次平行實驗，取3組實驗的平均值作為該組實驗的結果。采用正交實驗的極差分析法，得到圖2和3所示的各因素對斷裂韌度jC的影響規(guī)律。

圖2 各因素對斷裂韌度的極差分析

Fig 2 Range analysis of various factors on the fracture toughness

圖3 除冰鹽濃度對斷裂韌度的影響

Fig 3 Deicing salt concentration effect on the fracture toughness

極差R的計算公式如下

(7)

圖2中采用極差的大小來表征各影響因素對瀝青混合料在鹽凍融循環(huán)作用下抗裂性能的影響程度，在所選的3個因素中，對斷裂韌度影響程度的大小關系為：瀝青種類>凍融循環(huán)次數(shù)>除冰鹽溶液濃度。

表5 正交實驗結果

圖3為除冰鹽濃度對鹽凍融破壞下瀝青混合料的抗裂性能的影響，隨著濃度的增加斷裂韌度也隨之下降。當除冰鹽濃度為4%，8%時，其變化趨勢居于平緩；當除冰鹽濃度為12% 時，對瀝青混合料的破壞變大；由此可知，瀝青混合料的抗裂性能隨著除冰鹽的濃度增大而減小。其原因是瀝青混合料的鹽凍破壞既包括除冰鹽溶液對瀝青混合料的侵蝕作用，又包括水的凍脹力對混合料內部的凍融損傷，而除冰鹽的侵蝕作用主要體現(xiàn)在除冰鹽溶于水后電離出極性很強的Na+、Ca+和Cl-，比瀝青對集料有更強的吸附能力，因此對瀝青產生剝離作用，引起瀝青和集料的粘結力下降；隨著除冰鹽濃度的增大，溶液中Na+、Ca+和Cl-也相應增多，對瀝青的剝離作用也越來越強，但是隨著除冰鹽濃度不斷增大，瀝青混合料孔隙中水的體積占有量變小，溶液結冰產生的體積膨脹率就越來越小，而除冰鹽離子跟瀝青搶奪對集料表面的吸附，致使瀝青從集料表面剝離。除冰鹽溶液中有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，為降低表面能，集料表面會吸附物質使表面能降低，兩種物質吸附得越緊密，兩種物質結合得越穩(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，兩種結合更穩(wěn)定，這就導致瀝青從集料表面脫離發(fā)生剝離侵蝕破壞[11]。因此，隨著除冰鹽濃度的增加，瀝青混合料的抗裂性能逐漸下降。

3.3 灰色關聯(lián)熵分析實驗結果

極差分析方法可以反映瀝青混合料種類、除冰鹽溶液濃度對瀝青混合料的影響大小，但由于本文瀝青種類和除冰鹽溶液濃度兩個因素均為4個變量，因此正交設計必須符合4×4×4矩陣，凍融循環(huán)次數(shù)只能取4個變量，忽略了第25次凍融循環(huán)后試件的指標分析。因此，無法準確反映凍融循環(huán)次數(shù)對瀝青混合料性能的影響。實驗有一定的弊端，為此對以上實驗數(shù)據進行灰關聯(lián)分析。

分別取鹽凍循環(huán)后的鹽濃度、凍融循環(huán)次數(shù)作為比較序列，將SBSM、CRM、CCRM的斷裂韌度作為參考列，具體數(shù)據見表5所示。

圖4 各因素對不同瀝青混合料的灰熵關聯(lián)度圖

圖5 瀝青種類對斷裂韌度的影響

圖3已經解釋了化學破壞，但物理破壞機理起主導作用。瀝青混合料鹽結晶破壞是指在溫度循環(huán)作用下，瀝青混合料孔隙中的鹽溶液因過飽和而結晶，當瀝青混合料孔隙中鹽結晶超過一定量時，將產生鹽結晶壓力，從而引起瀝青混合料破壞。除了結晶破壞，鹽對瀝青混合料的化學侵蝕破壞是指當瀝青混合料浸泡在鹽溶液中，因鹽侵蝕作用而產生的一種破壞形式。根據靜水壓理論、滲透壓力理論、冰晶生長理論分析，在冰凍地區(qū)，鹽溶液在凍融循環(huán)作用下進入瀝青混合料內部有3個階段：收縮-溶液吸入階段、結冰膨脹-溶液遷移階段、融化平衡階段。(1) 收縮-溶液吸入階段：結冰前孔隙內溶液和空氣冷凍收縮，一旦毛細管與外面的鹽溶液相通，收縮產生的負壓就吸入外面的溶液以填充部分收縮產生的空間，該過程直到與外面相連的空氣因結冰堵塞而停止。這個階段吸入的溶液量對凍融結束后瀝青混合料內溶液增加量，或者最終飽水度的增加至關重要，它主要取決于瀝青混合料內溶液和空氣冷凍收縮產生的負壓、結冰速度和溶液進入毛細管的阻力或滲透性。負壓越大，結冰速度越慢或冰水共存時間越長，以及滲透性越大，則瀝青混合料吸入溶液量越多，飽水度增長越快，即瀝青混合料破壞越快；(2) 結冰-溶液遷移階段。首先在表層的孔內結冰，并把與表面相連的孔口堵塞，同時使內部的孔隙內溶液處在冰水共存階段。當孔內的飽水度低于產生結冰壓的臨界飽水度前，在蒸汽壓差的作用下，周圍未凍水分向表層結冰的孔內遷移；一旦孔內的飽水度超過該臨界飽水度時，就將產生結冰膨脹壓力，它將驅使部分未凍溶液向瀝青混合料內部遷移(因向外的孔口被冰晶體堵塞)，該過程直到孔隙內溶液全部結冰而停止。這個階段是溶液由表層向內部遷移的關鍵階段，對吸入溶液最終滯留在瀝青混合料內的比例或飽水度的提高也很重要，它主要取決于瀝青混合料內溶液結冰產生的壓力大小。在整個凍融循環(huán)過程中，最大破壞力就出現(xiàn)在這個階段?？紫秲冉Y冰壓越高，吸入的溶液能更多地壓入瀝青混凝土內部；(3) 融化平衡階段。首先在靠近瀝青混合料表面孔隙內的冰開始融化，孔內溶液處在冰水共存階段，因孔口的冰塞已融化，部分融化溶液在殘余結冰壓的驅使作用下向外遷移；當冰融化并隨著溫度的升高，孔隙內的溶液和空氣開始膨脹，與冷凍前相比，因吸入的溶液占據了部分原來的空間，其膨脹將在孔內形成正壓力，它將驅使部分溶液和空氣向瀝青混凝土表面排除，該過程直到瀝青混凝土內外溫度平衡而停止。在這個階段，瀝青混合料內部的飽水度不是增加，而是降低。但與凍前相比，因部分空氣被排出和部分吸入溶液被壓入瀝青混凝土內部，最終凍融結束時，瀝青混合料內部的溶液量將增加，即飽水度將提高。正是由于在凍融循環(huán)條件下，瀝青混合料內部產生了這種額外的熱脹冷縮作用或泵的抽壓作用，以及結冰壓的作用，在凍融循環(huán)作用下瀝青混合料內部的殘留水隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多而逐漸增多并且向瀝青混合料內部孔隙不斷滲入。瀝青混合料內部的除冰鹽溶液濃度也隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而增加。在凍的過程中，當溫度降低的時候產生的負壓，由于除冰鹽溶液濃度的提高而變得更大，導致更多的鹽溶液通過孔隙進入到瀝青混合料的內部；在融的過程中，將產生更大的正應力，應力把瀝青混合料孔隙內部的除冰鹽溶液壓向更深的孔隙中。在孔隙中存在的濃度差所產生的滲透壓會加大除冰鹽溶液對瀝青的剝離侵蝕作用，致使瀝青混合料的穩(wěn)定性降低、抗裂性能降低，進而導致瀝青混合料的破壞。

4 結 論

(1) 鹽凍融循環(huán)作用下，瀝青種類對混合料斷裂韌度的影響最顯著，凍融循環(huán)次數(shù)次之，而除冰鹽濃度影響最小。

(2) 在相同的凍融循環(huán)次數(shù)和除冰鹽濃度下，抗裂性等級：CRM混合料>SBSM混合料>CCRM混合料>MAM混合料。

(3) 隨著凍融次數(shù)及鹽濃度的增加，瀝青混合料的斷裂韌度呈下降趨勢，抗裂性越來越差。

(4) 瀝青混合料在鹽凍融循環(huán)中，鹽濃度的物理破壞機理起主導作用，其次化學破壞機理。

[1] Wang Shuyin，Tan Yiqiu. Evaluation of asphalt mixture for resistance to water damage based on freeze-thaw cycle split ratio [J]. Journal of Harbin University of C E & Architecture,2002,35(5):123-126.

[2] Li Zhaosheng,Tan Yiqiu.The effects of the freeze-thaw cycle on the mechanical properties of the asphalt mixture[J].Journal of Harbin Engineering University,2014,35(3):379-382.

李兆生,譚憶秋.凍融循環(huán)對瀝青混合料力學性能的影響[J].哈爾濱工程大學學報,2014,35(3):379-382.

[3] Dun zhuciren,Liu Jiang.Asphalt mixture at low temperature flexural characteristics analysis under the action of freeze-thaw cycle [J]. Tibet Science and Technology,2013,(10):69-71.

[4] Krans R L， Tolman F， Van de Ven M F C． Semicircular bending test: a practical crack growth test using asphalt concrete cores[C]//Maastricht: The 3th RILEM Conference on Reflective Cranking in Pavements,1996.

[5] Feng Decheng,Yi Junyan. Impact of salt and freeze-thaw cycles on performance of asphalt mixtures in coastal frozen region of China[J].Cold Regions Science and Techno-logy,2010,62: 34-41.

[6] Xu song,Tang Boming,Zhu Hongzhou.Analysis on factors influencing moisture stability of bituminous stabilized macadam based on grey correlation entropy method[J]．Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2008,27(6):1077-1078.

徐 松，唐伯明，朱洪洲,等．基于灰熵法的瀝青穩(wěn)定碎石水穩(wěn)定性影響因素分析[J]．重慶交通大學學報：自然科學版，2008,27(6):1077-1078.

[7] Zhang Litian Environmental science is commonly used in academic papers the properuse of mathematical statistics method [J].Acta Scientiae Circumstantiae,2007,27(1)：1-3.

張利田. 環(huán)境科學領域學術論文中常用數(shù)理統(tǒng)計方法的正確使用問題[J].環(huán)境科學學報，2007,27(1)：1-3.

[8] Deng J L.Properties of relational space for grey system[M].Beijing: China Ocean,1988:1-13.

[9] Xu Gaili, Lv Yuejin. Method for multiple attribute group decision making based on grey incidence[J]. Computer Engineering and Applications, 2012, 48(9): 235-237.

徐改麗，呂躍進.一種基于灰色關聯(lián)度的多屬性群決策方法[J].計算機工程與應用，2012,48(9):235-237.

[10] Little D, Mahmoub K. Engineering properties of first generation plasticized sulfur binders and low temperature fracture evaluation of plasticized sulfur paving Mixtures [C]//Washington: Transportation Research Board, 1985: 103-111.

[11] Zhang Xiaoke. Study on long-term effects of deicing salt on asphalt pavement performance[D].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2014.

張曉可.除冰鹽對瀝青路面路用性能長期影響研究[D].重慶：重慶交通大學，2014.

[12] Fu Guangwen. Research on influence of Snowmelt Agent to Performances of Asphalt and Asphalt Mixture[D].Hunan.Changsha University of Science and Technology,2010:23-47.

傅廣文，融雪劑對瀝青及瀝青混合料性能影響研究[D].湖南.長沙理工大學，2010：23-47.

Researching the influence factors of asphalt mixture performance under the damage of deicing salt and freezing-thawing cycles

WANG Lan， GONG Ningning， XING Yongming

(College of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051,China)

In order to study the crack resistance of asphalt mixture under the freeze-thaw cycle and deicing salt solution, using SCB test to complete destruction test on the basis of fracture mechanics and evaluate crack resistance of asphalt mixture through the J integral;using the range analysis and the analysis of grey entropy to analyze the impact of asphalt mixture of asphalt type, freezing and thawing cycles and deicing salt concentration.asphalts show that:the influence degree of salt freezing and thawing cycle is that:the type of asphalt >cycles>salt concentration;the rubber powder modified asphalt mixture have the best crack resistance among all of them;the crack resistance of asphalt mixture become weaker gradually along the the increase of cycling times.

asphalt mixture; salt freezing and thawing cycle; the range analysis; the analysis of grey entropy

1001-9731(2016)04-04088-06

國家自然科學基金資助項目(11462018)；內蒙古自然科學基金資助項目(2014MS0507)；內蒙古自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新資助項目(S20141012811)

2015-05-15

2015-08-12 通訊作者：邢永明，E-mail: Xym@imut.edu.cn

王 嵐 (1966-)，女，北京人，教授，博士，博士生導師，從事道路工程材料研究。

U414

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.018