0 引言
东北地区的冬季寒冷漫长,沥青路面的低温开裂病害大量发生,严重影响了路面行驶质量和使用寿命,是亟待解决的重要病害,其破坏机理是解决的关键之一
[1]。在温度和水等环境作用下,沥青混合料的低温损伤往往先于薄弱的界面相发生
[2]。以
图1为例,界面相位于沥青相、增强相(集料、填料)之间,其低温黏结能力由沥青、填料和集料共同决定
[3-6]。界面相的低温黏结失效通常表现为黏聚失效和黏附失效的联合效应,其低温黏结失效可能发生在沥青内部,也可能发生在界面处
[7],因此界面相的黏结性能是沥青混合料低温抗裂性能的关键。
对沥青-集料界面相黏聚、黏附性能的宏观尺度的评价主要有水浸法、水煮法和溶剂洗拔法等,但评定指标未定量且受人为因素影响较大
[8]。具体研究沥青种类、集料种类、表面能和骨料成分等材料因素,以及湿度和温度等外部因素对界面相黏结性能的影响
[9-13]。研究发现,随着水分侵入,沥青与集料的黏附性会降低,界面相破坏由黏聚破坏转变为混合破坏。而以矿粉作为分散相分散在沥青相中的沥青胶浆和以细集料作为分散相分散在沥青胶浆中的沥青砂浆的组成影响了界面相的黏结性能。在用拉拔法附着力检测仪获取界面拉伸破坏的最大拉拔力和黏结强度评价界面相黏结性能取得成功的基础上
[14],吴星等
[15]采用拉拔仪对沥青胶浆进行试验,提出失稳拉拔功指标评价沥青胶浆的黏附性;郑传锋等
[16]通过沥青胶浆低温黏结强度试验发现不同低温条件下存在不同的最佳粉胶比。对于沥青砂浆,Apeagyei等
[17]采用拉拔试验评价砂浆的黏结性能,在无水条件下,砂浆的失效模式为黏附-黏聚混合失效。胡聪
[18]采用动态剪切流变和动态力学分析研究沥青砂浆动态黏弹行为,指出砂浆的黏结行为具有很高的温度敏感性。
沥青混合料低温断裂界面相是由多级材料组成,然而现有的研究多集中于沥青-集料评价黏结性能,对胶浆和砂浆尺度下低温黏结性能的定量评价较少。本研究采用拉拔试验,对于沥青、沥青胶浆、沥青砂浆的多级界面相材料下的界面相黏结性能进行研究。分析了温度、胶浆、砂浆对界面相低温黏结强度的影响规律,并通过图像处理分析拉拔试验中界面黏结失效比的变化规律。定量评价沥青、胶浆和砂浆尺度下界面相的低温黏结失效,为解决沥青混合料低温抗裂性能提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
试验所用的沥青为90
#沥青,其基本技术指标参数见
表1。矿粉填料为石灰岩矿粉,其基本性能参数见
表2,细集料选用0~3 mm石灰岩集料,其基本性能参数见
表3。
1.2 方法
研究采用拉拔试验,通过拉拔法附着力试验仪施加拉拔力测量破坏时的强度值,即定义为黏结强度,定量表征沥青与集料的界面相黏结性能。试验分别针对沥青、6种粉胶比的沥青胶浆和沥青砂浆进行拉拔试验,获得黏结强度,并采用图像处理方式对断裂面进行定量分析黏结失效比。
1.2.1 沥青的拉拔试验
沥青与集料之间设置0.4 mm厚度的沥青膜,如
图2所示。试验的主要步骤如下:在无水条件下,1)将岩石试块和0.4 mm厚度的标准件在130 ℃保温30 min,保证与沥青的接触温度。将热熔沥青倒入标准件内,静置1 h刮平表面并取下标准件;2)将直径为20 mm的拉拔头加热到130 ℃,并薄涂一层等比例混合的环氧树脂AB胶于沥青顶面,将拉拔头与沥青层压紧,最后将整个拉拔件放在70 ℃烘箱中保温1 h保持充分接触;3)再次压紧冷却至室温后固化12 h,将拉拔件再放进低温试验箱,在 3个不同温度下保温放置2 h后进行拉拔试验。在有水条件下,为了更好地模拟低温高湿环境对黏结强度的影响,将拉拔试件在0 ℃中浸水24 h后开展拉拔试验
[19]。
1.2.2 沥青胶浆的拉拔试验
沥青胶浆指由沥青与粒径大小在0~0.075 mm的矿粉结合的胶结材料。胶浆中矿粉与沥青的比例(Fb)的计算公式为
式中:为矿料级配中0.075 mm颗粒的通过率,%;为有效沥青质量分数,%。
制备沥青胶浆时采用粉胶比为0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6。基于对沥青胶浆弯曲蠕变劲度(BBR)试验数据和低温黏结力的计算,确定低温条件下的最佳粉胶比。为保证只发生沥青胶浆的黏结破坏,试验前确定的沥青胶浆厚度控制为0.8 mm。
沥青胶浆的制备流程为:1)将90
#沥青加热至150 ℃至完全流淌状态,控制烘箱温度为150 ℃左右,将矿粉放于其中保持4 h;2)将热沥青倒入不锈钢杯中,放置在加热板上进行机械搅拌;3)按照确定的比例,用小匙多次少量地将矿粉逐渐加入至热沥青中,并确保在3 min内完全加入所有矿粉;4)以1 000 r/min的速度在恒定温度下搅拌沥青与矿粉的混合物0.5 h,以达到均匀的效果。制作拉拔件的具体步骤如
图3所示。
1.2.3 BBR试验
BBR试验依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行,对不同粉胶比的90#沥青胶浆小梁 在-12、-18、-24 ℃的温度下进行试验。每个试验温度下设置3组平行试验,计算劲度模量和蠕变速率的均值用于评价沥青胶浆的低温性能。
1.2.4 沥青砂浆的拉拔试验
沥青砂浆的制备流程为:1)将90
#沥青加热到150 ℃至熔融状态后装入不锈钢杯中;2)将砂浆细料与矿粉按照级配比例预先放置于170 ℃的烘箱中,保持温度恒定4 h;3)将矿粉和细集料分别少量多次加入热沥青中,在170 ℃中搅拌30 min,即可得到砂浆,沥青砂浆与集料间设置厚度为1.2 mm(
图3)。
沥青砂浆由沥青、粒径范围为0.6~1.18、0.3~0.6、0.15~0.3、0.075~0.15 mm的细集料和小于0.075 mm的矿粉组成
[20]。沥青砂浆的级配由AC-13沥青混合料筛余百分率计算得出,具体结果见
表4。沥青砂浆的油石比采用比表面积法计算得出
[21]。其比表面积(
SA)计算公式为
式中:为各种粒径颗粒的通过百分率;FAi 为相对应的各种粒径的集料的表面积系数。
本研究中,AC-13沥青混合料的最佳油石比为4.8%,沥青膜的厚度为7.8 µm。此外,考虑到粗集料的比表面积为0.41 m²/kg,计算得到沥青砂浆的油石比为13.9%,沥青用量占比为12.2%。
1.2.5 拉拔断裂面图像处理及计算
拉拔断裂面进行拍摄获取高清晰度照片后
[22],借助ImageJ软件提取断裂面中剥落面积等参数。计算黏结失效比指标,以定量评价沥青胶砂与集料的黏结性能,评价界面黏结破坏的程度和模式,其中黏结失效比等于目标图像像素数与完整聚合面像素数的比值。
1)图像采集:用数码相机拍摄出拉拔断裂面,调整图像对比度、亮度等参数至合适值并选择目标图像后,修改所选区域消除任何错误选择的部分,以提高目标选择的准确性。经过修改后的拉拔断裂面图像如
图4(a)所示。
2)识别目标图像:以图像上裸露的集料表面为目标图像,根据目标图像与目标图像背景所存在的像素特性差异,借助ImageJ软件的自动识别功能,准确区分沥青胶砂区域与集料裸露区域,识别后的拉拔断裂面图像如
图4(b)所示。
3)灰度处理及二值化:将上一步识别的图像颜色深度调整为8
,调整后的拉拔断裂面图像如
图4(c)所示。调整阈值范围以准确地选择目标图像的区域边界,进而提高目标图像的精度,其处理的图像如
图4(d)所示。
4)使用Image J像素统计功能计算目标图像的像素数和完整聚合面像素数,其黏结失效比为目标图像像素数与完整聚合面像素数的比值。
2 结果与分析
2.1 试验条件对沥青-集料界面相低温黏结强度和黏结失效比的影响
2.1.1 温度对界面相的影响
沥青为敏感的感温性材料,其黏结强度和黏结失效比与低温环境有明显关系,在不同的温度条件下黏结强度存在差异,呈现出先增后减的非线性比变化,其变化结果如
图5所示。由
图5无水条件数据可知,在-10 ℃时条件下,90
#沥青处于未固结状态,其低温黏结强度为2.584 MPa,黏结失效比为0.193;在-20 ℃条件下,沥青相由液相向固相转变,自身黏聚增加,处于部分固结状态,其低温强度为3.951 MPa,黏结失效比为0.28;在-30 ℃时条件下,低温黏结强度出现了明显的衰减,沥青脆化,黏附性差,处于固结损失状态;其低温黏结强度为2.411 MPa,黏结失效比为0.438。
因未对试验温度间隔进行细化,且沥青低温固结损失后界面的相互作用较弱。致使界面相低温黏结强度出现较大衰减,黏结失效比显著增加。所以由
图5的界面相黏结强度与黏结失效比的变化规律可初步确定试验采用的沥青温度应为-20 ℃左右。当温度为-30 ℃的低温时,沥青黏聚和界面黏附作用双向减弱,黏结强度较-20 ℃减小了1.54 MPa,仅为部分固结状态的60.02%。黏结失效比增加了0.158,为完全固结状态的1.56倍。
2.1.2 有水条件对界面相的影响
在低温条件下,路面积雪融化产生的水进入矿料界面产生作用时,水会从撕裂、置换、瞬间乳化和间隙压力4个方面破坏界面黏结性能,沥青-集料界面相的黏结强度将会出现不同程度的衰减。在有水条件下90
#沥青与石灰岩黏结强度和黏结失效比的具体结果和失效图像如
图5和
图6所示。由
图5可知,在-10、-20、-30 ℃的有水条件下黏结强度较无水条件衰减比例分别达到37%、49%、45%,黏结失效比的增加比例分别达44%、23%、24%。较无水条件而言,有水条件下界面相黏结强度先增后减的幅度较小,黏结失效比的增幅更大。这表明集料裸漏面积显著增加且更为连续,水分的浸润使得沥青-集料界面过渡为沥青-水-集料界面,置换出界面黏附的沥青,使破坏的模式从黏聚破坏向混合破坏转变,从而沥青与集料的黏结强度大幅度降低。这也意味水的浸润必然会对沥青-集料界面相黏结强度的产生影响。
2.2 多级填料组成对界面相的影响
2.2.1 沥青胶浆对界面相的影响
对粉胶比为0.6、0.8、1、1.2、1.4和1.6的沥青胶浆进行BBR试验和拉拔试验。在BBR试验中,采用劲度模量
评价沥青胶浆在低温下的变形能力,在同温条件下,
越高表明沥青胶浆的低温变形能力越差;蠕变斜率
用于表征沥青胶浆在低温下的松弛能力,
越大则表明其松弛能力越好。研究分别测定了-12、-18、-24 ℃下第60秒的
和
,相关结果如
图7所示。
由
图7的结果分析可知,随着温度逐渐降低,在相同粉胶比条件下,沥青胶浆的劲度模量
随之增加,而蠕变斜率
)相应减小。这表明在低温下,沥青胶浆的松弛能力降低,表现得更加脆硬。同时,随着粉胶比的增加,劲度模量
)不断上升,蠕变斜率
则逐渐下降。这说明矿粉填料的加入减少了沥青的流动性,导致沥青胶浆的松弛能力下降,并提高了其应力增加速率。当粉胶比超过某一临界值时,过量矿粉难以在沥青中均匀分散,导致沥青无法充分包裹矿粉,进而显著降低了沥青胶浆的变形能力,劲度模量和蠕变斜率也发生显著变化,因此,从沥青胶浆的低温性能考虑,最佳粉胶比应为1.2。
在沥青胶浆-集料界面相的拉拔试验中,3个温度条件下沥青胶浆的低温黏结强度随粉胶比的变化结果和-20 ℃下黏结失效比随粉胶比的变化结果如
图8所示。
由
图8可知,在-10 ℃时,矿粉的添加会改善界面相黏结强度,当粉胶比为1.2时,界面相黏结强度增至3.692 MPa,增幅为43%,此时出现强度峰值;当温度降为-20 ℃时,强度先增大后减小,当粉胶比为1.2时强度最大,最大增幅为44%,当粉胶比超过1.2时,强度大幅降低;当温度为-30 ℃时,强度在粉胶比为0.6~0.8增大,最大增幅为14%,当粉胶比超过0.8时,强度小幅衰减,此时粉胶比为0.8时达到强度的峰值。随着温度的降低,粉胶比的增幅作用明显减弱,增强的区间变小,强度峰值提前出现。针对沥青胶浆的黏结失效比而言,-20 ℃的温度下,沥青基质处于完全固结状态,黏结失效比虽随着粉胶比的增大在增大但始终小于0.1,仅为沥青基质黏结失效比的34%,其破坏模式上仍是黏聚破坏。
综上所述,矿粉填料的加入能提高界面相低温黏结强度,加入过多的矿粉会使界面接触的胶浆的浸润性变差,降低了沥青与矿粉之间的互锁力,黏结失效比增大,从而损伤了界面相的黏结力,导致界面黏结强度的降低,因此粉胶比须维持在合理的范围内。若仅以黏结强度为控制指标,其确定的最佳粉胶比为1.2。
2.2.2 沥青砂浆对界面相的影响
在沥青尺度下,黏结强度仅受沥青自身性能的影响;在沥青胶浆尺度下,矿粉被浸润在沥青中,黏结强度受沥青性能和粉胶比的影响;在沥青砂浆尺度下,细集料具有一定的粗糙度,黏结强度受沥青胶浆性能和细集料的影响。当与熔融态的沥青胶浆接触时,沥青胶浆会对细集料产生浸润作用,填充细集料间的空隙和表面的凹凸孔隙,增加了沥青与集料间的接触面积,增强了沥青与集料间的黏附作用,产生了不同于沥青/沥青胶浆尺度下的界面效应。
90
#沥青、1.2粉胶比的沥青胶浆、最佳油石比的沥青砂浆与石灰岩界面相的断裂面和黏结强度如
图9和
图10所示。
由
图10可知,不同填料组成的界面相黏结强度的由大到小顺序为沥青胶浆、沥青砂浆、90
#沥青,-20 ℃的黏结失效比的由大到小顺序为沥青砂浆(0.417)、90
#沥青(0.28)、沥青胶浆(0.082)。由此可知分散相的不同影响了填料的结构,改变了结构的稳定性和黏结性,分散介质的不同影响了填料的接触特性,改变了沥青的流动性和敏感性,进而影响着界面相的黏结强度和黏结失效模式。
通过对黏结强度和黏结失效比的综合分析,可以定性地推测界面相断裂的变化趋势。在较低温度下,沥青基质在固结的同时其脆化也在发生,发生了混合破坏。适量矿粉的加入,增强了结构的稳定性,减弱了沥青基质的敏感性,破坏的薄弱界面位于沥青胶浆内部,发生了黏聚破坏。沥青砂浆与骨料之间的界面黏附力小于沥青砂浆的黏聚力。由于沥青骨料体系的破坏模式是由较弱的力决定的,因此当黏附力较小时,就会发生黏附破坏。随着多级填料的变化,破坏模式从黏聚失效转变为黏附失效。
3 结论
研究通过对沥青、沥青胶浆、沥青砂浆与石灰岩集料的拉拔试验以及断面的评价,研究了沥青、沥青胶浆、沥青砂浆与集料界面相的低温黏结性能,分析了温度和水等外界条件和多级填料组成对界面相低温黏结性能的影响,得到如下结论。
1)温度对沥青-集料界面的黏结强度和黏结失效比具有明显影响,黏结强度随温度降低而增大。在-20 ℃时达到最大值后降低。而黏结失效比则随着温度降低而增大。这表明低温环境对沥青-集料界面相的黏结性能有显著影响,低温改变了沥青的流动性和变形能力,进而使界面相的黏结强度减小,界面相黏结失效比增大。
2)水的浸润使沥青-集料界面相的黏结性能大幅衰减,黏结强度最大衰减比例为49%。沥青与集料的黏结失效比逐渐增大,黏结失效比最大增加比例为44%,其破坏模式从黏聚破坏过渡为混合破坏。
3)粉胶比是影响沥青胶浆低温黏结性能的关键指标。随着粉胶比的增大,沥青胶浆的低温松弛能力逐渐减弱,过量的矿粉会使沥青的浸润性变差,导致界面相的黏结强度下降。研究表明,沥青胶浆的最佳粉胶比为1.2,此时界面相的黏结强度达到峰值。同时,沥青胶浆的黏结失效比均小于0.1,表明此时仅发生黏聚破坏。
4)单级矿粉填料组成增至为多级多粒径细集料填料组成,改变了填料结构和与集料界面的接触形式。沥青砂浆-集料界面相的黏结强度变差,黏结失效比远高于沥青胶浆,其破坏模式也从黏聚破坏变为以黏附破坏为主。