Vol. 23,No. 6Dec. ,2020
第23卷第6期2020年12月
建筑材料学报
JOURNAL OF BUILDING MATERIALS 文章编号=1007-9629(2020)06-1430-10
损伤效应分析
周志刚，李浩嘉，刘鑫，贺文莉
(长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点试验室，湖南长沙410114) 摘要：为研究海盐-湿-热耦合作用对沥青-集料界面体系的损伤效应，分析了盐溶液类型、浓度、
浸泡时间对沥青-集料界面体系抗拉强度、沥青膜剥落率、自愈能力以及自愈后水稳定性的影
响，探讨了盐-湿-热环境下沥青-集料界面体系的损伤机理.结果表明：沥青膜厚度为6 #m 的沥
青-集料试样抗拉强度最大，可作为后续模拟试验的标准试样；随着盐侵蚀时间的延长，沥青-集 料试样抗拉强度逐渐减小，沥青膜剥落率逐渐上升，并且在前期变化速率较大，之后逐渐趋于稳 定#0 h 高温烘干能够有效地恢复沥青-集料的界面强度，但因集料表面受到溶液的侵蚀，自愈
之后的水稳定性明显下降，海盐溶液的腐蚀性越强，水稳定性越差；溶液的综合剥落功越大，沥 青-集料试样抗拉强度越高，沥青膜剥落率越低，说明海盐溶液的腐蚀特征和表面张力特征均会 影 响 损 伤 应 .
关键词：多孔沥青混凝土；沥青-集料界面体系；盐侵蚀；抗拉强度；损伤机理 中图分类号:U414
文献标志码:A
doi ：10. 3969/j. issn. 1007-9629. 2020. 06. 023
Analysis of the Damage Effect of Sea Salt Erosion on Asphal--Aggregate
Interfacial System in Hygrothermal Environment
ZHOUZhigang , LI Haojia, LIUXin, HE Wenii
(Key Laboratory of Road Structure and Material of Transport Industry, Changsha University
of Science & Technology, Changsha 410114, China)
Abstract: Tostudythedamagee f ectofseasalt-humid-heatcouplinge f ectontheasphalt-aggregateinter- facialsystemQtheinfluence of saline solution typeQconcentration andimmersion time on the tensile strengthoftheasphalt-aggregateinterfacialsystemQthestrippingratiooftheasphaltfilmQtheself-healing
abilityQandthewaterstabilityafterself-healing werecompared.Thedamage mechanism ofthesalt-hu-
mid-heatenvironmenttoasphalt-aggregateinterfacesystem wascomparativelyanalyzed.Theresultsshow that the asphalt-aggregate specimen with 6 #m asphalt film thickness has the highest tensile strength and canbeusedascon*rolforsubsequen*simula*ion*es*.Wi*h*heincreaseofsal*erosion*ime,*he*ensile strength decreases gradually, and the strip ratio of asphalt film gradually increases. In the early stage,
theirchangerateislarger,andthengradua l ybecomestable.Thehigh-temperaturedryingon60 h can e f
ectivelyrecovertheinterfacialstrengthoftheasphalt-aggregate.However,duetothesolutionerosion e f ectontheaggregatesurface,thewaterstabilityafterself-healingissignificantlyreduced.Themorecor- rosivetheseasaltsolutionis,theworsewaterstabilityoftheself-healingspecimenwi l be.Thecompre-
hensivestrippingworkisgreater,thetensilestrengthoftheasphalt-aggregateinterfaceishigherandtheWIFI智能连接
收稿日期：2019-06-25 "修订日期：2019-08-31
基金项目：国家自然科学基金资助项目#1878079)
第一作者：周志刚(1966—)，男，湖南长沙人，长沙理工大学教授，博士生导师，博士. E-mail : zhou_zgcs @ sina. com
第6期周志刚，等：湿热环境下海盐侵蚀对沥青-集料界面体系的损伤效应分析1431
+trippingratioofthea+phaltfilmi+lower,whichindicate+thatthecorro+ioncharacteri+tic+and+urface ten+ioncharacteri+tic+ofthe+ea+alt+olutionwi l influenceit+damaginge f ect.
Key words:porous asphalt concrete;asphalt-aggregate interfacial system；salt erosion；tensile strength; damagemechanism
多孔沥青混凝土是透水沥青路面的重要组成部分.粗集料的接触区是多孔沥青混凝土的薄弱环节，由于缺少细集料的约束，粗集料之间基本是点对点接触并具有较高的应力水平[12].水流的长期冲刷会减少该区域沥青胶浆的数量，尤其是在饱水状态下，行车荷载会使空隙内的水流产生动水压力，造成局部沥青胶浆破裂，促使水分侵入沥青-集料界面，降低界面黏结强度3，从而形成集料松散之类的病害.因此，需要选择高黏沥青来提高多孔沥青混凝土结构的稳定性和抗水损害的能力.M。等4提出了多孔沥青混凝土集料接触区的理想化模型，该模型包含4个基本组分：集料、沥青-集料界面、富沥青夹层（界面沥青膜）和沥青胶浆.受边缘效应的影响，界面沥青膜的矿粉数量很少，沥青-集料界面与界面沥青膜构成了沥青-集料界面体系（黏附区）.
在有水条件下，沥青-集料界面体系强度降低的速率比沥青胶浆更快.因此，集料接触区容易发生界面强度失效.沥青和集料表面极性组分之间的相互作用，是决定沥青-集料界面黏结强度和耐久性的关键因素.Wang等旧采用经典分子动力学方法，研究了水对沥青-集料界面的损伤效应，发现在水分子的作用下沥青-集料界面黏结强度会出现明显的下降，并且下降速率随着含水量和温度的上升而增大. Zhang等6的试验表明，沥青-集料界面强度的下降速率不仅与沥青的种类有关，而且与集料的吸水率密切相关，沥青与花岗岩界面的水稳定性比石灰岩差.豆莹莹等7的研究表明，老化会增加水在沥青中的扩散速率，降低沥青-集料界面的黏结强度，使沥青膜容.
宏观的沥青混凝土性能试验很难揭示集料接触区的强度失效机理，因此需要开展相应的细-微观研究.
目前，细微观研究的主要方法可以分为2类：一类是基于热力学理论评价沥青混凝土的水稳定，性，应用最多的是表面自由能理论（10）；另一类是通过细观力学试验，分析环境因素对沥青胶浆或者沥青-集料界面的损伤效应（1115）.细观力学试验包括了直接拉伸试验、搭接剪切试验以及疲劳试验等.在研究沥青-集料界面强度时，常温下一般选择直接拉伸试验.
沿海地区的大气中含有较多的可溶性盐.可溶性盐会随着降雨、海雾和潮汐的作用进入路面结构内部，侵入集料接触区的沥青胶浆以及沥青-集料界面.C1-和SO2一的腐蚀作用很可能加速集料接触区域强度的衰减，使路面发生集料飞散，为透水沥青路面在沿海地区的推广留下了隐患.可溶性盐在冻融循环过程中对沥青路面的损伤效应，已经得到了广泛的关注[1619].近年来，部分学者研究了中国西北盐湖地区和沿海地区盐分侵蚀对沥青混凝土性能的影响（2023，但还缺乏不同盐种类在湿热条件下对沥青混凝土损伤效应的对比，并且盐-湿-热耦合作用的细微观损伤机理仍需要进一步研究.
综上所述，本文将重点开展海盐-湿-热耦合作用对沥青-集料界面体系的损伤效应研究.通过不同盐溶液浸泡和沥青材料自愈模拟试验，根据直接拉伸试验得到的沥青-集料界面体系的抗拉强度和沥青膜率，比研究盐类型、、间对沥青-集料界面体系强度特性、自愈能力以及水稳定性的影响，并结合表面自由能理论分析沥青-集料界面体系的损伤机理，为透水性沥青路面在沿海地区的推广应用提供依据和指导.
1原材料及“三明治”夹心试样制备1.1
选用交通运输部公路科学研究院研制的HVA 高黏剂，对SBS掺量为4.5%（质量分数，文中涉及的掺量、含量等均为质量分数）的成品SBS改性沥青（'D）进行复合改性.将成品SBS改性沥青与HVA按照92:8的质量比，用高速剪切仪制备高黏沥青（H-SBS modified asphalt），剪切速率为5000r/min，持续剪切45min，整个过程温度控制在180〜190h，剪切完成后将改性沥青放入180h 烘箱中发育30min.复合改性前后SBS改性沥青的技术指标如表1所示.
1.2盐溶液
海水和海雾中可溶性盐的主要化学组成是NaCl和Na z SO4.海雾中的离子浓度受地域条件的影响较大，而海水中可溶性盐的质量分数基本保持在3.5%〜5.0%.本文以海水的实际可溶性盐质
1432建筑材料学报第23卷
表1改性前后SBS改性沥青的技术指标
Table1Technical indexes of SBS modified asphalt before
and after modification
Index SBS modified
asphalt
H SBS modified
asphalt
Test
method
Penetration(25C)/
(0.1mm)
5241T0604 Softening point/C8698T0606
Ductility(5C)/cm2836T0605 Flash point/C300310T0611 Viscosity(60C)/(Pa•s)21428601493T0620 Density(25C)/(g・cm"3) 1.047 1.042T0603 Mass loss after RTFOT/%0.030.02T0610
Penetration ratio after
RTFOT-%8283T0604 Ductility(5C)after
RTFOT/cm
1923T0605量分数为基准，在常温下用蒸&水配制5%NaCl溶液、10%NaCl溶液、5%Na2SO4溶液以及5%的复盐溶液.其中10%NaCl是为比盐质量分数增加对损伤效应的影响；5%Na2SO4溶液是为比盐质量分数下Cl"和SO4"的损：应；5%复合盐用水中的Cl"和SO厂的实际比例，其中NaCl与Na2SO4的质量比为7:1（25）.为分析盐的，使用德国KRUSS公司生产的表面（界面）张力分析仪，采用Wilhelmy板法测水和4种盐的表面张力.
13集料芯样
武岩是一种常用于沥青路面表层的硬质岩石，此处选用玄武岩制备圆柱体集料芯样•为了尽可能地集料青界面体系构•&保证试验的作性，参照文献［4］的做法，确集料芯样直径为20mm.如图1所示，首先将大体积石料切成边长为80mm的立方体，然后将立方体石料切片，保证厚度均匀#0mm），随后在钻芯机上钻取直径为20mm的圆柱体芯样，并用砂纸打磨集料芯样表面，最后用100C沸水集料芯样并.
1集料芯样制备过程
Fig.1Fabrication process of aggregate core samples
14“三明治”夹心试样
集料表面的纯沥青膜厚度小于20#m，所以首先研究沥青膜厚度在20#m范围内青-集料试样抗拉强度的，以确定后蚀试验中沥青-集料界面沥青膜的厚度.
自主研1套“三明治”试样成型设备，试样的沥青膜厚度由数显千分尺控制&下部圆柱体集料位置固，上部圆柱体集料数显千分尺的缩，数显千分尺的精确度为微米级•试样成型过程中，通过数显千分尺的微调旋：调控集料的间保证试样的沥青膜厚到值.首先将集料芯样加热到190C&符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》；然后将沥青至2个集料芯样的表面，最后调整集料芯样的间距，成型试样•试样的沥青膜厚度（集料间距）分别为0、2、4、6、12、20#m.由于经砂纸打磨之后，集料芯样表面仍一疋的凸起.当集料芯样间距为0时&上下集料表面的凸起部分：昇旦在凸起的间隙处仍一定数量的沥青，可将集料表面•成型后的沥青-集料试样如2示.
(a)Diameter(b)Sandwich stracture
2成型后的沥青-集料试样
Fig.2
表达载体构建Fabricatedasphaltaggregatespecimen
第6期周志刚，等：湿热环境下海盐侵蚀对沥青-集料界面体系的损伤效应分析1433
2试验方法
2.1直接拉伸试验
拉伸试验采用美国公路及运输协会(AASHTO)的Binder Bond Strength(BBS)Test和美国试验与材料协会(ASTM)推荐的Quantum Gold型气动黏结力拉伸测试仪(P.A.T.T.I)，本文设计了1P.A.T.T.I加载活塞匹配的“三明治”试样拉具，用拉伸试验(见图3).拉试验在20C下进行，加载速率控制在35kPa/s，个沥青膜厚度制作4个平行试件•
Reaction plate with
止水铜板
Puling force threaded center hole
Coating
图3P.A.T.T.I加载活塞
Fig.3Loading piston of P.A.T.T.I
2.2溶液侵蚀模拟试验
模拟5%NaCl溶液、10%NaCl溶液、5% Na2SO4溶液以及5%的复合盐溶液等4种盐溶液和水&条件下对沥青-集料界面体系和集料表面的侵蚀作用•将沥青-集料“三明治”夹心试样分别在5种溶液中浸泡8h、1、2、4、6d，对比盐种类及溶液质量分数、间对沥青-集料界面的侵蚀!•期，沥青-集料试样的抗拉强能：较&地缩试验前期数据采集的周期，每试验制备4个平行试件•
厨师帽
有试样的为60C，这主要是为地区在夏季条件下路面结构内部的.高温会加剧分子的，因此会促进水和海盐的侵蚀•
在到达测试时间后，从恒温水箱中取出装有浸泡试样的瓶，放入20C中保温1h.待其
20C后，将沥青-集料试样瓶中取出，并与拉伸夹具连接，然后用P.A.T.T.I测试抗拉强度•完拉伸试验之后，将破坏后的试样室自，待其表干后用数码照相机以超微距模式采集破坏面的图像，再运用Image-pro plus软件进行图像处理，计算破坏面沥青膜的剥率.
蝽卵2.3沥青-集料界面自愈试验
目前，关于沥青与集料界面的自愈现象鲜有学者研究.本文将研究盐蚀青-集料界面自愈能力的影响，试验方案如表2所示•
表2沥青-集料界面自愈试验方案
Table2Scheme of asphalt-aggregate interface self-healing test Scheme No.Test method
①
Long-term immersion(6d，0C)+3h
high-temperature self-healing(60C)②
Long-termimmer+ion(6d，60C)+3h
high-temperature+elf-healing(60C)
+8h water immersion(60C)
表2中，方案①与前述的溶液浸泡试验对比，可用于研究沥青-集料试样在60C的界面自愈能力.
段述的试验的
，浸泡6d后将试样瓶中取出，放入60C
中加热3h，然后在20C2h，复常温后，用P.A.T.T.I测试抗拉强度.方案②与方案①比，可以分析自愈后沥青-集料试样的L 水.其操作流程①一致，将60C自愈后的沥青-集料试样，在常2h后放入装满水的瓶，随后在60C水箱内8h(可用
2.2节8h的试验比，反映自愈后试样的水)，然后从水箱中，待复到20C后，用P.A.T.T.I测试拉强，并分析破坏面的沥青膜剥落率.
3度对沥青-集料试样抗拉强度的影响
沥青-集料试样在20C的抗拉强度如表3所示.从表3可以看出：(1)在6〜20#m的范围内，随青膜厚度的，沥青-集料试样的抗拉强】
大，这与Huang等阴的试验一致.这是因为沥青膜的厚，内部的，拉伸过程中会表现的抗拉强度•()在0〜6#m的范围内，沥青-集料试样的抗拉强青膜厚度的减
，所有试样的破坏面均呈沥青膜内聚力.
沥青膜厚度会存在一定的不均匀性，如图4所示•经打磨的集料芯样表面凹凸不平，图中R max为集料
表面的最大，试验中控制的集料间：是集料之间的间隙h mn，大间隙为h max=2R max+h min•研究表明：打
磨之后集料表面的
1434建筑材料学报第23卷
Table3
表3不度的“三明治”试样抗拉强度
Tensile strength of"sandwich"specimen with different asphalt film thickness
Asphaltfilmthi8kness/#m Tensilestrength/kPa
CV/%
024
1048.121380.531445.27
2.5 2.9 2.4
6
1680.16
1.1
12
1582.18
1.2
20
1387.75
1.0
最大凸出高度-R max在3〜5#m之间，而未打磨的集料表面凸100#m⑷.随着集料之间沥青膜厚的,h mm/h ma x，说明沥青膜厚度的最大值和最小值大，沥青膜厚度更加不均.厚度!的沥青膜在拉伸过程中更易造成局部应力集中，使得沥青膜更早地岀现破坏.因此，当青膜的厚6#m时，沥青-集料试样的抗拉强青膜厚度的减小
4集料表面微示意图
Fig.4Schematic diagram of aggregate surface
microscopicfeature
综上所述，6的沥青膜厚度能够保证集料表面青膜具有良好的，同时表现的抗拉强度，这有利于测试海盐侵蚀损伤后的沥青-集料界面强度.因此，本文将沥青膜厚度为6的沥青-集料试样作为研究青-集料界面体系损伤效应的标准试样.
4沥青集料界面体系损伤效应分析在不同溶液中浸泡不同时间后的沥青-集料试样抗拉强度如表4所示，表中内数据为?.
从表4：随着浸泡时间的延长，沥青-集料试样的抗拉强，前期的速率E，后平稳；每种盐试样抗拉强却向的程度不同，其中浸泡在5%Na2SO4溶液中的试样抗拉强，然后依次是5%复合盐溶液、5%NaCl溶液、水和10%NaCl溶液，由此可见盐青-集料试样的损要大水.
kPa Immersion condition
Immersion
表4浸泡后沥青-集料试样的抗拉强度
Table4Tensilestrengthoftheasphalt-aggregatespecimenafterimmersion男式接尿器
time
Water 5%NaCl10%NaCl
5%Na2SO45%compositesaline
8h1467.60(0.019)1300.71(0.006)1480.26(0.028)1090.69(0.013)1205.82(0.015) 1d1210.05(0.015)1111.85(0.026)1245.10(0.021)920.65(0.028)1050.55(0.028) 2d950.39(0.018)910.24(0.011)1025.07(0.005)782.29(0.019)890.19(0.003) 4d874.73(0.038)820.76(0.004)936.35(0.008)675.83(0.022)756.32(0.046) 6d766.54(0.032)656.12(0.032)852.74(0.042)540.95(0.049)642.36(0.028)
沥青-集料试样破坏面的图像如表5所示.从表5：间的增加，沥青-集料试样破坏面残留沥青膜的数；集料表面的沥青膜并没有表现岀大面积的整体，而是小范围的间隔剥落.运用Image-pro plus软件对采集的破坏面进行分析，沥青膜与集料表面的边界识别如图5所示.
将沥青-集料试样破坏面的总剥落面积除以破坏面的横截面积就能计算岀相应的沥青膜剥落率，结果如表6所示.从表6可以看岀：沥青-集料试样破坏面沥青膜的面积间的延长逐渐增大，前2d的涨幅最大，所有试样的剥落率在浸泡2d后均超过了75%;5%Na2SO4溶液的速率增加最快，浸泡2d后就达到了95
%，在后的4d大，但是其强度仍然有一程.这说明的侵蚀作用&青-集料试样的破坏形式由侵蚀前的沥青膜失薇
地转化为界面失效.
5海盐侵蚀的损伤机理分析
在有水溶液条件下，溶液会自发地促使沥青-集料的界面分离&青和集料2
个新
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议