盐-湿-热循环条件下沥青混合料的力学行为特性

陈华梁，沙爱民，蒋 玮，王亚宁，刘状壮

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530028；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710064)



盐-湿-热循环条件下沥青混合料的力学行为特性

陈华梁1,2，沙爱民1，蒋 玮1，王亚宁3，刘状壮1

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530028；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710064)

为研究沿海地区空气中所蕴含的海盐离子、水蒸气以及温度循环等因素对沥青混合料使用性能的影响。首先建立了沥青混合料室内盐-湿-热循环加速试验系统。基于该系统，研究了循环时长、温度、循环次数、盐分浓度等参数对沥青混合料路用性能的影响。结果表明：在盐分侵蚀条件下，沥青混合料的高温抗车辙性能、低温抗开裂性能、水稳定性受到不同程度的劣化。随着盐-湿-热循环次数增加，沥青混合料的间接拉伸强度、抗压强度、疲劳寿命均显著降低。在盐-湿-热循环下沥青混合料动态模量增大、相位角减小。

道路工程；沥青混合料；盐-湿-热循环；力学行为；加速试验

0 引言

我国拥有着长达1.8万公里的海岸线，随着我国经济的迅速发展，沿海地区的公路设施日趋完善，特别是一些重大的世界级跨海大桥越来越多的建成，有力的推动了我国沿海地区的经济发展[1]。沿海地区的降雨、海雾、大气均含有海盐粒子，海盐粒子中含有氯盐和硫酸盐等物质。这些海盐粒子受大海蒸发和风浪的影响，漂浮在大气环境中形成海洋盐雾环境；同时，沿海地区一般都有较大的降雨量，雨水中亦含有海盐粒子，共同构成了沿海腐蚀环境。

沿海腐蚀环境对沿海设施产生巨大的影响，其中最早受到关注的是海上或沿海钢铁设施。海洋腐蚀区域一般分为海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区和海泥区5个腐蚀区带[2-3]，海洋大气中金属材料的腐蚀速率在15～25 km之间会发生明显的变化[4]。于此同时，港口、桥梁的建筑设施也会受到海洋环境的侵蚀。熊锐等的研究表明硫酸盐腐蚀环境下沥青混合料各项性能指标都有所下降[5]。丛培良等研究了氯化钠、氯化镁、氯化钙和醋酸钾4种除冰盐配置成饱和溶液在常温浸泡、冻融劈裂和高温浸泡下对沥青混合料性能的影响，也有类似的结论[6]。康诚等分别研究了沥青混合料在淡水与饱和氯化钠溶液中冻融循环次数对其路用性能的影响，认为盐分对沥青混合料耐久性具有显著的负面影响[7]。吴金荣等研究了温度-盐分-冻融耦合作用下沥青混凝土疲劳寿命，发现除盐浓度外，温度变化同样对沥青混合料的疲劳寿命具有直接影响[8]。本文针对沿海环境下沥青混合料性能的试验方法进行了研究，为沿海腐蚀环境下沥青混合料的试验研究提供了参考。

1 材料与方法

1.1 原材料

试验采用SBS改性沥青，主要技术指标如表1，表2所示。

表1 SBS-1C改性沥青技术性能

Tab.1 Technical performance of SBS-1C modified asphalt

测试项目SBS改性沥青质量指标实测结果针入度(25℃，100g，5s)/(01mm)40～6052软化点/℃≥6078延度(5℃，5cm/min)/cm≥2029

表2 集料的基本性质

1.2 沥青混合料

为了分析沿海腐蚀环境下沥青混合料的力学特性，本文选择了较为代表性的AC-13C型沥青混合料类。沥青混合料的集料为玄武岩，所用胶结料为SBS-1C改性沥青。经过配合比设计和优化，最终所用的沥青混合料物理力学性能参数如表3所示。

表3 沥青混合料物理力学参数

1.3 物理力学性能测试

本文分别测试了沥青混合料的常规路用性能(高温稳定性，水稳定性和低温抗裂性)，间接拉伸强度，抗压强度，动态模量和疲劳性能。相关测试方法依照中华人民共和国交通运输部《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E-20—2011)》执行。

1.4 盐-湿-热循环腐蚀

沿海地区的沥青混合料路面在含盐、高温、多雨的耦合作用下，经历干湿循环、温度循环和盐浓度循环共同作用，且这些作用相互结合，交织进行。因此，试验设计的环境因素包括：温度、湿度、盐浓度，其加速模拟试验流程如图1所示。

温度方面，高温温度的确定基于以下两个因素：(1)一般炎热地区夏季沥青路面最高温度在60 ℃左右；(2)我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)规定的沥青混合料高温稳定性试验温度选为60 ℃。低温环境根据沿海地区最低月平均气温选定，试验选用0 ℃。

湿度与盐浓度方面，由于试件表面和空隙中会存在海水，随着试件温度的升高，试件表面和内部的空隙中海水会受热蒸发，此时残留在试件中的海水浓度会升高，直至水分蒸发完，产生盐结晶。此过程中有盐浓度提高，温度升高，混凝土变干，模拟了实际环境中沥青混合料受外界温度和风等作用下沥青混合料中水分发生蒸发。

图1 盐-湿-热循环室内加速模拟试验示意图Fig.1 Schematic diagram of indoor acceleration simulation test under salt-wet-heat cycling

试验分为4组(如表4所示)，其中A组为控制组，模拟未经使用的新拌沥青混合料；B组为淡水环境下的循环试验，模拟普通地区的湿-热环境。对比A、B两组试验可评价该试验方法下淡水对沥青混凝土的影响。C组为5次海水循环试验，模拟沿海地区的盐-湿-热环境；C组与B组进行对比可评价到盐分对沥青混凝土的影响，与A组对比可考察盐、湿和温度耦合作用下沥青混凝土性能的变化规律。D组为10次海水循环试验，与C组进行对比可评价随使用时间的延长，沥青混凝土受海盐侵蚀的变化规律。

表4 室内盐蚀循环加速试验分组

2 结果与讨论

2.1 路用性能

表5所示为AC-13C混合料在4种循环条件下的常规路用性能检测。试验结果表明，相对未经循环的试件，经5次淡水循环后试件的动稳定度降低；而经5次海水循环后，沥青混合料的动稳定度降低值更大，且10次海水循环试件的性能衰减较5次海水循环更为严重。由于湿-热循环(5次淡水循环)作用，沥青混合料的低温抗裂性降低；由于盐-湿-热循环(5次海水循环)作用，沥青混合料的低温抗裂性能的劣化比湿-热循环(5次淡水循环)更为严重，即盐分的侵蚀加重了沥青混合料低温抗裂性的衰减[9]。研究同时发现，沥青混合料低温抗裂性能与盐分的侵蚀时长(即循环次数)有关，5次海水循环的试件低温抗裂性优于10次海水循环的试件。在对沥青混合料水稳定性能测试过程中，得到了与高温和低温性能类似的结论，即：湿-热循环(5次淡水循环)导致沥青混合料水稳定性劣化；同时，盐分的参与能够加重上述劣化行为，如盐-湿-热5次海水循环后的沥青混合料低温性能弱于湿-热5次淡水循环后的沥青混合料低温性能。延长海水盐-湿-热的循环时间会降低沥青混合料低温抗裂性。

表5 沥青混合料路用性能

沥青混凝土在沿海盐湿热环境下性能变化的主要原因在于以下几个方面：海水比淡水更易破坏沥青与集料之间的黏附性，使沥青从集料表面剥离[9-10]；含盐水分易于附着在沥青表面，在沥青表面空隙中形成渗水层，使得沥青通透性增加，沥青轻质成分被置换，老化加速[11-13]；处于沿海腐蚀环境中的沥青混凝土会随着外界环境(盐雾浓度、温度、湿度、风等)的变化，发生干湿循环、温度循环和盐浓度循环作用，使得残留在沥青混凝土空隙中的盐分产生结晶压力，不断破坏和侵蚀空隙附近混合料，最终导致沥青混凝土破坏。

2.2 间接拉伸强度与抗压强度

本文研究了AC-13C沥青混合料在4种盐-湿-热循环条件下的间接拉伸与抗压强度，分析不同水热、盐湿热循环条件对混合料力学性能的影响，如表6所示。抗压强度试验采用静压成型的试件直径为100 mm，高度为100 mm，加载速率为2 mm/min，本文中间接拉伸测试和抗压强度测试的温度均为15 ℃。试验结果表明，不同次数的水热和盐湿热循环对混合料的间接拉伸强度具有显著的影响，混合料的间接拉伸强度随循环次数的增加逐渐降低。盐湿热环境导致的混合料间接拉升强度的衰减较湿热环境更为严重。经历5次淡水循环后、5次海水循环和10次海水循环后，混合料的抗压强度均有所降低，大约减小了约10%左右，但总体上3种环境下的差异效果不显著，主要原因是因为盐分对沥青和集料的黏结力、黏附性造成了不利影响，但同时盐分也导致沥青组分中的沥青质含量显著增大，饱和分和芳香分减少，从而使得沥青针入度减小，变得更硬。这两种因素的综合作用下，混合料的抗压强度虽然较原试件有所降低，但与单纯水热循环条件下的混合料强度相比，盐分加入后没有导致混合料抗压强度的进一步降低。

表6 盐-湿-热循环条件下沥青混合料间接拉伸强度与抗压强度

2.3 动态模量与相位角

动态模量是模拟汽车行车和静态作用下得到的模量，能反映部分材料的惯性和阻尼特性，且荷载应力和相应的应变都是时间函数[14]。本研究采用NYL-20000测定不同盐湿热条件循环后的混合料动态模量。试验采用应力控制模式，在规定的试验温度下以不同的频率对试件施加正弦的轴向压应力，测定每个频率下所施加的应力和产生试件的应变，用于计算该频率下的动态模量和相位角。整个试验过程不施加围压。测试试件为φ100 mm×150 mm圆柱体试件；试验温度为10，30，50 ℃，均由环境箱控温。在试验前控温5 h以保证试件恒温；应力加载频率为0.1～25 Hz(0.1，0.5，1，5，10，25 Hz)。图2和图3分别显示了试件的动态模量和相位角结果。

图2 AC-13C混合料在不同循环条件下的动态模量Fig.2 Dynamic moduli of AC-13C asphalt mixture under different cycling conditions

图3 AC-13C混合料在不同循环条件下的相位角变化Fig.3 Phase angles of AC-13C asphalt mixture under different cycling conditions

对比不同温度下的AC-13C型沥青混合料的动态模量和相位角，可以发现：(1)4种盐-湿-热循环条件下，沥青混合料的动态模量随着加载频率的升高而增大，随着试验温度的升高而减小。试验加载频率相同时，温度越高，混合料的动态模量越小。因为随着温度的升高，沥青结合料发生软化，黏结能力减弱，导致沥青混合料逐渐由弹性向塑性转变，动态模量降低。(2)在10 ℃ 和30 ℃时，相位角随着荷载作用频率的减少或温度的增加而增加，而在50 ℃时，相位角随着加载频率的升高而升高。分析相位角变化原因可知，在温度较低时，如试验中的10 ℃和30 ℃，混合料的动态模量受沥青胶结料的影响较大，随着荷载频率的减小，即加载时间变长，混合料的黏滞性越明显，相位角随荷载频率减小而越大；而在高温环境下，胶结料的劲度对混合料有一定的影响，但随着荷载频率的减小，矿料骨架的影响超过了沥青黏性的影响，而矿料是弹性材料，相位角为0°，故沥青混合料相位角会下降。在3种试验温度条件下，动态模量大小顺序均为：10次海水循环>5次海水循环>未循环>5次淡水循环。相位角大小顺序为：10次海水循环<5次海水循环<未循环<5次淡水循环。

2.4 疲劳性能

2.4.1 小梁弯曲

为了研究沥青混合料在不同盐湿热循环和重复荷载作用下的耐久性，本文通过PLD100电液伺服疲劳试验机(西安力创计量仪器有限公司)进行了AC-13C沥青混合料的疲劳试验分析。试验条件：四点加载方式；正弦波荷载；加载频率10 Hz；试验温度15 ℃；试件尺寸50 mm×50 mm×240 mm。为确定不同沥青混合料的疲劳应力水平，本文先通过小梁弯曲试验确定了极限抗弯拉强度，如表7所示。可以看出，水热循环和盐湿热循环条件对沥青混合料的抗弯拉强度影响显著，经历5次水热循环后，混合料的抗弯拉强度衰减了约9%；经历5次盐湿热循环后，抗弯拉强度衰减了约22%，10次盐湿热循环后；抗弯拉强度衰减了约24%。可见，盐分的参与导致沥青混合料抗弯拉强度的显著降低。

表7 AC-13C沥青混合料抗弯拉强度

2.4.2 威布尔分布

图4 四点弯曲疲劳寿命的威布尔分布Fig.4 Weibull distribution of four-point bending fatigue life

疲劳试验得出的荷载作用次数常常具有很大的随机性和分散性。本文采用威布尔分布理论来验证试验结果的可靠性。根据威布尔分布理论，如果疲劳寿命数据服从威布尔分布，则-lnln1/p和对数疲劳寿命lgNf存在良好的线性关系。由图4可以看出，未循环的沥青混合料在不同应力水平下四点弯曲疲劳寿命威布尔分布的相关系数分别为0.967 2，0.933 5，0.974 8和0.991 4，可认为lgNf与-lnln1/p线性相关。类似的，其他试样的疲劳寿命均服从威布尔分布。

2.4.3 疲劳方程

在保证率(P)为0.5的条件下，不同应力水平的对数疲劳寿命(lgNf)可通过上述拟合方程求出。最终得出所有试件在不同应力水平(0.1，0.2，0.3，0.4)下疲劳寿命的解，拟合曲线如图5所示。表8为上述拟合曲线的线性疲劳方程。

图5 疲劳方程的拟合曲线Fig.5 Fitting curves of fatigue equation

混合料类型疲劳方程相关系数R2未循环lgNf=38085-19118lgσt098805次淡水循环lgNf=3672-20335lgσt099335次海水循环lgNf=34639-21381lgσt0986610次海水循环lgNf=33692-21839lgσt09760

沥青混合料的抗疲劳性能通过应力与疲劳作用次数的回归方程的两个参数K,n来反映。K值表示疲劳曲线线位的高低，K值越大表明混合料耐疲劳性能越好；n值表示疲劳曲线斜率的陡缓程度，n值越大表明混合料的疲劳寿命对应力水平变化越敏感，即混合料耐疲劳性越差。不同盐湿热环境下沥青混合料的疲劳试验结果表明，水热和盐湿热循环对沥青混合料的疲劳性能影响显著，随着水中盐分增加和循环次数的增加，沥青混合料的耐疲劳性能呈衰减趋势，应力水平变化对疲劳寿命的影响总体上也变得更敏感。

3 结论

(1)本文所设计的室内盐-湿-热循环加速试验，能够有效模拟“盐-湿-热”循环条件对沥青混合料的性能劣化情况。试验结果表明，改加速模拟试验可用于评价沿海环境中水或海水对沥青混合料性能的变化规律。该方法可定量控制液体、循环时长、温度、循环次数、盐分浓度等参数，为沿海地区沥青混凝土的研究提供了一种有效的试验手段。

(2)研究表明，在盐分侵蚀条件下，沥青混合料路用性能(高温抗车辙性能、低温抗开裂性能、水稳定性)、间接拉伸强度、抗压强度和疲劳性能均受到不同程度的劣化。尤其是在沿海地区，盐-湿-热耦合作用下沥青混合料路用性能出现明显下降。且上述劣化特性与沥青混合料的类型，即空隙率、沥青材料和集料类型、级配等因素有关。

(3)在本研究中，盐分和水分未对沥青混合料的流变性发生根本改变。但是，在“盐-湿-热”循环的作用下，沥青受到一定程度的加速老化，混合料的模量升高，相位角降低。

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Mechanical Behaviors of Asphalt Mixtures in Salt-wet-heat Cycling

CHEN Hua-liang1,2，SHA Ai-min1，JIANG Wei1，WANG Ya-ning3，LIU Zhuang-zhuang1

(1.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education，Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064，China；2.Guangxi Communications Investment Group Co., Ltd., Nanning Guangxi 530028, China；3. China Railway First Survey &Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an Shaanxi 710060，China)

In order to study the effect of the factors in coastal areas, such as sea salt ions, water vapor and temperature cycling on the performance of asphalt mixture, first, the accelerated salt-wet-heat cycling test system for asphalt mixture is established. Based on this system, the influence of cycling length, temperature, cycling times and salt concentration on the performance of asphalt mixture is studied. The result shows that (1) the high temperature anti-rutting performance, the low temperature crack resistance and the water stability of asphalt mixture degraded differently; (2) with the increasing of salt-wet-heat cycling times, the indirect tensile strength, the compressive strength and the fatigue resistance of asphalt mixture decreased significantly; (3) the dynamic modulus of asphalt mixture increased and the phase angle decreased under the salt-wet-heat cycling.

road engineering; asphalt mixture; salt-wet-heat cycling; mechanical behavior; acceleration test

2016-07-11

交通运输部建设科技项目(2013 318 221 150)；陕西省青年科技新星项目(2015KJXX-23);陕西省建设科技计划项目(2015-K99)

陈华梁(1976-)，男，广西南宁人，博士,高级工程师．(chl0906@163.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.007

U414.1

A

1002-0268(2016)12-0042-06