硫酸鹽凍融循環(huán)條件下瀝青性能評(píng)價(jià)

熊 銳，馮寶珠，喬 寧，紀(jì) 括，王昊宇

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710061)

0 引 言

瀝青混合料作為主要筑路材料，長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，容易受到各種外界因素的影響，引發(fā)不同程度的破壞。鹽蝕環(huán)境對(duì)瀝青路面使用品質(zhì)及耐久性的影響，已成為業(yè)界頗為關(guān)注的問題[1-4]。無論是在西部鹽湖、鹽漬土地區(qū)，還是含鹽高濕的瀕海地區(qū)，自然環(huán)境中富集的氯鹽和硫酸鹽類微粒與瀝青路面直接接觸，且在季節(jié)性凍融循環(huán)的協(xié)同作用下，瀝青混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸降低，導(dǎo)致路用性能劣化，影響路面壽命。

傅廣文[5]認(rèn)為鹽分能夠改善基質(zhì)瀝青的高溫性能，但會(huì)使其低溫抗裂性和抗老化性能降低；崔亞楠等[6-7]，韓吉偉等[8]對(duì)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青與橡膠粉改性瀝青在鹽凍融循環(huán)條件下的性能劣化特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)鹽凍融循環(huán)作用后，3種瀝青均產(chǎn)生不同程度的老化，微觀結(jié)構(gòu)亦遭受破壞，但相較于基質(zhì)瀝青，改性瀝青能較好的保持結(jié)構(gòu)及性能穩(wěn)定；褚辭等[9]通過干濕循環(huán)加速侵蝕方式，對(duì)比了氯鹽和硫酸鹽對(duì)瀝青混合料耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)硫酸鹽的劣化效果更為嚴(yán)重。關(guān)于鹽蝕效應(yīng)對(duì)瀝青混合料性能劣化的研究多集中于氯鹽[10-12]，硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)共同作用對(duì)瀝青性能影響及其作用機(jī)理的研究較少，其評(píng)價(jià)體系有待完善。隨著公路瀝青路面、橋面鋪裝建設(shè)規(guī)模在西部和沿海地區(qū)不斷擴(kuò)大，在硫酸鹽富集環(huán)境中，瀝青及瀝青混合料的耐久性劣化問題越發(fā)突出。

綜上，筆者以硫酸鹽(Na2SO4)為侵蝕介質(zhì)，用不同濃度(0%、2.5%、5.0%、10.0%)Na2SO4溶液，對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行快速凍融循環(huán)，分別以瀝青抗剪強(qiáng)度、蠕變速率與勁度模量比(m/S)及拉伸強(qiáng)度為指標(biāo)，研究硫酸鹽凍融循環(huán)作用對(duì)瀝青性能影響規(guī)律；結(jié)合掃描電鏡(SEM)和紅外光譜(FTIR)，在微觀層次上分析瀝青鹽蝕損傷作用機(jī)理，以期為硫酸鹽富集工況下，瀝青混合料耐久性預(yù)估與瀝青面層材料設(shè)計(jì)的完善提供參考。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

瀝青選用SK A-90#基質(zhì)瀝青，基本性能指標(biāo)如表1。集料選用玄武巖，主要技術(shù)性質(zhì)如表2。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。

選用一等元明粉(Na2SO4)為鹽介質(zhì)，主要技術(shù)指標(biāo)如表3，宏微觀形貌如圖1。

圖1 元明粉宏微觀形貌Fig. 1 Macroscopic and microscopic morphologies of sodium sulfate

表1 SK A-90#瀝青技術(shù)性能指標(biāo)Table 1 Technical properties of SK A-90# asphalt

表2 玄武巖主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical properties of basalt aggregate

表3 元明粉技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indicators of sodium sulfate

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 硫酸鹽凍融循環(huán)試驗(yàn)

硫酸鹽凍融循環(huán)試驗(yàn)按如下步驟進(jìn)行：

1)分別配制濃度為0%(清水組)、2.5%、5.0%、10.0%的Na2SO4溶液。

2)將基質(zhì)瀝青加熱至120～130 ℃，呈熔融狀態(tài)，注入方盤中，形成一層5 mm的瀝青膜。

3)將配制好的Na2SO4溶液緩慢覆在瀝青膜上。

4)借助快速凍融試驗(yàn)箱，對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行凍融循環(huán)。循環(huán)條件為：先在-18 ℃低溫箱中持續(xù)冰凍2 h，然后在5 ℃條件下融化2 h，此為一個(gè)凍融循環(huán)。

5)重復(fù)4)中的循環(huán)過程完成7、14、21、28次凍融循環(huán)，結(jié)束后將方盤取出，在室溫靜置以備后續(xù)試驗(yàn)。硫酸鹽凍融循環(huán)試驗(yàn)如圖2。

圖2 硫酸鹽凍融循環(huán)試驗(yàn)Fig. 2 Sulfate freeze-thaw cycles test

1.2.2 錐入度試驗(yàn)

采用錐入度試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青經(jīng)硫酸鹽凍融循環(huán)作用后的抗剪性能。測(cè)試溫度分別為15、25、30 ℃，借助式(1)將試驗(yàn)結(jié)果換算為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)[13]。

(1)

式中：τ為抗剪切強(qiáng)度，Pa；Q為錐針、連桿及砝碼總重，195 g；h為錐入度，mm；α為錐針尖角度，30°。

1.2.3 BBR試驗(yàn)

采用美國(guó)CSNNON公司的彎曲梁流變儀(TE-BBR)，試驗(yàn)溫度為-12、-18 ℃，以蠕變速率(m)與勁度模量(S)比值評(píng)價(jià)瀝青經(jīng)7次與28次硫酸鹽凍融循環(huán)作用后的低溫性能。

1.2.4 拉拔試驗(yàn)

采用美國(guó)DeFelsko 公司的拉拔強(qiáng)度測(cè)試儀(PosiTest AT-A)，以拉伸強(qiáng)度為指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青-集料間的黏附性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)瀝青用量為0.1 g時(shí)，拉拔斷面為瀝青-集料間的界面過渡區(qū)，所得拉伸強(qiáng)度可以較為準(zhǔn)確反映出瀝青結(jié)合料的表面黏結(jié)能力，因此試驗(yàn)中選取瀝青用量為0.1 g。試件制備過程如下：

1)將玄武巖集料切割成5 cm×5 cm×5 cm的立方塊，保證表面規(guī)整、水平；

2)將0.1 g硫酸鹽凍融循環(huán)作用后的瀝青試樣滴于集料上表面中央，隨后將試件置于135 ℃烘箱中保溫，待瀝青均勻鋪展于集料表面后，取出試件，冷卻至室溫備用；

3)采用強(qiáng)力AB膠，將拉拔儀的拔頭黏在集料表面的瀝青上，在25 ℃干燥環(huán)境中靜置24 h后，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。

1.2.5 基于鹽分“內(nèi)摻”的瀝青膠漿鹽蝕試驗(yàn)

鑒于目前硫酸鹽對(duì)瀝青材料侵蝕效應(yīng)的研究較少，采用鹽分“內(nèi)摻”方式制備硫酸鹽瀝青膠漿試樣，通過掃描電鏡(SEM)和紅外光譜(FTIR)測(cè)試手段，研究硫酸鹽侵蝕條件下瀝青損傷機(jī)理。

1)“硫酸鹽+瀝青”膠漿制備

室溫條件下，采用磨粉機(jī)將元明粉磨細(xì)并過0.075 mm方孔篩備用。采用高速剪切儀，按粉膠比1∶1來制備硫酸鹽瀝青膠漿(以礦粉為參照，將硫酸鹽粉體等體積代替礦粉)；試驗(yàn)過程中，攪拌溫度為165 ℃、速率為3 000 r/min、時(shí)間為45 min。

2)SEM測(cè)試

采用日本Hitachi公司的掃描電子顯微鏡 (S-4800)，對(duì)基質(zhì)瀝青和齡期為0、30、120 d的硫酸鹽瀝青膠漿進(jìn)行測(cè)試。為清晰觀測(cè)瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，將瀝青試樣進(jìn)行低溫脆斷，觀察斷面部分鹽分在瀝青中的微觀形貌及其分布情況。

3)FTIR測(cè)試

采用德國(guó)BRUKER公司的紅外光譜儀 (TENSOR Ⅱ)，對(duì)基質(zhì)瀝青和齡期為30、120 d的硫酸鹽瀝青膠漿進(jìn)行測(cè)試，觀察主要官能團(tuán)振動(dòng)譜帶變化情況，進(jìn)一步探究瀝青鹽蝕機(jī)理。因鹽侵蝕需要一個(gè)過程，齡期為0 d時(shí)硫酸鹽尚未對(duì)瀝青產(chǎn)生侵蝕作用，F(xiàn)TIR 測(cè)試結(jié)果與基質(zhì)瀝青相比無明顯差異，故此處不再設(shè)置齡期為0 d的對(duì)照組。

2 結(jié)果及分析

2.1 抗剪強(qiáng)度

對(duì)硫酸鹽凍融循環(huán)作用后的瀝青試樣進(jìn)行錐入度試驗(yàn)，按式(1)換算得到抗剪強(qiáng)度，結(jié)果如圖3。

圖3 瀝青的抗剪強(qiáng)度Fig. 3 The shear strength of asphalt

由圖3可知：經(jīng)硫酸鹽凍融循環(huán)作用后，不同試驗(yàn)溫度會(huì)顯著影響瀝青的抗剪強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度升高而降低。

由圖3(a)可知：當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)，同一凍融循環(huán)條件下，隨鹽濃度增加，瀝青抗剪強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。以7次凍融循環(huán)為例，相較于清水組，瀝青在濃度為2.5%、5.0%和10.0%的Na2SO4溶液浸泡下，經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，抗剪強(qiáng)度分別增大了6.86%、30.61%、70.31%。同一鹽濃度下，凍融循環(huán)次數(shù)改變亦會(huì)顯著影響瀝青抗剪強(qiáng)度，除鹽濃度為10%外，瀝青抗剪強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而不斷增大。由圖3(b)、圖3(c)可知：當(dāng)溫度為25、30 ℃時(shí)，瀝青的抗剪強(qiáng)度與鹽濃度及凍融循環(huán)次數(shù)均呈正比，但強(qiáng)度提升速率趨緩。

總體上，經(jīng)硫酸鹽凍融循環(huán)后，基質(zhì)瀝青抗剪強(qiáng)度提升，鹽濃度越大抗剪強(qiáng)度愈高，凍融循環(huán)進(jìn)一步加劇了瀝青鹽蝕作用。這可能是鹽溶液中的Na2SO4鹽凍介質(zhì)在低溫條件下結(jié)晶析出，體積增大，鹽顆粒易刺穿瀝青薄膜進(jìn)入到瀝青內(nèi)部，并在瀝青中產(chǎn)生膨脹力；當(dāng)溫度回升時(shí)，該膨脹力逐漸消失，使得瀝青表面出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。在凍融循環(huán)作用下，鹽分累積并不斷侵蝕瀝青，使其逐漸硬化，抗剪強(qiáng)度相應(yīng)增大。

2.2 低溫特性

對(duì)硫酸鹽凍融循環(huán)作用后的瀝青試樣進(jìn)行BBR試驗(yàn)，取加載過程中第60 s時(shí)的S與m值作為表征參數(shù)。瀝青試樣在不同濃度的Na2SO4溶液中經(jīng)7次和28次凍融循環(huán)后的BBR試驗(yàn)結(jié)果，如表4。

表4 BBR試驗(yàn)結(jié)果Table 4 BBR test results

由表4可知：試驗(yàn)溫度和凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨鹽濃度增加，瀝青的S值逐漸增大，表明硫酸鹽作用下瀝青低溫柔韌性降低，但m值并未呈現(xiàn)出一致性變化規(guī)律。鑒于此，采用瀝青蠕變速率與勁度模量比值(m/S)為指標(biāo)分析硫酸鹽凍融循環(huán)作用對(duì)瀝青低溫性能的影響[14]，一般m/S值越大，瀝青的低溫抗裂性越好。不同濃度鹽溶液下瀝青的m/S值如圖4。

圖4 硫酸鹽凍融循環(huán)作用后瀝青的m/S值Fig. 4 m/S value of asphalt after sulfate freeze-thaw cycles

由圖4可知：

1)試驗(yàn)溫度由-12 ℃降為-18 ℃時(shí)，硫酸鹽凍融循環(huán)作用后瀝青的m/S值顯著減小。

2)當(dāng)試驗(yàn)溫度為-12 ℃時(shí)，清水及低濃度鹽溶液條件下(0%、2.5%)，凍融循環(huán)次數(shù)由7次增至28次時(shí)m/S值降低，說明凍融循環(huán)會(huì)在一定程度上影響瀝青的低溫性能。7次凍融循環(huán)作用下，相較于清水組，低濃度鹽溶液中瀝青的m/S值無明顯變化，但當(dāng)鹽溶液增加至較高濃度時(shí)(5.0%、10.0%)，m/S值呈明顯下降趨勢(shì)。

3)當(dāng)試驗(yàn)溫度為-18 ℃時(shí)，瀝青m/S值隨鹽濃度增加逐漸降低；不同濃度鹽溶液條件下，經(jīng)28次凍融循環(huán)后瀝青m/S值均小于7次凍融循環(huán)時(shí)，說明瀝青低溫性能隨鹽濃度增大愈加劣化，凍融循環(huán)進(jìn)一步加劇了鹽蝕作用。當(dāng)Na2SO4溶液濃度為10%，凍融循環(huán)28次時(shí)，瀝青低溫性能劣化效果最為嚴(yán)重，m/S值下降29%。

2.3 瀝青-集料黏附性能

硫酸鹽凍融循環(huán)作用下拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖5。

圖5 拉拔試驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 Pull-off test results

由圖5可知：相較于清水凍融循環(huán)，硫酸鹽凍融循環(huán)作用后拉伸強(qiáng)度減小，并隨鹽溶液濃度增加逐漸降低，說明硫酸鹽會(huì)導(dǎo)致瀝青-集料黏附性持續(xù)劣化。這可能是因?yàn)殡S著Na2SO4的不斷侵入， Na+與瀝青產(chǎn)生乳化作用，并和瀝青形成不穩(wěn)定的吸附層，加速了瀝青老化[15]。另外硫酸鹽顆粒會(huì)占據(jù)部分瀝青和集料間的黏結(jié)接觸面積，進(jìn)一步導(dǎo)致瀝青-集料黏附性降低。相較于清水組，基質(zhì)瀝青在濃度為2.5%、5.0%和10.0%的鹽溶液浸泡下凍融循環(huán)7次時(shí)，拉伸強(qiáng)度分別下降3.6%、8.6%、25.0%；凍融循環(huán)28次時(shí)拉伸強(qiáng)度分別下降6.3%、18.3%、31.0%。可見，凍融循環(huán)次數(shù)亦會(huì)對(duì)瀝青-集料黏附性產(chǎn)生一定影響?？傮w而言，凍融循環(huán)與鹽蝕協(xié)同作用下，瀝青-集料接觸體系更易遭受破壞。

2.4 微觀機(jī)理

基質(zhì)瀝青及不同齡期下內(nèi)摻式“硫酸鹽+瀝青”膠漿的SEM微觀形貌和FTIR分別如圖6、圖7。

圖6 瀝青的SEM微觀形貌Fig. 6 SEM micrographs of asphalt

圖7 瀝青膠漿的紅外光譜Fig. 7 Infrared spectroscopy of asphalt mortars

由圖6可知：未摻鹽基質(zhì)瀝青表面較為平整，呈均相結(jié)構(gòu)；0 d齡期時(shí)瀝青中硫酸鹽顆粒與瀝青之間存在明顯空隙，鹽粒未完全被瀝青浸沒；30 d齡期時(shí)鹽粒與瀝青兩相界面處緊密結(jié)合，鹽粒較為完整地鑲嵌于瀝青中，瀝青表面褶皺增多，出現(xiàn)明顯的鹽分影響區(qū)；120 d齡期時(shí)已難辨鹽粒與瀝青兩相間的界面，鹽粒在瀝青中產(chǎn)生“溶析”效應(yīng)，宏觀層次上瀝青膠漿逐漸硬化，抗剪強(qiáng)度提升。

3 結(jié) 論

1)硫酸鹽凍融循環(huán)作用下瀝青性能發(fā)生顯著變化。隨硫酸鹽溶液濃度增加，瀝青抗剪強(qiáng)度提升、低溫流變特性與瀝青-集料黏附性劣化；鹽分對(duì)基質(zhì)瀝青產(chǎn)生一定硬化作用。

2)瀝青性能劣化速率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而加快；凍融循環(huán)進(jìn)一步加劇了硫酸鹽對(duì)瀝青性能的損傷作用。當(dāng)硫酸鈉溶液濃度為10%，凍融循環(huán)28次時(shí)，瀝青性能劣化效果最為嚴(yán)重，硫酸鹽凍融循環(huán)作用下，-18 ℃條件下的瀝青m/S值下降29%，瀝青-集料拉伸強(qiáng)度下降31%。

3)在試驗(yàn)齡期內(nèi)，硫酸鹽瀝青膠漿的主吸收峰無明顯變化，鹽分摻入導(dǎo)致個(gè)別區(qū)域峰值面積發(fā)生變化，硫酸鹽-瀝青界面以物理作用為主；硫酸鹽顆粒在瀝青中的溶析及“鹽老化”效應(yīng)，是導(dǎo)致瀝青性能劣化的主要原因。