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)

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[1-2].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.Mo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[5]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，使沥青膜更容易剥落.

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[8-10]；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[11-15].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.

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剥落率，对比研究盐溶液类型、浓度、浸泡时间对沥青-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 高黏沥青

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(I-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5000 r/min，持续剪切45min，整个过程温度控制在180～190℃，剪切完成后将改性沥青放入180℃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

表1 改性前后SBS改性沥青的技术指标

1.3 集料芯样

玄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.为了尽可能真实地模拟集料与沥青界面体系细观结构尺寸，同时保证试验的可操作性，参照文献[4]的做法，确定集料芯样直径为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(10mm)，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100℃沸水清洗集料芯样并烘干.

图1 集料芯样制备过程Fig.1 Fabrication process of aggregate core samples

1.4 “三明治”夹心试样

集料表面的纯沥青膜厚度小于20μm，所以首先研究沥青膜厚度在20μm范围内变化对沥青-集料试样抗拉强度的影响，以确定后续溶液侵蚀试验中沥青-集料界面沥青膜的厚度.

自主研发了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定不变，上部圆柱体集料随着数显千分尺的伸缩可以上下移动，数显千分尺的精确度为微米级.在试样成型过程中，通过数显千分尺的微调旋钮来调控上下集料的间距以保证试样的沥青膜厚度达到设定值.首先将集料芯样加热到190℃，该温度符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》；然后将沥青均匀涂抹至上下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、20μm.由于经砂纸打磨之后，集料芯样表面仍存在一定的凸起.当集料芯样间距为0时，上下集料表面的凸起部分相互接触，但在凸起的间隙处仍存在一定数量的沥青，可以将上下集料表面黏结起来.成型后的沥青-集料试样如图2所示.

图2 成型后的沥青-集料试样Fig.2 Fabricated asphalt-aggregate specimen

2 试验方法

2.1 直接拉伸试验

直接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1套与P.A.T.T.I加载活塞匹配的“三明治”试样拉伸夹具，用于直接拉伸试验(见图3).拉伸试验在20℃下进行，加载速率控制在35kPa/s，每个沥青膜厚度制作4个平行试件.

图3 P.A.T.T.I 加载活塞Fig.3 Loading 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，在高温条件下对沥青-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、浸泡时间对沥青-集料界面的侵蚀效应.在浸泡前期，沥青-集料试样的抗拉强度可能下降较快，所以适当地缩短了试验前期数据采集的周期，每组试验制备4个平行试件.

所有试样的浸泡温度均设定为60℃，这主要是为了模拟沿海地区在夏季高温条件下路面结构内部的实际温度.高温会加剧分子的热运动，因此会促进水和海盐溶液的侵蚀效果.

在到达测试时间后，从恒温水箱中取出装有浸泡试样的小玻璃瓶，放入20℃烘箱中保温1h.待其温度稳定在20℃后，将沥青-集料试样从小玻璃瓶中取出，并与拉伸夹具连接，然后用P.A.T.T.I测试抗拉强度.完成直接拉伸试验之后，将破坏后的试样放在室温下自然晾干，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落率.

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.本文将研究盐溶液侵蚀对沥青-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

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60℃的界面自愈能力.在高温浸泡阶段与前述的溶液浸泡试验的处理方式相同，浸泡6d后将试样从玻璃瓶中取出，放入60℃ 烘箱中加热3h，然后在20℃静置2h，待其恢复常温后，用P.A.T.T.I测试抗拉强度.方案②与方案①相互对比，可以分析自愈后沥青-集料试样的高温水稳定性.其操作流程与方案①一致，将60℃自愈后的沥青-集料试样，在常温静置2h后放入装满水的小玻璃瓶，随后在60℃恒温水箱内浸泡8h(可用于与2.2节溶液浸泡8h的试验结果对比，反映自愈后试样的高温水稳定性)，然后从水箱中拿出，待其恢复到20℃后，用P.A.T.T.I测试抗拉强度，并分析破坏面的沥青膜剥落率.

3 沥青膜厚度对沥青-集料试样抗拉强度的影响

沥青-集料试样在20℃的抗拉强度如表3所示.从表3可以看出：(1)在6～20μm的范围内，随着沥青膜厚度的减小，沥青-集料试样的抗拉强度逐渐增大，这与Huang等[26]的试验结果一致.这是因为沥青膜的厚度越薄，内部的缺陷越少，拉伸过程中会表现出较高的抗拉强度.(2)在0～6μm的范围内，沥青-集料试样的抗拉强度随着沥青膜厚度的减小逐渐下降，所有试样的破坏面均呈沥青膜内聚力失效.

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Rmax为集料表面的最大突出高度，试验中控制的集料间距实际上是集料之间的最小间隙hmin，而其最大间隙为hmax=2Rmax+hmin.研究表明：打磨之后集料表面的最大凸出高度Rmax在3～5μm之间，而未打磨的集料表面凸起高达100μm[4].随着集料之间沥青膜厚度的减小，hmin/hmax越来越小，说明沥青膜厚度的最大值和最小值差异越来越大，沥青膜厚度更加不均匀.厚度不均匀的沥青膜在拉伸过程中更易造成局部应力集中，使得沥青膜更早地出现破坏.因此，当沥青膜的厚度小于6μm时，沥青-集料试样的抗拉强度随着沥青膜厚度的减小反而下降.

表3 不同沥青膜厚度的“三明治”试样抗拉强度

图4 集料表面微观特征示意图Fig.4 Schematic diagram of aggregate surface microscopic feature

综上所述，6μm的沥青膜厚度能够保证集料表面与沥青膜具有良好的黏附性，同时表现出较高的抗拉强度，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6μm的沥青-集料试样作为研究各种溶液对沥青-集料界面体系损伤效应的标准试样.

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

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，表中括号内数据为偏差.从表4可以看出：随着浸泡时间的延长，沥青-集料试样的抗拉强度逐渐下降，前期的下降速率较快，随后趋于平稳；每种盐溶液对试样抗拉强度影响的程度不同，其中浸泡在5%Na2SO4溶液中的试样抗拉强度下降最多，然后依次是5%复合盐溶液、5%NaCl溶液、水和10%NaCl溶液，由此可见低浓度盐溶液对沥青-集料试样的损伤效应要大于水.

表4 浸泡后沥青-集料试样的抗拉强度

沥青-集料试样破坏面的图像如表5所示.从表5可以看出：随着浸泡时间的增加，沥青-集料试样破坏面残留沥青膜的数量减少；集料表面的沥青膜并没有表现出大面积的整体剥落，而是小范围的间隔剥落.运用Image-pro plus软件对采集的破坏面图像进行图像处理分析，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出相应的沥青膜剥落率，结果如表6所示.从表6可以看出：沥青-集料试样破坏面沥青膜的剥落面积随着浸泡时间的延长逐渐增大，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溶液的剥落速率增加最快，浸泡2d后就达到了95%，在随后的4d里虽然变化不大，但是其强度仍然有一定程度下降.这说明溶液的侵蚀作用，使得沥青-集料试样的破坏形式由侵蚀前的沥青膜失效逐渐地转化为界面失效.

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，形成沥青-溶液和集料-溶液2个新的界面，该过程中发生的能量变化即剥落功.

表5 浸泡后沥青-集料试样破坏面图像

图5 残留沥青膜与集料表面的边界识别Fig.5 Boundary identification of residual asphalt film and aggregate surface

表6 浸泡后沥青-集料试样破坏面沥青膜剥落率

海盐溶液对沥青-集料界面造成损伤需要经过浸润和分离2个阶段，铺展功能够反映溶液浸润固体表面的难易程度，铺展功越小，溶液越容易浸润.海盐溶液到达“三明治”试样沥青-集料界面有2种途径：一种是通过浸润沥青膜到达界面，另一种是通过浸润集料到达界面.所以，沥青和集料与海盐溶液的铺展功之和能够反映海盐溶液侵入沥青-集料界面的速率.

在测试计算剥落功和铺展功时，集料经盐溶液侵蚀后其表面自由能会发生变化，所以应代入侵蚀后集料的表面自由能参数，以反映海盐溶液腐蚀作用对沥青-集料界面强度下降过程的影响.

将式(1)所示的沥青和集料的铺展功Wspread(spreading work)与考虑盐溶液侵蚀集料后的剥落功Wer-strip(erosive stripping work)之和定义为综合剥落功Wco-strip(comprehensive stripping work)，如式(2)所示.

(1)

Wco-strip=Wer-strip+Wspread

(2)

针对浸泡6d情形，根据盐溶液、沥青和集料表面自由能的测试结果[27]，计算得到各种溶液与沥青-集料界面的综合剥落功，如表7所示.

表7 不同溶液对沥青-集料界面的评价指标

图6 沥青膜剥落率、抗拉强度与综合剥落功的关系曲线Fig.6 Relation curve between asphalt film stripping ratio, tensile strength and comprehensive stripping work

侵蚀6d后溶液对沥青-集料界面的损伤程度较大，浸泡在5%NaCl溶液、5%Na2SO4溶液和5%复合盐溶液中的试样，破坏面沥青膜剥落率接近100%.此时，用沥青膜剥落率很难区分不同溶液对沥青-集料界面的损伤效应.因此，沥青膜剥落率与综合剥落功未表现出线性相关性.试样抗拉强度与综合剥落功之间呈现出良好的线性关系，这是因为综合剥落功的方程中含有沥青膜的铺展功，该指标反映了溶液侵入界面沥青膜的能力.而界面沥青膜内的水分含量越多，乳化作用越明显，其拉伸强度下降得越大.所以，该指标不但考虑了溶液透过沥青膜到达沥青-集料界面的能力，也在一定程度上反映了溶液对沥青膜的乳化作用，因此海盐溶液的综合剥落功可以用于评价海盐溶液对沥青-集料界面体系的损伤效应.

6 海盐侵蚀对沥青-集料界面自愈能力的影响

在溶液中浸泡6d并自愈后的沥青-集料试样抗拉强度如表8所示.从表8可以看出，自愈后的沥青-集料试样在拉伸过程中均未表现出界面破坏.这说明经60℃的高温烘干3h后，沥青膜与集料表面重新恢复了强度，并且其大小超过了沥青膜的内聚力.自愈后沥青-集料试样的抗拉强度恢复到了未侵蚀原样试样抗拉强度1680.16kPa的80%左右，并且浸泡在盐溶液中的试样自愈之后的抗拉强度高于水中浸泡的试样；在自愈试验之前经10% NaCl溶液处理的试样，其残余抗拉强度大于经5% Na2SO4溶液处理的试样，但在自愈试验之后正好相反.这是由于自愈后试样的破坏形式由界面黏结力失效转变为沥青膜内聚力失效，而盐溶液对沥青膜的老化作用会增加沥青膜的劲度[28]，Na2SO4溶液的腐蚀性较强，因此沥青膜的老化程度较深，从而表现出更高的抗拉强度.

表8 侵蚀并自愈后沥青-集料试样的抗拉强度

为了检验自愈之后试样的水稳定性，对自愈之后的试样又进行了60℃水浴浸泡并测试其抗拉强度.前文试验已表明，试样在60℃水浴中浸泡8h后强度就会出现下降，并发生一定程度的沥青-集料界面失效，所以这里将水稳定性试验的浸泡时间定为8h，自愈试样浸水之后的抗拉强度和沥青膜剥落率，如表9所示.

表9 自愈试样浸水8h后的抗拉强度及沥青膜剥落率

图7为自愈试样浸水前后抗拉强度对比.从图7可以看出：试样自愈之后的抗拉强度相差不大，并且明显高于浸泡6d试样的抗拉强度，但自愈试样经过8h的高温浸水之后，抗拉强度的差异明显.如表8所示，浸泡在5%Na2SO4溶液中的试样浸水前后的抗拉强度比最小，说明其水稳定性最差；然后依次是10%NaCl溶液、5%NaCl溶液、5%复合盐溶液和水.此外，自愈试样在浸水8h后，试样的抗拉强度均小于原样试件在60℃水中浸泡8h的强度1467.60kPa，沥青膜剥落率均大于原样试件在60℃ 水中的沥青膜剥落率55.1%.

将浸泡6d的集料表面自由能参数和水的表面自由能参数代入式(2)，计算结果如表10所示.

表10与表7中受盐溶液侵蚀试样的综合剥落功不同，这是由于自愈后试样的界面强度得到恢复，在拉伸试验中未出现沥青膜剥落的现象.但是，在浸水8h后自愈试样的破坏面表现出不同程度的界面失效，因此水是引起自愈后浸水8h试样剥落的原因.在计算综合剥落功时，应统一代入水的表面自由能参数，以评价自愈试样的水稳定性.表6中的试样需要代入相应盐溶液的表面自由能参数，以反映溶液对沥青-集料界面的侵蚀作用.

图8为自愈浸水试样沥青膜剥落率、抗拉强度和剥落功的拟合曲线.从图8可以看出：自愈浸水试样的综合剥落功与破坏面沥青膜剥落率和抗拉强度存在较好的线性关系，这一方面说明海盐溶液对集料表面的腐蚀作用降低了自愈后沥青-集料界面的水稳定性；另一方面也说明用表面自由能评价溶液对沥青-集料界面剥落机理时需要考虑溶液的浸润特性.5% Na2SO4溶液的腐蚀性最强，所以沥青-集料界面在自愈之后水稳定性最差；10% NaCl溶液虽然浸润到沥青-集料界面的溶液质量比5% NaCl溶液少，沥青膜剥落区的面积相对较小，但是它的Cl-浓度大，所以沥青膜剥落区的腐蚀程度较高，浸泡6d的试样经自愈试验后虽然界面强度均得到了有效地恢复，但是受之前浸泡过程的影响，沥青膜剥落区的腐蚀程度越高，试样自愈之后的水稳定性越差；5%复合盐溶液对集料表面的影响较小，因此试样在自愈之后仍能保持较好的水稳定性.

图8 自愈试样浸水8h后沥青膜剥落率、抗拉强度与综合剥落功的拟合曲线Fig.8 Fitting curve between asphalt film stripping ratio，tensile strength and comprehensive stripping work for self-healing specimens after 8h water immersion

7 结论

(1)在20μm的沥青膜厚度范围内，沥青-集料试样的抗拉强度随着沥青膜厚度的减小，呈先增大后减小的变化规律，并且均未表现出界面失效.

(2)综合剥落功越大，长期浸泡或自愈后浸水的沥青-集料界面抗拉强度越高，沥青膜剥落率越低，表明海盐溶液的腐蚀特性和表面张力特性均会影响其对沥青-集料界面的损伤效应.

(3)随着浸泡时间的延长，沥青-集料试样的抗拉强度减小，破坏面沥青膜剥落率增大.在同浓度下，Na2SO4溶液的损伤效应大于NaCl溶液.

(4)60℃高温烘干能够有效地恢复沥青-集料的界面强度，但是海盐溶液的腐蚀性越强，沥青-集料试样自愈之后的水稳定性越差.溶液对沥青-集料试样侵蚀自愈后水稳定性的影响程度由大至小排序为：5%Na2SO4溶液>10%NaCl溶液>5%NaCl溶液>5%复合盐溶液>水.