煤矸石粉/聚酯纤维沥青混合料盐冻损伤研究

吴金荣， 张 涛， 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）

冬季低温环境和除冰盐所引起的路面开裂均会严重影响沥青路面的服务质量和使用年限.沥青路面盐冻劣化损伤问题已逐渐成为国内外学者密切关注的问题之一.有学者［1‑6］从微观角度，结合损伤理论和方差等，评价了盐蚀沥青混合料性能的劣化机理，建立了冻融循环下沥青混合料损伤性能的普适模型，认为沥青-集料黏接界面损坏是其性能衰减的主要原因，并得到了沥青种类、冻融循环次数、除冰盐浓度对沥青混合料抗裂性能的影响规律，发现盐蚀环境下沥青成分的变化使沥青胶浆劣化更严重.这些研究多集中于利用单一宏观指标来反映沥青混合料劣化损伤性能，对于复合改性沥青混合料的盐冻损伤微观改性机理研究较少.

目前，煤矸石已成为中国排放量和累积存量最大的工业固体废弃物之一［7‑8］，存在占地和污染等问题.然而煤矸石可用作道路基建材料，其中活化煤矸石粉等量代替矿粉［7］后可使沥青胶浆的抗剪性能更好［8］.因此合理开发利用煤矸石，可以做到资源回收、绿色发展.另外，聚酯纤维复合改性沥青混合料的温度敏感性、低温抗弯裂和延塑性较好，沥青分子与聚酯纤维相互搭接形成的网状结构能够提高混合料的抗裂性能，增强混合料劲度，改善其疲劳性能［9‑10］.

综上所述，本研究将煤矸石粉和聚酯纤维掺加到沥青混合料中，通过室内氯盐冻融循环试验来模拟冬季路面除冰盐的使用情况，研究沥青混合料的低温盐蚀损伤机理，以期为沥青路面在高寒盐渍土地区的应用提供理论基础.

1 试验

1.1 原材料

集料采用淮南本地产石灰岩，级配为AC‑13；填料采用河北灵寿县偏高岭土系煤矸石粉（CGP）和石灰岩矿粉（MP），其化学组成（质量分数，文中涉及的组成、替代率、掺量等均为质量分数）和物理参数如表1 所示.本研究采用煤矸石粉部分替代矿粉，替代率为50%.外掺剂采用润方路用聚酯纤维，掺量为0.4%［10］.沥青为Ⅰ类D 型SBS 改性沥青.掺入聚酯纤维可以改变沥青混合料的沥青用量，选择0%、4.00%、4.50%、5.00%、5.50%和6.00%这6 种沥青用量分别制作标准马歇尔试件，通过测定马歇尔试件的稳定度、流值及毛体积密度等物理指标，最终确定最佳沥青用量为5.62%.

表1 煤矸石粉和矿粉的化学组成和物理参数Table 1 Chemical composition and physical parameter of coal gangue powder and mineral powder

1.2 试验方法

沥青混合料半圆形试件尺寸为φ（101.60±0.25）×（30.00±1.35）mm，由标准马歇尔试件切割而成.配制质量分数为0%、7.0%、13.0%和26.5%的NaCl 溶液；同时结合现有研究成果［10‑12］，选取冻融循环次数分别为0、2、4、6、8 次；待试件自然风干至室温后，进行超声波无损检测、半圆弯曲（SCB）试验、扫描电镜（SEM）和X 射线衍射（XRD）检测.

2 结果及分析

2.1 质量变化率及相对波速

由于沥青混合料质量在经受盐冻融循环后会发生变化［4］，本文研究沥青混合料在盐冻融循环试验中的质量变化规律，进而分析盐冻融循环对SCB 试件的侵蚀损伤，并用超声波法计算侵蚀前后的相对波速.

图1 为盐冻耦合作用下SCB 试件的质量变化率.由图1 可见：（1）在冻融循环次数一定的情况下，随着NaCl溶液质量分数的增加，SCB试件质量变化率依次递增，当NaCl溶液质量分数为7.0%～13.0%时，试件质量变化率增长最快；当NaCl 溶液质量分数为13.0%～26.5%时，试件的质量变化率增长趋缓；当NaCl溶液质量分数为26.5%时，试件的质量变化率达到最大.（2）在NaCl溶液质量分数一定的情况下，随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的质量变化率稳定增长，8 次冻融循环后试件质量变化率达到最大；当NaCl溶液质量分数为26.5%，冻融循环8次时，SCB试件的质量变化率达到最大，为0.456%.

图1 盐冻耦合作用下SCB 试件的质量变化率Fig.1 Mass change rate of SCB specimen under salt‑freezing coupling action

图2为盐冻耦合作用下SCB 试件的相对波速.由图2可见：（1）在同一冻融循环次数下，随着NaCl溶液质量分数的增加，试件的相对波速逐渐降低，其中当NaCl 溶液质量分数为0%～7.0%时，试件的相对波速下降较为明显；当NaCl 溶液质量分数为7.0%～13.0%时，试件的相对波速下降幅度最大；当NaCl溶液质量分数为13.0%～26.5%时，试件的相对波速下降不再明显；当NaCl溶液质量分数为26.5%时，试件的相对波速降至最低.（2）在NaCl溶液质量分数相同条件下，随着冻融循环次数的增加，试件的相对波速逐渐降低，2次冻融循环后相对波速下降明显；4、6次冻融循环后，试件的相对波速下降幅度较缓；6次冻融循环后相对波速降幅增加；8 次冻融循环后相对波速降至最小.综上所述，在NaCl溶液质量分数为26.5%，冻融循环8次时，SCB试件的相对波速降至最小，为0.896.

图2 盐冻耦合作用下SCB 试件的相对波速Fig.2 Relative wave velocity of SCB specimen under salt‑freezing coupling action

沥青混合料在盐溶液冻融循环过程中经受“溶液吸收—溶液迁移—融化平衡”3个阶段.盐分在沥青胶浆中的“固化”作用使混合料质量增加，存在于胶浆中的盐对沥青组分产生“盐析”效应，使沥青中轻质组分含量减少，沥青变硬、变脆［13］.SEM 图片显示：沥青膜出现裂隙并附着有透明晶粒，宏观表现为混合料延塑性降低、力学性能衰减；随着NaCl 质量分数的增加，混合料内部“固化”、“盐析”作用的相对强弱影响着混合料的质量变化率；随着盐蚀和冻融耦合作用的持续进行，混合料内部微孔隙裂纹增多，相对波速下降，其中冻融循环2～6 次时，试件相对波速下降缓慢，其主要原因是SBS 聚酯纤维复合改性沥青提高了混合料的抗冻性能.

2.2 SCB 试验结果

本文引入极限拉应力（σt）和极限拉应变（ε）［14‑15］2个指标来评价盐冻耦合作用对沥青混合料低温开裂性能的影响.

2.2.1 NaCl溶液质量分数的影响

盐冻耦合作用下，SCB 试件三点弯曲破坏时的极限拉应力和极限拉应变三维折线图见图3.

图3 盐冻耦合作用下SCB 试件的极限拉应力和极限拉应变三维折线图Fig.3 3D line graph of ultimate tensile stress and ultimate tensile strain of SCB specimen under salt‑freezing coupling action

由图3（a）可见：在冻融循环次数一定的情况下，随着NaCl 溶液质量分数的增大，沥青混合料的极限拉应力依次减小，当NaCl 溶液质量分数达到13.0%后，极限拉应力降幅趋于平缓；当NaCl 溶液质量分数为26.5%时，沥青混合料的极限拉应力最小，该条件下，冻融循环0、2、4、6、8 次的极限拉应力分别为7.94、6.03、5.25、3.66、3.77 MPa，较未侵蚀状态下减少了0.39%、16.14%、14.84%、41.01%、32.65%.

由图3（b）可见：在冻融循环次数一定的情况下，随着NaCl溶液质量分数的增大，沥青混合料的极限拉应变依次减小；当NaCl溶液质量分数为26.5%时，沥青混合料的极限拉应变降至最低，对应冻融循环0、2、4、6、8次的极限 拉 应 变分别为0.350×10-2、0.302×10-2、0.297×10-2、0.267×10-2、0.250×10-2mm/m，较未侵蚀状态下减少了2.63%、9.68%、8.33%、13.91%、15.14%.

2.2.2 冻融循环次数的影响

由图3（a）还可见：在NaCl 溶液质量分数一定的情况下，随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的极限拉应力依次减小，其中冻融循环次数为2～6 次时，沥青混合料的极限拉应力衰减速率略有减小；冻融循环次数达到8 次时，沥青混合料的极限拉应力衰减到最小，对应NaCl 溶液质量分数0%、7.0%、13.0%、26.5%分别为5.60、5.16、3.78、3.77，较未侵蚀状态下减少了29.76%、32.86%、53.30%、52.51%.

由图3（b）还可见：在NaCl 溶液质量分数一定的情况下，随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的极限拉应变依次减小，同样在冻融循环次数达到8 次时，沥青混合料的极限拉应变衰减到最小，对应NaCl质量分数0%、7.0%、13.0%、26.5% 分别为0.294、0.285、0.269、0.250，较未冻融状态下减少了18.05%、21.56%、25.19%、28.57%.

沥青混合料受到盐冻耦合双重作用后，在结冰压、盐结晶膨胀压和盐蚀作用下性能劣化严重.盐分的“固化”作用及亲水性导致胶浆内形成渗水层，在动水冲刷和溶析渗透压共同作用下，更多盐溶液涌入沥青胶浆中，Na+、OH-、Cl-等离子会使沥青中的亲水基团溶解，加剧对沥青的乳化作用，沥青组分析出；当NaCl溶液质量分数超过13.0%时，沥青对盐分的“固化”作用减弱，胶浆盐分积累趋于饱和，盐冻循环后沥青膜脱落表面及胶浆内部出现孔洞凹槽，胶浆内部缺陷增多、延塑性下降、劈裂受力不均匀、应力集中现象增多、脆断概率增加，宏观表现为试件孔隙增多且附着许多盐晶体，力学性能衰减劣化.

3 损伤模型建立

3.1 盐冻损伤

为更好地分析试件的内部损伤，引入极限拉应力损伤量（Dn）来分析盐冻耦合作用下沥青混合料损伤量的变化规律.Dn计算式为：

式中：σ0和σn分别为试件初始极限拉应力和第n次冻融循环后的极限拉应力，MPa.

沥青混合料的极限拉应力损伤量三维折线图见图4.由图4 可见：相同NaCl 溶液质量分数条件下，随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的极限拉应力损伤量逐渐增加，试件内部损伤逐渐积累，其中在清水中，随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的极限拉应力损伤量整体呈低速率增长，4、6次冻融循环时损伤量较小，增速较为平缓，8 次冻融后损伤量增幅增加；而在3 种质量分数的NaCl 溶液中，随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的极限拉应力损伤量增速加快，且在冻融循环达到6 次后，极限拉应力损伤量较大，损伤量增幅略有减缓.

图4 沥青混合料的极限拉应力损伤量三维折线图Fig.4 3D line graph of ultimate tensile stress damage amount of asphalt mixture

3.2 模型建立

采用Origin 软件中的Poly2D 模型对沥青混合料极限拉应力损伤量进行曲面拟合.拟合公式见式（2）：

式中：n为冻融循环次数，次；w为NaCl 溶液质量分数，%.

沥青混合料极限拉应力损伤模型见图5，模型拟合系数R2为0.944.

图5 沥青混合料极限拉应力损伤模型Fig.5 Ultimate tensile stress damage model of asphalt mixture

表2 为Origin 曲面拟合值与实际值的比较，表中n、w的下标分别表示冻融循环次数和NaCl 溶液质量分数.由表2 可见，实际值与拟合值误差基本在±0.15 以内［16］.这说明Poly2D 模型对盐冻耦合作用下SCB 试件极限拉应力损伤量拟合度较高，可以用该模型对盐冻耦合作用下沥青混合料的内部损伤进行预测.

表2 Origin 曲面拟合值与实际值比较Table 2 Comparison of origin surface fitting value and actual value

4 损伤机理分析

4.1 宏观机理分析

图6 为盐冻耦合作用下SCB 试件的表观形态.由图6 可见：（1）在冻融循环次数相同的条件下，随着NaCl 溶液质量分数的增加，SCB 试件受到的盐分侵蚀逐渐增强，试件在清水中冻融循环后表面较为平整光滑，集料颗粒致密；随着NaCl溶液质量分数的增加，盐蚀作用逐渐增强，盐分逐渐吸附于试件，宏观上表现为试件表面出现较多白色颗粒，沥青混合料质量逐渐增加.（2）随着冻融循环次数的增加，SCB试件在盐冻耦合作用下，表面变得越来越粗糙，孔隙裂纹逐渐增多，集料颗粒松散，严重的还会有骨料掉落.说明反复冻胀作用破坏了试件内部结构的整体性，试件变得松散，其相对波速、极限拉应力、极限拉应变均有不同程度的衰减，沥青混合料损伤逐渐加重.SCB 试件在承受荷载时，裂缝首先从试件底部薄弱损伤域开始发展，随着荷载的增加，裂缝沿着劈裂受力点逐渐伸延.当沥青混合料内部损伤较轻时，裂缝一般沿着细料薄弱损伤域缓慢发展，当盐蚀冻融循环达到一定次数时，沥青混合料内大颗粒骨料受到损伤，强度降低，裂缝可能会贯穿大颗粒集料，此时因裂缝中伴有相互搭接的聚酯纤维丝状物，因此对裂缝的发展具有一定的抑制作用.沥青混合料在盐冻耦合环境下相关化学反应如表3 所示.

表3 沥青混合料盐蚀相关方程Table 3 Correlation equation of salt corrosion of asphalt mixture

图6 盐冻耦合作用下SCB 试件的表观形态Fig.6 Apparent morphology of SCB specimen under salt‑freezing coupling action

4.2 微观机理分析

4.2.1 盐冻融循环对沥青混合料损伤性能微观分析

NaCl溶液的浸泡会促进沥青混合料中的碱集料与煤矸石粉、矿粉、沥青等发生一系列反应，生成Na2SO4、K2SO4等新的化学物质，这些物质也会对沥青-集料界面造成侵蚀损伤.图7 为不同NaCl溶液质量分数下沥青混合料的XRD 图谱.由图7 可见：随着NaCl质量分数的增大，衍射峰值强度逐渐增加，对沥青混合料的化学腐蚀作用增强，造成的损伤也逐渐增强.说明随着NaCl 溶液质量分数的增加，电离出的Na+、Cl-逐渐增多，与清水相比，无机盐具有较高的表面能，更易进入混合料内部，沥青中羧酸类和酚类等轻质含氧化合物与盐溶液中的Na+等碱性金属离子生成低价高级有机酸钠盐，其属于典型皂类化合物，易溶于水［17］.沥青胶浆化学组成及结构发生变化，进而降低沥青、集料、填料及纤维间的黏结力和握裹力，破坏了集料表面的沥青膜.游离离子还会与集料中的活性SiO2发生活性碱反应，生成碱硅凝胶［12，18］.其具有吸水性，可产生内应力，会破坏沥青混合料内部的整体性，加速混合料的化学侵蚀，从而降低SCB 试 件的 极 限 拉应 力.由 图7 还可 见：（1）当NaCl 溶液质量分数为13.0%时，对沥青混合料的侵蚀作用达到最强；当NaCl 溶液质量分数超过13.0%后，游离于沥青混合料中的Na+、Cl-逐渐趋于饱和，对沥青混合料的侵蚀增强作用不再明显，盐分对试件极限拉应力的降低作用趋于平缓.（2）随着NaCl质量分数的增加，沥青质树脂含量增加，饱和芳香烃含量降低，沥青盐老化现象逐渐加重［17，19］，沥青膜盐蚀损伤加重，沥青混合料延塑性降低，从而降低了SCB试件的极限拉应力和极限拉应变.

图7 沥青混合料的XRD 图谱Fig.7 X‑ray pattern of asphalt mixture

沥青混合料内盐分侵蚀和盐冻循环后沥青膜的SEM 照片见图8.

盐溶液、冻融循环和外部荷载等以不同力学机理作用于沥青混合料微空隙及薄弱损伤域（图8（a））.盐冻耦合作用加剧了沥青混合料微裂隙中的水冰相位，盐分累积、水分迁移使得外部荷载与材料损伤之间不断反馈调整，导致材料物理力学性能劣化失效［20］，其破坏损伤机理较为复杂.当SCB 试件在清水中经受冻融循环时，试件内部主要承受因水结晶产生的膨胀压，对试件内部的破坏强度较低，损伤量较小，8 次冻融循环后损伤量仍以较快速率增长；而当SCB 试件在NaCl 溶液中经受冻融循环时，Na+会促进碱集料反应，对沥青产生乳化作用，Cl-的腐蚀作用使沥青膜老化，Na+还会与沥青形成不稳定的化学吸附层，降低沥青与集料间的黏附性［21‑24］，从而形成微裂纹（图8（b））.随着冻融循环次数的增加，SCB 试件的极限拉应力损伤量快速增长，其内部损伤逐渐积累，6 次冻融循环后试件内部裂纹发展趋于稳定，损伤量增速变缓，盐冻耦合作用对沥青混合料产生更强的破坏作用；随着温度的降低，SCB 试件内的孔隙水开始结冰，氯盐溶解度降低，开始析出盐晶体，冰晶的冻胀力和不规则性容易刺穿沥青膜，进入沥青和集料界面，促使沥青膜脱落［23］；当温度升高时，冰晶开始溶解，荷载作用导致沥青混合料开始产生负压泵吸作用［20］，空隙内的盐分和水分迁移，反复冲刷沥青-集料界面，使沥青胶浆颗粒流失，加速沥青-集料界面滑移、松动，沥青膜变薄，并出现微裂缝坑洼凹槽，沥青胶浆性能降低.反复盐冻循环后，微裂缝萌生扩展演化为宏观裂缝（图8（c）），沥青混合料累积耗散能逐渐降低，内部损伤逐渐积累，沥青混合料物理力学性能出现不可逆的衰减.

图8 沥青混合料经受盐分侵蚀和盐冻循环后沥青膜的SEM 照片Fig.8 SEM images of asphalt membrane after salt erosion and salt freezing cycle of asphalt mixture

4.2.2 煤矸石粉/聚酯纤维对沥青混合料损伤性能微观机理分析

煤矸石粉的比表面积较矿粉大，其表面粗糙、褶皱、多孔隙，吸附沥青能力强，能够与沥青裹附而形成光滑、致密、厚实的沥青膜.同时，煤矸石粉中含有大量活性Al2O3和SiO2，易与沥青发生一系列物理和化学吸附作用，形成具有更强黏附性的结构沥青［25‑26］，沥青胶浆性能更好，从而使沥青混合料塑性、整体性以及抗变形能力增强.图9 为煤矸石粉-矿粉嵌挤分布形态的SEM 照片.由图9 可见：矿粉颗粒粒径较大且规则，表面平整光滑，棱角较少；煤矸石粉颗粒粒径较小，表面似蜂窝状，粗糙多孔隙；两者以最佳质量比1∶1 相互作用嵌挤时，能够形成更加密实且具有较高自由能的填料体系，吸附更多沥青，从而提高沥青混合料内黏聚力.煤矸石粉恰好弥补了矿粉单独作为填料所导致的沥青混合料内部不可弥补的缺陷，间接改善了沥青混合料的损伤性能.化学吸附是由于填料矿物成分不同而引起的吸附差异，其作用远大于物理吸附.活化煤矸石粉中含有大量的活性Al2O3和SiO2，能够对沥青与填料之间的酸碱反应起到促进作用，Fe2O3中过渡金属元素会促进填料与沥青间的络合反应，因此活化煤矸石粉与沥青之间的结合更紧密［26］.

图9 煤矸石粉-矿粉嵌挤分布形态Fig.9 Distribution pattern of coal gangue powder‑mineral powder

图10 为聚酯纤维在沥青混合料中的分布形态.由图10 可见，在沥青混合料中加入适量聚酯纤维能够改善沥青胶浆的韧性和温度敏感性，同时对骨料起到加筋固结作用，掺入0.4%聚酯纤维能够使其均匀地分布于沥青混合料中，形成致密的网状结构［27］，提高沥青混合料的塑性，对裂缝扩展具有一定的束缚作用.当沥青混合料受外力作用时，纤维受拉变形，待外界力消失后纤维弹性恢复.因此纤维具有促使沥青混合料恢复原来形态的趋势，增强材料的弹性恢复自愈能力，减小外力作用引起的损伤.当结晶冻胀力不足以抵抗纤维弹性自愈能力时，沥青混合料的极限拉应力损伤量增加不明显，损伤较轻.沥青混合料在清水中经历8 次冻融循环后，裂纹扩展程度较大时，纤维的加筋自愈作用不再明显，沥青混合料损伤量快速增大.

图10 聚酯纤维在沥青混合料中的分布形态Fig.10 Vertical and horizontal staggered distribution of polyester fibers in asphalt mixture

当SCB 试件承受外部荷载时，由于煤矸石粉-矿粉间的相互作用所形成的高黏性、致密厚实、塑性良好的沥青膜抗弯拉性能更好，因而能够延缓外部荷载对沥青混合料的损伤.同时该致密厚实的沥青膜及聚酯纤维在混合料中形成的均匀网状结构，能够缓解沥青混合料的局部应力集中现象，将应力很好地分散和传递开来，延缓和降低外荷载对沥青混合料的损伤，进而提高其耐久性和低温抗裂性.

5 结论

（1）随着NaCl 溶液质量分数、冻融循环次数的增加，煤矸石粉/聚酯纤维沥青混合料的质量变化率逐渐增加，其相对波速、极限拉应力、极限拉应变逐渐降低.

（2）煤矸石粉/聚酯纤维沥青混合料具有良好的抗弯拉性能，SCB 试件在NaCl 溶液中的冻融损伤大于在清水中的冻融损伤.

（3）当NaCl 溶液质量分数为13.0%、冻融循环8次时，SCB 试件的极限拉应力损伤量最大，盐冻耦合侵蚀作用最强，损伤最严重.通过Poly2D 模型对沥青混合料的极限拉应力损伤量进行误差分析，结果表明损伤量可以较好地反映沥青混合料的损伤性能.

（4）煤矸石粉-矿粉特殊的嵌挤结构及其与聚酯纤维形成的致密网状结构对沥青混合料的盐冻损伤具有一定的改善效果.

（5）Na+不仅会促进碱集料反应，还会与沥青形成不稳定的化学吸附层，降低沥青与集料间的黏附性；Cl-的腐蚀作用会使沥青膜老化.因此盐蚀冻融环境会加速沥青混合料的损伤.