王 岚，弓宁宁，邢永明

(内蒙古工业大学 土木工程学院，呼和浩特 010051)



盐冻融循环对沥青混合料性能的影响因素研究*

王 岚，弓宁宁，邢永明

(内蒙古工业大学 土木工程学院，呼和浩特 010051)

为了研究沥青混合料在冻融循环及除冰盐溶液共同作用下的抗裂性能，在断裂力学理论基础上，采用半圆试件弯拉实验，并通过J积分来评价沥青混合料的抗裂性能；利用极差分析法原理和灰色关联熵分析法原理深入分析沥青种类、冻融循环次数和除冰盐浓度对沥青混合料抗裂性能的影响。结果表明，盐冻融循环作用下，对断裂韧度影响程度的大小关系为沥青种类>冻融循环次数>除冰盐浓度；与基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料和复合胶粉改性沥青混合料相比，橡胶粉改性沥青混合料具有更好的抗裂性；随着冻融循环次数及盐浓度的增加，混合料的抗裂性逐步降低。

沥青混合料；盐冻融循环；极差分析法；灰色关联熵分析法

0 引 言

在中国北方地区，冬季气温较低，冰冻持续时间长，持续降雪或大雪容易导致高速公路和城市道路出现堵塞。为了保证交通顺畅和行驶安全，许多道路工程采用撒盐快速除冰融雪的办法解决交通堵塞和预防路面继续冰冻的问题。但是除冰盐溶液容易进入沥青混合料内部，产生一系列物理、化学反应，出现沥青软化、沥青膜剥落、集料松散等病害。

目前，国内外已有许多学者对此进行了研究。王抒音等通过研究沥青混合料随冻融循环次数增加的强度递减规律，提出以冻融循环劈裂比来评价沥青混合料抗水损害能力[1]。李兆生、谭忆秋等根据损伤变量随冻融次数的变化曲线特点将沥青混合料的冻融损伤过程划分为快速损伤期、稳定损伤期及损伤发展期3个阶段[2]；顿珠次仁通过冻融循环作用后的沥青混合料试件弯曲实验，分析了冻融循环次数对沥青混合料低温弯拉特性的影响。实验结果表明，在冻融循环作用下，沥青混合料低温弯拉特性均有所降低；经历15次冻融循环作用后，沥青混合料的低温抗弯拉强度、弯拉应变和破坏劲度模量的衰减逐渐趋于稳定[3]。Mull等采用带切口的半圆试件评价了橡胶沥青混合料的抗裂性能[4]；Decheng Feng、Junyan Yi等认为除冰盐对沥青结合料的低温性能有重要的影响，当盐浓度超过3%时，除冰盐的侵蚀作用加速了沥青混合料的破坏[5]；在盐冻融循环过程中，有诸多因素影响着沥青混合料的性能，徐松、唐伯明、朱洪洲利用灰色关联熵分析方法研究了沥青稳定碎石的水稳性影响因素，在诸多的因素中找出关键影响因素，对控制其水稳性有重大意义[6]。

本文通过极差分析法和灰色关联分析法对4种沥青混合料进行不同冻融循环次数和不同除冰盐浓度下的盐冻融循环实验，分析不同沥青种类、冻融循环次数和除冰盐浓度下，沥青混合料的断裂韧度的变化规律和损伤特征，为寒冷地区沥青路面设计和除冰盐的使用情况提供依据。

1 实 验

1.1 实验材料

实验所用沥青为基质(MA)沥青，辽河AH-90；SBS改性沥青，SBS型号为4303-星型，掺量为4%；橡胶粉(CR)改性沥青，橡胶粉采用60目颗粒，掺量为20%和复合(CCR)改性沥青，SBS掺量2%，胶粉掺量18%，技术指标如表1所示。考虑到与路面实际压实状况的符合程度，按照 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0736-2011的方法，采用SGC (superpave gyratory compacter)旋转压实仪成型混合料试件，粗集料采用玄武岩，细集料采用石灰岩，矿粉采用石灰岩矿粉，油石比均为4.8%，级配类型为AC-16，级配组成如表2所示。融雪盐采用内蒙古乌海市永维工贸有限责任公司生产的以氯化钙为主要成分的环保型融雪剂，见表3所示。

1.2 试件成型

为了进行半圆试件弯拉实验和断裂韧度JC的计算，将旋转压实后的试件经取芯后，采用高精度沥青混合料专用切割设备(IPC-global)切割成型半圆试件，厚度为(25±0.5)mm，齐边长度为(99.8±0.05)mm，然后在半圆试件跨中位置处预切口，切口深度分别为1和2 cm。

表1 改性沥青技术指标

表2 沥青混合料级配组成

表3 融雪剂参数

1.3 盐冻融循环实验设计

由于现行规范中评价沥青混合料水稳定性的标准冻融劈裂实验不能真实地模拟沥青混合料在冻融循环及除冰盐溶液共同作用下的路面状况，本文将半圆试件浸泡在水中和不同浓度的除冰盐溶液中，利用高低温湿热交变实验箱，在-20 ℃下持续冰冻8 h，然后缓慢升温至25 ℃持续4 h，完成一次冻融循环。

由于该实验涉及多因素、多水平实验，为了减少实验量同时能获得较全面的数据分析结果，采用正交实验方法设计该实验。实验考虑了3个影响因素：沥青种类、冻融循环次数和除冰盐浓度，每个因素取3个水平，影响因素及水平见表4所示。

表4 正交实验的因素及水平

注：MAM：Matrix asphalt mixture

SBSM：SBS modified asphalt mixture

CRM：CR modified asphalt mixture

CCRM：Composite modified asphalt mixture

2 实验数据处理的基本原理

2.1 极差分析法原理

极差分析法简称R法[7]。它包括计算和判断两个步骤，其内容如图1所示。

图1 极差分析法

(1)

用极差法分析正交实验结果可引出以下几个结论：Rj反映了第j列因素的水平变动时，实验指标的变动幅度。将各列极差R的数值从大到小的排列。R越大，说明该因素对实验指标的影响越大。依据极差的大小，就可以判断因素的主次。将计算结果绘制成趋势图可直观地观察实验指标随各因素的变化趋势。

2.2 灰色关联熵分析法原理

灰熵分析法是一种系统分析方法[8-9]，可以在“小样本、贫信息"的条件下进行分析，通过一定数据处理，在随机的因素序列中找到其关联性，提炼出影响系统的主要因素、主要特征和因素间对系统影响的差别，其分析步骤如下。

2.2.1 均值化处理

对选定的数据进行均值化处理：设

为参考列

为比较列，按

(k=1,2,...,n;i=1,2,...,m)

进行均值化，得无量纲参考列

x0=[x0(1),x0(2),...,x0(n)]

无量纲比较列

(k=1,2,...,n;i=1,2,...,m)

2.2.2 灰熵关联系数

比较列与参考列之间的关联系数为

(2)

2.2.3 灰熵关联度

灰熵关联度

(3)

2.2.4 灰关联熵和灰熵关联度

灰关联熵

(4)

灰熵关联度

(5)

其中

Hmax=lnn

n为由n个元素组成的差异信息列的最大值。

2.2.5 关键因素

比较列的灰熵关联度越大，则比较列与参考列的关联性越强，从而找出关键因素。

为确定除雪盐浓度、冻融循环次数对不同种沥青混合料的影响程度，本文通过灰关联熵分析，确定盐冻融循环后沥青混合料性能变化的主要影响因素。

3 实验结果与分析

3.1 J积分理论

弹塑性断裂力学的J积分是一个与线路无关的能量积分，它是裂缝尖端附近弹塑性场强弱的一个平均值，无论是线弹性还是非线性的荷载-位移关系，均可采用J积分对沥青混合料的断裂性能进行描述。Little等采用半圆弯拉实验(SCB)实验方法研究沥青混合料的断裂性能，认为用断裂韧度JC作为沥青混合料的断裂参数是合适的，且断裂韧性越大其抗裂性能越好[10]。

为了确定J积分值， 采用不同预切口深度的半圆试件进行SCB实验，SCB实验中断裂韧性的取得基于如下公式

(6)

式中，U1、U2为两种不同锯缝深度试件的断裂应变能；a1、a2为两种锯缝深度；B1、B2为两种不同锯缝深度的试件厚度。

3.2 极差分析实验结果

按照表4进行正交实验，实验共16组，每组进行3次平行实验，取3组实验的平均值作为该组实验的结果。采用正交实验的极差分析法，得到图2和3所示的各因素对断裂韧度jC的影响规律。

图2 各因素对断裂韧度的极差分析

Fig 2 Range analysis of various factors on the fracture toughness

图3 除冰盐浓度对断裂韧度的影响

Fig 3 Deicing salt concentration effect on the fracture toughness

极差R的计算公式如下

(7)

图2中采用极差的大小来表征各影响因素对沥青混合料在盐冻融循环作用下抗裂性能的影响程度，在所选的3个因素中，对断裂韧度影响程度的大小关系为：沥青种类>冻融循环次数>除冰盐溶液浓度。

表5 正交实验结果

图3为除冰盐浓度对盐冻融破坏下沥青混合料的抗裂性能的影响，随着浓度的增加断裂韧度也随之下降。当除冰盐浓度为4%，8%时，其变化趋势居于平缓；当除冰盐浓度为12% 时，对沥青混合料的破坏变大；由此可知，沥青混合料的抗裂性能随着除冰盐的浓度增大而减小。其原因是沥青混合料的盐冻破坏既包括除冰盐溶液对沥青混合料的侵蚀作用，又包括水的冻胀力对混合料内部的冻融损伤，而除冰盐的侵蚀作用主要体现在除冰盐溶于水后电离出极性很强的Na+、Ca+和Cl-，比沥青对集料有更强的吸附能力，因此对沥青产生剥离作用，引起沥青和集料的粘结力下降；随着除冰盐浓度的增大，溶液中Na+、Ca+和Cl-也相应增多，对沥青的剥离作用也越来越强，但是随着除冰盐浓度不断增大，沥青混合料孔隙中水的体积占有量变小，溶液结冰产生的体积膨胀率就越来越小，而除冰盐离子跟沥青抢夺对集料表面的吸附，致使沥青从集料表面剥离。除冰盐溶液中有Na+、Ca+和Cl-等极性很强的带电粒子，集料表面有很高的表面能，为降低表面能，集料表面会吸附物质使表面能降低，两种物质吸附得越紧密，两种物质结合得越稳定，其表面能也越低。盐离子比沥青有更强的极性，与集料的吸附能降低更多的表面能，两种结合更稳定，这就导致沥青从集料表面脱离发生剥离侵蚀破坏[11]。因此，随着除冰盐浓度的增加，沥青混合料的抗裂性能逐渐下降。

3.3 灰色关联熵分析实验结果

极差分析方法可以反映沥青混合料种类、除冰盐溶液浓度对沥青混合料的影响大小，但由于本文沥青种类和除冰盐溶液浓度两个因素均为4个变量，因此正交设计必须符合4×4×4矩阵，冻融循环次数只能取4个变量，忽略了第25次冻融循环后试件的指标分析。因此，无法准确反映冻融循环次数对沥青混合料性能的影响。实验有一定的弊端，为此对以上实验数据进行灰关联分析。

分别取盐冻循环后的盐浓度、冻融循环次数作为比较序列，将SBSM、CRM、CCRM的断裂韧度作为参考列，具体数据见表5所示。

图4 各因素对不同沥青混合料的灰熵关联度图

图5 沥青种类对断裂韧度的影响

图3已经解释了化学破坏，但物理破坏机理起主导作用。沥青混合料盐结晶破坏是指在温度循环作用下，沥青混合料孔隙中的盐溶液因过饱和而结晶，当沥青混合料孔隙中盐结晶超过一定量时，将产生盐结晶压力，从而引起沥青混合料破坏。除了结晶破坏，盐对沥青混合料的化学侵蚀破坏是指当沥青混合料浸泡在盐溶液中，因盐侵蚀作用而产生的一种破坏形式。根据静水压理论、渗透压力理论、冰晶生长理论分析，在冰冻地区，盐溶液在冻融循环作用下进入沥青混合料内部有3个阶段：收缩-溶液吸入阶段、结冰膨胀-溶液迁移阶段、融化平衡阶段。(1) 收缩-溶液吸入阶段：结冰前孔隙内溶液和空气冷冻收缩，一旦毛细管与外面的盐溶液相通，收缩产生的负压就吸入外面的溶液以填充部分收缩产生的空间，该过程直到与外面相连的空气因结冰堵塞而停止。这个阶段吸入的溶液量对冻融结束后沥青混合料内溶液增加量，或者最终饱水度的增加至关重要，它主要取决于沥青混合料内溶液和空气冷冻收缩产生的负压、结冰速度和溶液进入毛细管的阻力或渗透性。负压越大，结冰速度越慢或冰水共存时间越长，以及渗透性越大，则沥青混合料吸入溶液量越多，饱水度增长越快，即沥青混合料破坏越快；(2) 结冰-溶液迁移阶段。首先在表层的孔内结冰，并把与表面相连的孔口堵塞，同时使内部的孔隙内溶液处在冰水共存阶段。当孔内的饱水度低于产生结冰压的临界饱水度前，在蒸汽压差的作用下，周围未冻水分向表层结冰的孔内迁移；一旦孔内的饱水度超过该临界饱水度时，就将产生结冰膨胀压力，它将驱使部分未冻溶液向沥青混合料内部迁移(因向外的孔口被冰晶体堵塞)，该过程直到孔隙内溶液全部结冰而停止。这个阶段是溶液由表层向内部迁移的关键阶段，对吸入溶液最终滞留在沥青混合料内的比例或饱水度的提高也很重要，它主要取决于沥青混合料内溶液结冰产生的压力大小。在整个冻融循环过程中，最大破坏力就出现在这个阶段。孔隙内结冰压越高，吸入的溶液能更多地压入沥青混凝土内部；(3) 融化平衡阶段。首先在靠近沥青混合料表面孔隙内的冰开始融化，孔内溶液处在冰水共存阶段，因孔口的冰塞已融化，部分融化溶液在残余结冰压的驱使作用下向外迁移；当冰融化并随着温度的升高，孔隙内的溶液和空气开始膨胀，与冷冻前相比，因吸入的溶液占据了部分原来的空间，其膨胀将在孔内形成正压力，它将驱使部分溶液和空气向沥青混凝土表面排除，该过程直到沥青混凝土内外温度平衡而停止。在这个阶段，沥青混合料内部的饱水度不是增加，而是降低。但与冻前相比，因部分空气被排出和部分吸入溶液被压入沥青混凝土内部，最终冻融结束时，沥青混合料内部的溶液量将增加，即饱水度将提高。正是由于在冻融循环条件下，沥青混合料内部产生了这种额外的热胀冷缩作用或泵的抽压作用，以及结冰压的作用，在冻融循环作用下沥青混合料内部的残留水随着冻融循环次数增多而逐渐增多并且向沥青混合料内部孔隙不断渗入。沥青混合料内部的除冰盐溶液浓度也随着冻融循环次数的增多而增加。在冻的过程中，当温度降低的时候产生的负压，由于除冰盐溶液浓度的提高而变得更大，导致更多的盐溶液通过孔隙进入到沥青混合料的内部；在融的过程中，将产生更大的正应力，应力把沥青混合料孔隙内部的除冰盐溶液压向更深的孔隙中。在孔隙中存在的浓度差所产生的渗透压会加大除冰盐溶液对沥青的剥离侵蚀作用，致使沥青混合料的稳定性降低、抗裂性能降低，进而导致沥青混合料的破坏。

4 结 论

(1) 盐冻融循环作用下，沥青种类对混合料断裂韧度的影响最显著，冻融循环次数次之，而除冰盐浓度影响最小。

(2) 在相同的冻融循环次数和除冰盐浓度下，抗裂性等级：CRM混合料>SBSM混合料>CCRM混合料>MAM混合料。

(3) 随着冻融次数及盐浓度的增加，沥青混合料的断裂韧度呈下降趋势，抗裂性越来越差。

(4) 沥青混合料在盐冻融循环中，盐浓度的物理破坏机理起主导作用，其次化学破坏机理。

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Researching the influence factors of asphalt mixture performance under the damage of deicing salt and freezing-thawing cycles

WANG Lan， GONG Ningning， XING Yongming

(College of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051,China)

In order to study the crack resistance of asphalt mixture under the freeze-thaw cycle and deicing salt solution, using SCB test to complete destruction test on the basis of fracture mechanics and evaluate crack resistance of asphalt mixture through the J integral;using the range analysis and the analysis of grey entropy to analyze the impact of asphalt mixture of asphalt type, freezing and thawing cycles and deicing salt concentration.asphalts show that:the influence degree of salt freezing and thawing cycle is that:the type of asphalt >cycles>salt concentration;the rubber powder modified asphalt mixture have the best crack resistance among all of them;the crack resistance of asphalt mixture become weaker gradually along the the increase of cycling times.

asphalt mixture; salt freezing and thawing cycle; the range analysis; the analysis of grey entropy

1001-9731(2016)04-04088-06

国家自然科学基金资助项目(11462018)；内蒙古自然科学基金资助项目(2014MS0507)；内蒙古自治区研究生科研创新资助项目(S20141012811)

2015-05-15

2015-08-12 通讯作者：邢永明，E-mail: Xym@imut.edu.cn

王 岚 (1966-)，女，北京人，教授，博士，博士生导师，从事道路工程材料研究。

U414

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.018