煤矸石粉/聚酯纤维沥青混合料盐蚀抗弯性能

吴金荣, 崔善成, 洪荣宝, 李 飞

(1.安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心, 安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学 土木建筑学院, 安徽 淮南 232001)

在中国大部分沿海地区,沥青路面饱受降水、雾气以及空气中氯盐分子的侵蚀,其路面性能被迫下降[1].近些年,国内在沥青混合料的路用性能上展开了广泛而深入的研究.刘宇等[2]用半圆形试件加载的方式来模拟沥青路面面层底部的受力状态,结果表明,沥青混合料开裂的主要原因为受拉破坏,且可以用弯拉强度来评价沥青混合料的抗开裂性能;马芹永等[3]对沥青混合料进行冻融劈裂试验发现,沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度因子和冻融腐蚀因子均随着冻融循环次数的增加而降低,其中冻融腐蚀因子具有较高的评价能力;徐波等[4]研究了在不同浓度盐溶液中浸泡不同时间的橡胶沥青混合料的高温性能,结果表明,橡胶沥青混合料的动稳定度和高温抗车辙变形能力均随着NaCl溶液浓度的增加出现不同程度的降低;陈拴发等[5]研究了融雪除冰材料的添加对沥青混合料路用性能的影响,发现融雪除冰材料的加入,使沥青混合料的水稳性能稍有提高,但其高温稳定性能和低温抗开裂性能却有所下降;Feng等[6]通过对3种沥青混合料进行冻融试验和NaCl溶液侵蚀试验,得出了冻融循环和NaCl溶液侵蚀加速了沥青和集料之间的界面损伤,导致沥青混合料的冻融强度降低.

为了提高沥青混合料的抗侵蚀能力,学者们从材料的角度对沥青混合料进行不同的改进,以此来获得有效的解决方案.Wu等[7]通过低温三点弯曲试验,研究掺加不同纤维对沥青混合料低温抗裂性能的改善效果,结果表明,聚酯纤维对Ⅰ型裂纹和Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹具有明显的改善效果.叶群山等[8]分析了聚酯纤维对沥青混合料路用性能的改善,得出聚酯纤维能增强沥青混合料的劲度并提高其疲劳寿命.沥青和聚酯纤维之间相互依附粘连,在混合料内部呈网格状分布,提高了沥青混合料的抗裂性能和高温稳定性能[9].

煤矸石粉由煤矸石磨细制成,中国现存煤矸石数量庞大,且常年持续排放,存在占地、污染等缺点[10].但是煤矸石可以用作道路建筑基料[11].熊锐等[12]通过在沥青混合料中掺加煤矸石粉和水镁石纤维,发现2种材料均可以提高沥青混合料的路面性能;Hong等[13]研究表明,在沥青混合料中掺加适量煤矸石粉后，其力学性能更加优异.尽管如此,中国对煤矸石用途的研发并不深入,对煤矸石的利用并不广泛,尚有较大的资源化空间[14].

综上所述,虽然国内外学者对沥青混合料的抗侵蚀性能做了一些研究,但是对掺加煤矸石粉沥青混合料的侵蚀性能研究还很少.因此,本文开展了室内常温下NaCl溶液侵蚀和高温加速侵蚀模拟试验,来模拟沿海地区氯盐分子对沥青混合料的侵蚀损害,分析聚酯纤维和煤矸石粉对不同浓度NaCl溶液侵蚀下的沥青混合料抗弯性能的改善效果,并通过微观扫描分析盐分侵蚀的破坏机理.

1 试验材料与方案

1.1 原材料

试验采用重交70#道路石油沥青,实测指标均符合规范要求;集料采用石灰岩,级配为AC-13,级配组成见表1所示;填料采用石灰岩矿粉和裕川煤矸石粉(CGP),两者的技术参数见表2;聚酯纤维(PF)采用润方路用聚酯纤维.

表1 AC-13级配组成Table 1 AC-13grade composition

表2 矿粉与煤矸石粉的技术参数Table 2 Technical parameters of ore powder and coal gangue powder

1.2 试验方案

由马歇尔稳定度试验得出不同聚酯纤维掺量(1)文中涉及的掺量、比值、浓度等除特别说明外均为质量分数或质量比.wPF(0%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%)对应的最佳油石比为5.30%、5.50%、5.55%、5.57%、5.60%和5.63%.最佳油石比下的马歇尔试验结果见表3,表3中VV、VMA分别为空隙率和矿料间隙率.煤矸石粉等质量替代矿粉的替代率wCGP取0%,25%,50%,75%,100%[12].试验采用的沥青混合料试件为直径101.60mm、厚度31.75mm的半圆形试件,由标准马歇尔试件加工而成.根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》,对沥青混合料试件进行真空饱水.将真空饱水后的试件分成4组,分别置于浓度(wNaCl)为0%、7.0%、13.0%、26.5%的NaCl溶液中浸泡72h,室温保持在25℃;将浸泡后的试件放入烘箱中高温加速侵蚀12h,温度控制在60℃.取出试件静置12h,待试件冷却至室温后,对其进行超声波无损检测和沥青混合料半圆弯曲断裂(SCB)试验.

表3 最佳油石比下的马歇尔试验结果Table 3 Marshall test results at the best asphalt-aggregate ratio

2 SCB试验结果与分析

沥青混合料试件的破坏过程表明,初始裂缝产生于试件底部中心位置,该处所受的拉应力较其他位置要大,因而,该处的极限拉应力(σt)是判断试件开裂的临界指标.极限拉应力(σt)的计算方法已经发展得相对成熟,刘宇等[2]通过有限元法求得了极限拉应力的近似解,并通过试验验证了其准确性,其计算如式(1)所示.

(1)

式中：F为竖向荷载,N;W为试件厚度,W=31.75mm;D为试件直径,D=101.60mm.

裂缝沿着试件竖向半径方向由下而上发展,环向形成拱形压力带,水平向形成V形拉伸带,应变速率沿着水平方向,中间快两边慢,因而试件底部中心位置的竖向应变ε是评价沥青混合料裂缝扩展快慢的有效指标.李萍等[15]采用试验加模拟的方法,得出了沥青混合料半圆形试件底部竖向应变ε的表达式：

(2)

式中：L为支座跨距,L=80mm;d为试件底部中心挠度,mm.

2.1 SCB试验结果

不同浓度NaCl溶液浸泡下沥青混合料极限拉应力σt和峰值应变εp随聚酯纤维掺量wPF与煤矸石粉替代率wCGP的变化如图1、2所示.

2.2 SCB试验结果分析

2.2.1聚酯纤维的影响

由图1可以看出：当煤矸石粉替代率一定时,沥青混合料SCB试件的极限拉应力随聚酯纤维掺量的增加先增大后减小,极限拉应力达到最大值时聚酯纤维掺量为0.40%;当煤矸石粉替代率为50%,聚酯纤维掺量由0%增加到0.40%时,在0%、7.0%、13.0%、26.5% NaCl溶液浸泡下试件的极限拉应力分别由3.635、3.374、3.250、3.056MPa提高到4.322、4.195、3.859、3.560MPa,极限拉应力提高幅度为15.5%～24.3%;聚酯纤维掺量由0.40%增加到0.50%时,不同浓度NaCl溶液浸泡下试件的极限拉应力分别由4.322、4.195、3.859、3.560MPa降低到3.622、3.531、3.384、3.281MPa，极限拉应力降低幅度为7.8%～15.8%.

由图2可以看出：当煤矸石粉替代率一定时,沥青混合料SCB试件的峰值应变随着聚酯纤维掺量的增加先增大后减小,峰值应变达到最大值时聚酯纤维掺量为0.40%;当煤矸石粉替代率为50%,聚酯纤维掺量由0%增加到0.40%时,不同浓度NaCl溶液浸泡下试件的峰值应变分别由4.6、4.4、4.1、3.9μm/m提高到5.9、5.7、5.4、5.2μm/m，峰值应变提高幅度为28.3%～33.3%.聚酯纤维掺量由0.4%增加到0.5%时,不同浓度NaCl溶液浸泡下试件的峰值应变分别由5.9、5.7、5.4、5.2μm/m降低到5.1、4.3、4.0、3.5μm/m，峰值应变降低幅度为13.6%～25.9%.

由此说明,掺加适量的聚酯纤维能够有效增强沥青混合料的抗弯性能.

2.2.2煤矸石粉的影响

由图1可以看出,当聚酯纤维掺量一定时,沥青混合料SCB试件的极限拉应力随煤矸石粉替代率的增加先增大后减小,极限拉应力达到最大值时煤矸石粉替代率为50%.图1(a)、(b)、(c)中曲线显示,当聚酯纤维掺量为0.40%,煤矸石粉替代率由0%增加到50%时,0%、7.0%、13.0%浓度NaCl溶液浸泡下试件的极限拉应力分别由3.934、3.813、3.555MPa提高到4.322、4.195、3.859MPa.极限拉应力提高幅度为8.6%～10.0%.煤矸石粉替代率由50%增加到100%时,0%、7.0%、13.0%浓度的NaCl溶液浸泡下试件的极限拉应力分别由4.322、4.195、3.859MPa降低到4.036、3.956、3.642MPa.极限拉应力降低幅度为4.8%～6.6%.图1(d)中试件的极限拉应力在煤矸石粉替代率为25%时达到最大值,并且极限拉应力提高了11.3%.因此,当煤矸石粉替代率为25%～50%时,试件表现出优异的抗弯能力.

图1 沥青混合料极限拉应力随聚酯纤维掺量与煤矸石粉替代率的变化Fig.1 Variation of ultimate tensile stress of asphalt mixtures with wPF and wCGP

由图2可以看出,当聚酯纤维掺量一定时,沥青混合料SCB试件的峰值应变随着煤矸石粉替代率的增加先增大后减小.峰值应变达到最大值时煤矸石粉替代率为50%;当聚酯纤维掺量为0.40%,煤矸石粉替代率由0%增加到50%时,0%、7.0%、13.0%、26.5%浓度的NaCl溶液浸泡下试件的峰值应变分别由4.1、3.8、3.6、3.4μm/m提高到5.9、5.7、5.4、5.2μm/m.峰值应变提高幅度为43.9%～52.9%;煤矸石粉替代率由50%增加到100%时,0%、7.0%、13.0%、26.5%浓度NaCl溶液浸泡下试件的峰值应变分别由5.9、5.7、5.4、5.2μm/m降低到4.9、4.4、4.0、3.2μm/m.峰值应变降低幅度为16.9%～38.5%.

由此说明,在填料中添加适量的煤矸石粉可以有效增强沥青混合料的抗弯性能.

2.2.3NaCl溶液浓度的影响随着NaCl溶液浓度的增加逐渐减小;当煤矸石粉替代率为50%,聚酯纤维掺量为0.40%时,随着NaCl溶液浓度的增大,极限拉应力依次为4.322、4.195、3.859、3.560MPa.说明随着NaCl溶液浓度的增加,沥青混合料内部的损伤程度加重,NaCl的侵入,降低了沥青、集料、填料以及纤维之间的整体黏结力和握裹力,从而降低了沥青混合料SCB试件的极限拉应力.

由图1可以看出：当煤矸石粉替代率和聚酯纤维掺量一定时,沥青混合料SCB试件的极限拉应力由图2可以看出：当煤矸石粉替代率和聚酯纤维掺量一定时,随着NaCl溶液浓度的增加,沥青混合料SCB试件的峰值应变减小;当煤矸石粉替代率为50%,聚酯纤维掺量为0.40%时,随着NaCl溶液浓度的增大,峰值应变依次为5.9、5.7、5.4、5.2μm/m.说明随着NaCl溶液浓度的增加,沥青混合料内部的损伤加重,降低了内部结构的整体性,从而降低了沥青混合料SCB试件的峰值应变.

图2 沥青混合料峰值应变随聚酯纤维掺量与煤矸石粉替代率的变化Fig.2 Variation of peak strain of asphalt mixtures with wPF and wCGP

由此说明,NaCl侵蚀是沥青混合料抗弯性能下降的重要因素.

2.3 因素显著性分析

不同影响因素与试件极限拉应力的方差分析见表4.由表4可以看出：不同影响因素与沥青混合料极限拉应力的显著性差异系数(sig)均为0,这表明聚酯纤维掺量、煤矸石粉替代率和NaCl溶液浓度对试件极限拉应力均有显著影响;由统计量F值的大小可知,NaCl溶液浓度对试件极限拉应力的影响最显著,聚酯纤维掺量次之,煤矸石粉替代率显著性最低.

表4 不同影响因素与试件极限拉应力的方差分析Table 4 Analysis of variance of different influencing factors and ultimate tensile stress of specimens

3 超声波无损检测结果与分析

超声波在固体、液体、空气中的波速是逐渐降低的,可以由超声波检测仪测试得到的波速v来分析试件内部的孔隙情况,以此推断试件内部损伤情况.2008年,吴金荣等[16]通过超声波检测得到了沥青混合料波速与抗弯强度的关系.2015年,Cui等[17]通过超声波检测来表征单调压缩加载和重复压缩加载对热拌沥青混合料(HMA)的机械损伤,得到了HMA损伤与加载方式的关系.颜可珍等[18]采用超声波法来评价沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)的冻融循环性能,并提出了提高评价准确性的方法.

因此,本文将侵蚀后的沥青混合料SCB试件放置于超声波无损检测仪上,先测得超声波在试件内部的传播时间,再用SCB试件厚度除以超声波传播时间,计算得到不同浓度NaCl溶液侵蚀情况下沥青混合料SCB试件的波速v,如表5所示.

表5 不同浓度NaCl溶液侵蚀情况下沥青混合料的波速和极限拉应力Table 5 Wave velocity and ultimate tensile stress of asphalt mixture with different contents of NaCl solution

由表5可以看出,沥青混合料的波速和极限拉应力均随着NaCl溶液浓度的增加而逐渐降低.说明随着NaCl溶液侵蚀的加剧,沥青混合料试件内部出现细小的孔隙使超声波的波速降低.NaCl侵蚀破坏了沥青混合料内部的原始结构,使得其极限拉应力也随之降低.为了展现沥青混合料波速与极限拉应力反应出的一致规律,将两者进行了双对数线性拟合,拟合公式如式(3)、(4)所示.拟合结果如表6所示.

σt=AeBv

(3)

lnσt=lnA+Bv

(4)

式中：A为拟合常数;B为侵蚀损伤因子.

表6 沥青混合料的波速与极限拉应力的拟合结果Table 6 Fitting results of wave velocity and ultimate tensile stress of asphalt mixture

由表6可以看出,沥青混合料的波速与极限拉应力的相关性系数R2较高,分别为0.643、0.980、0.981、0.977.波速越大说明试件的内部结构越完整致密,强度也越高,对应的极限拉应力也就越高.侵蚀损伤因子B越大,拟合直线越倾斜,说明极限拉应力的降低速度越快.侵蚀损伤因子随着NaCl溶液浓度的增加逐渐增大,拟合直线逐渐变陡,沥青混合料极限拉应力的下降程度增加,这也充分说明NaCl侵蚀加剧了沥青混合料的损伤程度.

4 微观机理分析

借助扫描电子显微镜(SEM)来观察煤矸石粉、矿粉和聚酯纤维在沥青混合料中的形态[19-21],结果见图3.

4.1 煤矸石粉微观机理分析

煤矸石粉和矿粉在所含成分、比表面积以及粗糙程度等方面有显著的不同[22].由图3(a)、(b)可看出：首先,就比表面积而言,煤矸石粉比表面积比矿粉更大,吸附沥青的能力更强,增厚沥青膜的能力也更高,沥青混合料的塑性能力和柔性也随之提高;其次,煤矸石粉表面的粗糙程度高于矿粉表面的粗糙程度,前者阻碍沥青分子运动的效果更好,对沥青的握裹力更强,可降低沥青分子的流动变形.粗糙的煤矸石粉在沥青混合料中可以形成均匀且具有吸附能力的孔隙,更易于沥青分子的进入,从而提高了沥青混合料内部结构的整体性.当填料均为矿粉时,沥青混合料内部骨架堆积所形成的大孔隙并不能被很好的填充,成为影响混合料开裂的潜在因素.

图3 煤矸石粉、矿粉和聚酯纤维在沥青混合料中的形态Fig.3 Morphology of coal gangue powder, mineral powder and polyester fiber in asphalt mixture

当填料均为煤矸石粉时,煤矸石粉比表面积大的特点致使沥青混合料内部产生了许多中空结构,将沥青拒之门外,在受力过程中,该处极易形成应力集中,致使混合料开裂.

当沥青混合料中煤矸石粉替代率为50%时,沥青、煤矸石粉、矿粉三者作用关系如图4所示.

图4 沥青、煤矸石粉、矿粉三者作用关系Fig.4 Relationship between asphalt, coal gangue powder and ore powder

当加入煤矸石粉时，混合填料的级配被进一步细化,二者相互勾嵌挤压,导致分子的受力不平衡,吉布斯自由能无法扩散[23],因此与沥青接触后,混合填料会迅速吸附沥青来降低自身的吉布斯自由能,以达到相对稳定状态.在吸附沥青过程中,凹凸不平的混合填料与沥青之间产生范德华力,发生极化反应,感生出电偶极矩,形成物理定向层,将沥青牢牢锁住,从而提高了沥青混合料的内黏聚力,并在骨料表面形成更坚韧的沥青膜,可延缓微裂缝的形成与扩展,提高沥青混合料的抗裂性能.

4.2 聚酯纤维微观机理分析

聚酯纤维是一种聚合物,质地软、质量轻,但其强度高,回弹性和延伸性也比较好,且有较好的分散性.聚酯纤维在混合料中可以起到吸附沥青填料,桥接集料,加固结构的作用,能有效改善沥青混合料的路用性能[24].聚酯纤维在沥青混合料中的分布形态如图3(c)～(e)所示.

由图3(c)～(e)可看出：聚酯纤维分布均匀，在沥青混合料中桥接集料、填料以及沥青,形成相互搭接的网格,起到了加筋和锚固的作用;同时,由于聚酯纤维的吸附作用使得填料和沥青分子紧紧依附于聚酯纤维表面,锚固于集料之中,增加了混合料的整体性;当聚酯纤维掺量为0.40%时,聚酯纤维在沥青混合料中的分散性好,不易结团,形成均匀相互搭接的致密网格,充分起到加筋锚固的作用.在沥青混合料受压过程中,聚酯纤维可以更好地扩散内部应力,抑制微裂纹的产生与扩展,明显改善了沥青混合料的抗弯性能;当聚酯纤维掺量过少(0.30%)时,在沥青混合料中极其分散,不能形成均匀相互搭接的网格结构,不能够充分地起到加筋锚固的作用,当试件受到外荷载时,不能较好地传递内部应力,沥青混合料的抗弯强度不高.相反的,聚酯纤维掺量过多时,其在沥青混合料中不能够充分地分散开来,极易聚集成团,当试件受到外荷载时,沥青混合料内部产生应力集中,致使其抗弯强度有所降低.

4.3 盐分侵蚀微观机理分析

由SEM得到NaCl溶液侵蚀前后沥青混合料微观结构对比,如图5所示.

图5 NaCl溶液侵蚀前后沥青混合料微观结构对比图Fig.5 Comparison of microstructure of asphalt mixture before and after NaCl solution erosion

由图5可知：在清水中浸泡后,沥青混合料试件内部的沥青膜依然致密,且沥青、纤维与集料之间仍然有着极强的黏聚力,结构的整体性较好,结构内部几乎没有孔隙;经NaCl溶液浸泡后,沥青混合料试件内部的沥青膜凹凸不平,且沥青膜上布满明显可见的孔洞,沥青混合料内部出现损伤,破坏了试件的整体性,使结构变得松散,黏聚力下降,对沥青混合料的抗弯强度损害严重.这也说明了NaCl溶液侵蚀是致使沥青混合料抗弯性能降低的重要因素之一.

浸泡在NaCl溶液中的沥青混合料同时受到水分和NaCl溶液的双重侵蚀,溶液中游离的Na+和Cl-会加速沥青混合料的老化,使盐溶液更易渗入到沥青-集料界面的孔隙和毛细管中,破坏沥青膜,降低沥青与集料的黏结性[25-27].在高温加速侵蚀过程中,高温使沥青混合料中水分蒸发,导致氯盐结晶析出,在沥青混合料内部产生结晶压力,致使混合料内部损伤,进而影响沥青混合料的抗弯性能.

5 结论

(1)由于均匀随机分布的网络状聚酯纤维具有吸附、锚固和加筋作用,因此掺加聚酯纤维后,沥青混合料的极限拉应力和峰值应变提高,极限拉应力提高幅度在15.5%～24.3%.聚酯纤维的最佳掺量为0.40%.

(2)用适量的煤矸石粉等质量替代矿粉可以提高沥青混合料的抗弯性能.煤矸石粉替代率的最佳值为50%.

(3)沥青混合料的极限拉应力和峰值应变随着NaCl溶液浓度的增大而降低.当煤矸石粉替代率和聚酯纤维掺量均为最佳时,沥青混合料极限拉应力随着NaCl溶液浓度的增加而逐渐降低.盐分侵蚀能加速沥青混合料抗弯性能的衰减.

(4)根据超声波在沥青混合料中的波速来判断盐分侵蚀下沥青混合料内部的损伤,侵蚀损伤因子越大,沥青混合料的极限拉应力损失速率越大.NaCl溶液浓度越大,沥青混合料的损伤程度越高.

(5)通过SEM可以得出,在NaCl溶液的侵蚀下,氯盐分子进入沥青混合料内部,降低了材料内部整体的黏结力和握裹力,使沥青混合料内部出现损伤,致使其内部结构破坏、整体性降低,大大降低了沥青混合料的抗弯性能.