溫濕度環(huán)境對(duì)瀝青混合料中低溫力學(xué)性能的影響

郭慶林，李懿明，胡俊興，李曉旭，高 穎

(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

瀝青路面服役過(guò)程中完全暴露于自然環(huán)境當(dāng)中，水分是影響瀝青路面強(qiáng)度及壽命的環(huán)境因素之一。由于瀝青混合料是一種多相復(fù)合材料[1-2]，所以水分對(duì)瀝青混合料的損害是一個(gè)包含了化學(xué)、物理學(xué)、熱動(dòng)力學(xué)以及力學(xué)等問(wèn)題的復(fù)雜現(xiàn)象[3-5]。

由于瀝青路面與路基之間存在相對(duì)濕度梯度，水汽在瀝青路面產(chǎn)生持續(xù)擴(kuò)散，最終達(dá)到平衡狀態(tài)[6-7]。眾多研究指出，在干旱和半干旱地區(qū)，例如我國(guó)的內(nèi)蒙、新疆等地區(qū)以及美國(guó)亞利桑那州均出現(xiàn)了瀝青路面水損害[8-14]，而這些地區(qū)降水稀少，因此瀝青路面水損害主要是由下臥層的水汽擴(kuò)散引起。這也說(shuō)明開(kāi)展瀝青混合料水汽損害研究的必要性。事實(shí)上，水汽比流體水更容易運(yùn)輸?shù)綖r青層中[15]，但水汽損傷的漫長(zhǎng)性增大了試驗(yàn)研究難度[10]?，F(xiàn)階段，由浸水及凍融等作用引起的瀝青混合料損傷規(guī)律已基本明確，但水汽對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響尚不清晰。此外，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)水汽在瀝青混合料中的擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行了深入研究，通過(guò)研究瀝青混合料的水汽擴(kuò)散系數(shù)[16-19]分析不同類型混合料的水氣擴(kuò)散特征，但未能明確水汽持久作用下混合料力學(xué)性能變化規(guī)律。

因此，本研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)方式，利用溫濕度環(huán)境箱控制水汽濃度，對(duì)瀝青混合料進(jìn)行水汽環(huán)境浸潤(rùn)，然后利用動(dòng)態(tài)間接拉伸勁度模量和低溫劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)水汽作用對(duì)瀝青混合料中低溫性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本研究試驗(yàn)采用AH-70#瀝青，瀝青基本指標(biāo)列于表1。試驗(yàn)所用玄武巖集料，粗集料密度為2.723 g/cm3, 細(xì)集料密度為2.710 g/cm3，試驗(yàn)級(jí)配為瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范推薦的AC-13型中值級(jí)配，瀝青混合料最佳油石比為4.8%。

表1 AH-70#瀝青性能Tab.1 Properties of asphalt AH-No.70

1.2 試驗(yàn)方案

在水汽環(huán)境作用下，瀝青混合料會(huì)吸收水汽，導(dǎo)致自身增重，對(duì)水汽吸收量的測(cè)試既要保證測(cè)試精度，又要注意稱量設(shè)備量程，另外根據(jù)Pang等[20]人的研究結(jié)果，馬歇爾擊實(shí)法制作的試件，大孔隙多集中于上下表面，因此為了避免試件表面空隙率分布不均帶來(lái)的影響，試驗(yàn)中對(duì)φ101.6 mm的馬歇爾試件進(jìn)行切割，去除上下表面部分，采用中間20 mm 的圓盤試件開(kāi)展試驗(yàn)，每組6個(gè)平行試件。本研究中溫濕度環(huán)境采用自行設(shè)計(jì)的溫濕度環(huán)境箱控制試驗(yàn)環(huán)境，環(huán)境箱濕度通過(guò)飽和鹽溶液控制，試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄溫濕度數(shù)據(jù)，從而保證試件處理精度。溫濕度環(huán)境作用時(shí)間為30 d，整個(gè)試驗(yàn)共耗時(shí)90 d完成。溫濕度控制條件見(jiàn)表2。對(duì)照組試件在室溫干燥器中靜置30 d。

表2 溫濕度控制條件Tab.2 Temperature and humidity control conditions

不同環(huán)境作用結(jié)束后，使用高精度電子秤稱得試件重量并記為M30 d，試件初始重量為M0，由式(1)計(jì)算吸濕率θ。

(1)

按照EN 12697-26標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定不同試件在20 ℃的動(dòng)態(tài)勁度模量，從而評(píng)定不同水汽環(huán)境對(duì)瀝青混合料中溫性能的影響。在開(kāi)啟Cooper試驗(yàn)機(jī)后，設(shè)置溫度為20 ℃，將試件置于環(huán)境箱中，待環(huán)境箱溫度基本恒定后，保溫6 h，開(kāi)始動(dòng)態(tài)勁度模量測(cè)試。按式(2)計(jì)算動(dòng)態(tài)勁度模量。

(2)

式中，F(xiàn)為峰值荷載；μ為泊松比，取μ=0.35；Z為水平方向上的變形；h為試件的高度。

為了分析不同水汽環(huán)境處理后瀝青混合料低溫性能的變化情況，采用1 mm/min的加載速率進(jìn)行低溫間接拉伸試驗(yàn)，在試驗(yàn)開(kāi)始前將完成水汽浸潤(rùn)的試件放入-10 ℃的恒溫箱中，保溫24 h后，將試件取出在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行間接拉伸試驗(yàn)。在此過(guò)程中利用數(shù)字散斑圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)定試件表面的拉伸應(yīng)變，測(cè)定標(biāo)距為50 mm。利用式(3)可以確定劈裂強(qiáng)度。

(3)

式中，RT為劈裂抗拉強(qiáng)度；PT為試驗(yàn)荷載最大值；h為試件的高度；E為彈性模量；a為壓條寬度；d為試件厚度。利用式(4)分析不同作用對(duì)瀝青混合料低溫模量的影響[21]。

(4)

式中，ΔU=U1-U2，ΔV=V1-V2；ΔP=P1-P2為試件中心周圍標(biāo)距長(zhǎng)度為50 mm的區(qū)域內(nèi)的水平和垂直位移。P1，P2為與U1，U2和V1，V2相對(duì)應(yīng)的荷載；β1，β2，γ1，γ2取值分別為：-0.021 5，-0.006 2，0.004 7，0.015 7。

此外，采用斷裂能、耗散蠕變應(yīng)變能和彈性應(yīng)變能評(píng)價(jià)不同水汽環(huán)境對(duì)混合料低溫?cái)嗔涯艿挠绊?。斷裂能、耗散蠕變?yīng)變能和彈性應(yīng)變能的聯(lián)系如圖1所示，它們可按照式(5)～(7)計(jì)算得到。

(5)

(6)

DCSE=FE-EE，

(7)

式中，RT為間接拉伸強(qiáng)度；E為楊氏模量；EE為彈性應(yīng)變能；FE為斷裂能，即σt-εt曲線下至破壞點(diǎn)的面積；DCSE為耗散蠕變應(yīng)變能；εf為破壞應(yīng)變；σt為應(yīng)力，ε為應(yīng)變。

2 結(jié)果與討論

2.1 國(guó)內(nèi)水汽濃度統(tǒng)計(jì)分析

為了確定溫濕度環(huán)境的典型值，本研究選取國(guó)內(nèi)5個(gè)典型氣候類型中43個(gè)地區(qū)作為調(diào)查對(duì)象，以年為周期，統(tǒng)計(jì)一年內(nèi)各地區(qū)的月平均溫度和平均相對(duì)濕度。并根據(jù)溫度及相對(duì)濕度數(shù)據(jù)計(jì)算絕對(duì)濕度，不同地區(qū)溫度與絕對(duì)濕度關(guān)系如圖1所示。

圖1 DCSE示意圖Fig.1 Schematic diagram of DCSE

圖2 溫度與絕對(duì)濕度關(guān)系Fig.2 Relation between temperature and absolute humidity

從圖2可以看出，各地區(qū)絕對(duì)濕度隨溫度升高呈現(xiàn)冪指數(shù)升高的趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)的43個(gè)地區(qū)，溫度范圍為-30～30 ℃。溫度較低時(shí)(-30～0 ℃)，絕對(duì)濕度偏低，均小于5 g/m3。隨著溫度升高，當(dāng)溫度超過(guò)5 ℃后，絕對(duì)濕度迅速增大，但各地區(qū)絕對(duì)度最大值未超過(guò)25 g/m3。考慮到路面實(shí)際工作溫度會(huì)有很長(zhǎng)時(shí)域超過(guò)30 ℃，且羅晶[22]等人研究指出當(dāng)相對(duì)濕度大于80%時(shí)，水汽會(huì)造成混合料黏附性顯著下降，綜合大氣絕對(duì)濕度環(huán)境特點(diǎn)和瀝青混合料實(shí)際服役所處的環(huán)境溫度，本研究選取5，25 ℃和40 ℃這3個(gè)溫度作為水汽環(huán)境溫度，根據(jù)圖2中絕對(duì)濕度與溫度關(guān)系曲線確定該溫度下相應(yīng)的相對(duì)濕度水平，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用飽和KCl溶液控制相對(duì)濕度時(shí)，可以達(dá)到與實(shí)際大氣環(huán)境近似的溫濕度環(huán)境，因此最終確定采用此3組工況作為本研究的試驗(yàn)工況；第1組5 ℃/87.7%，第2組25 ℃/82%和第3組40 ℃/82%，分別對(duì)應(yīng)低溫水汽工況、中溫水汽工況、高溫高濕工況。

2.2 瀝青混合料吸濕性

由表3可以看出試樣吸濕率隨溫度和絕對(duì)濕度的增加而下降。試件在絕對(duì)濕度為18.94 g/m3的條件下比在5.98 g/m3條件下，吸濕率下降了9.07%；當(dāng)絕對(duì)濕度為41.97 g/m3時(shí)，吸濕率相比于第2組降幅明顯，下降了22.44%。此時(shí)相對(duì)濕度不變而溫度升高了15 ℃，由此可見(jiàn)溫度是影響吸濕率變化的主要因素。由于水汽在環(huán)境箱和試件內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)是動(dòng)態(tài)平衡的，溫度升高時(shí)，水分子獲得更多的能量，運(yùn)動(dòng)速度加快，試件吸入、呼出水分子的頻率加快，試件內(nèi)部水汽擴(kuò)散到環(huán)境箱中的比例提高，因此吸濕率降低。

表3 各組別30 d吸濕率Tab.3 Moisture absorption rates of each group at 30 days

2.3 水汽環(huán)境對(duì)混合料模量的影響

由圖3可以看出，低溫楊氏模量和中溫動(dòng)態(tài)勁度模量均隨溫濕度變化而變化，第1組～第3組絕對(duì)濕度增大，水汽作用導(dǎo)致楊氏模量和動(dòng)態(tài)勁度模量下降。2種模量的降低一方面與溫度有關(guān)，另一方面與瀝青的自發(fā)乳化有關(guān)。對(duì)比不同組別可以看出，第1組和第2組環(huán)境條件下的Sm和E與對(duì)照組相比變化不大，分別下降了4.1%和16.91%以及8.49%和12.93%。但試件在高溫高濕條件作用30 d后，E和Sm均有明顯降低，E降低了約72%，而Sm約降低了34%，這說(shuō)明高溫高濕對(duì)中低溫模量具有顯著影響。對(duì)比E和Sm的降低幅度可以看出，低溫模量對(duì)水汽影響更敏感，因此下文著重對(duì)混合料低溫指標(biāo)變化情況開(kāi)展分析。

圖3 不同溫濕度影響下模量變化規(guī)律Fig.3 Variations of modulus under influence of different temperatures and humidities

2.4 溫濕度對(duì)混合料低溫抗裂性的影響

由圖4可知，隨著溫度和絕對(duì)濕度的增加劈裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，劈裂強(qiáng)度越小表明水損程度越大，試件的抗裂性越差。對(duì)照組的劈裂強(qiáng)度值為3.40 MPa，第1組和第2組環(huán)境處理過(guò)的試件劈裂強(qiáng)度變化不大，當(dāng)試件經(jīng)過(guò)第3組的環(huán)境條件處理后，劈裂強(qiáng)度為2.80 MPa，下降了17.65%。水汽濃度越大，更多的水分子會(huì)通過(guò)氣孔遷移，并通過(guò)瀝青膜上的空隙擴(kuò)散到瀝青-集料交界面，在油石界面形成水敏感層，這會(huì)削弱瀝青層相對(duì)厚度，導(dǎo)致油石界面黏結(jié)性能的降低[23]，從而引起劈裂強(qiáng)度下降。破壞應(yīng)變隨著環(huán)境條件的變化呈現(xiàn)出相反的規(guī)律，破壞應(yīng)變?cè)诟邷馗邼裉幚砗竺黠@增大，相比與對(duì)照組上升了88.04%。破壞應(yīng)變的提高與瀝青性質(zhì)的變化有著密切關(guān)系，水分子進(jìn)入進(jìn)瀝青時(shí)在瀝青分子鏈之間擴(kuò)散并占據(jù)分子鏈之間的位置。因此，分子鏈之間的距離增加，瀝青變得更軟，破壞應(yīng)變?cè)黾覽1]。

圖4 不同溫濕度影響下低溫劈裂強(qiáng)度與破壞應(yīng)變Fig.4 Low temperature strength and failure strain under influence of different temperatures and humidities

由圖5中可以看出，隨著不同組別絕對(duì)濕度的上升，F(xiàn)E，EE以及DCSE都出現(xiàn)不同程度的下降。經(jīng)過(guò)第1組、第2組環(huán)境條件處理后，F(xiàn)E，DCSE相比于對(duì)照組下降幅度較小，尤其是第1組條件，分別下降了5.75%和6.57%。研究表明，DCSE和FE越大試件的水損程度越低、抗裂性越好[24-26]。因此，第1組條件下的水汽環(huán)境對(duì)試件的損傷程度最小。對(duì)比不同組別可以看出，試件經(jīng)過(guò)高溫高濕條件處理后，F(xiàn)E和DCSE降幅最大，分別為21.57%和30.68%。DCSE和FE的大小與瀝青混合料的2種強(qiáng)度密切相關(guān)，一種是油石界面的黏結(jié)強(qiáng)度，另一種是瀝青的黏聚強(qiáng)度。第3組的水汽環(huán)境使試件的損傷程度較大，因此DCSE和FE較低。另外，對(duì)比圖5中的4組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，斷裂能和耗散蠕變應(yīng)變能表現(xiàn)出明顯的溫度相關(guān)性，即溫度越高，DCSE和FE越低，這與Das等[27]人的研究結(jié)果一致。

圖5 溫濕度環(huán)境影響下開(kāi)裂能量變化規(guī)律Fig.5 Variations of fracture energy under influence of temperature and humidity environment

通過(guò)各指標(biāo)變化規(guī)律可以看出，各個(gè)指標(biāo)的變化程度并不一致。因此，本研究采用指標(biāo)變化率來(lái)分析經(jīng)過(guò)不同溫濕度環(huán)境條件處理后各個(gè)指標(biāo)對(duì)水汽作用的敏感程度。

由圖6可以看出，試件在第3組環(huán)境條件下的水損程度明顯高于第1組和第2組環(huán)境，說(shuō)明高溫高濕環(huán)境對(duì)混合料的性能最不利。對(duì)比相同環(huán)境條件下不同指標(biāo)的變化率可以看到，經(jīng)過(guò)第1組(5 ℃/87.7%)環(huán)境條件處理后，楊氏模量的變化率最大，約為17%；而劈裂強(qiáng)度的變化率最小，約為0.88%。經(jīng)過(guò)第2組(25 ℃/82%)環(huán)境條條件處理后，仍然是楊氏模量的變化率最大，約為13%，變化率最小的是破壞應(yīng)變，約為2%。經(jīng)過(guò)第3組(40 ℃/82%)環(huán)境條件處理后，破壞應(yīng)變的變化率最大，約為88%，楊氏模量次之，約為72%；彈性應(yīng)變能的變化率最小，約為15%。綜上所述，楊氏模量對(duì)不同溫濕度環(huán)境的敏感性較高，因此可以更準(zhǔn)確地表征不同溫濕度環(huán)境處理對(duì)試件力學(xué)性能的影響程度。

圖6 各指標(biāo)相比對(duì)照組變化率Fig.6 Change rate of each indicator compared to control group

3 結(jié)論

本研究研究了不同水汽環(huán)境對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性能的影響，對(duì)我國(guó)典型地區(qū)的絕對(duì)濕度分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并確定了3種典型水汽作用環(huán)境。對(duì)不同絕對(duì)濕度下水汽浸潤(rùn)30 d后的瀝青混凝土試件進(jìn)行了中低溫間接拉伸試驗(yàn)，通過(guò)分析可以得出如下結(jié)論：

(1)分析我國(guó)5個(gè)氣候類型43個(gè)地區(qū)各月的平均氣溫和平均濕度可以看出我國(guó)各地區(qū)全年絕對(duì)濕度均在25 g/m3以下，絕對(duì)濕度和溫度呈現(xiàn)明顯的冪指數(shù)關(guān)系，絕對(duì)濕度隨著溫度的增加而上升。

(2)瀝青混混凝土的吸濕率隨著溫度和濕度的增加呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，在高溫高濕狀態(tài)下吸收水分有限。

(3)相對(duì)于中溫勁度模量，低溫模量對(duì)水汽作用更敏感，高溫高濕將導(dǎo)致中低溫模量的顯著下降，溫濕度環(huán)境對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性影響顯著。高溫高濕環(huán)境將導(dǎo)致瀝青混合料低溫破壞應(yīng)變?cè)龃?，抗裂?qiáng)度降低，并且導(dǎo)致低溫破壞能量衰變。高溫高濕環(huán)境對(duì)瀝青混合料最不利。楊氏模量可以更準(zhǔn)確地表征不同溫濕度環(huán)境對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響。