中粒式乳化沥青冷再生：冻融循环下改性沥青混合料的孔隙结构研究

中粒式乳化沥青冷再生：冻融循环下改性沥青混合料的孔隙结构研究表2 沥青混合料试件 制备试件共4组，分别为普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料和不同孔隙率的热固性沥青混合料。各组沥青混合料采用标准击实法制备ϕ101.6 mm×63.5 mm的圆柱体试件，双面击实次数为各50次。试件进行真空饱水后在常压下置于水中0.5 h 而后放入塑料袋，袋内注入10 mL水，令试件在-18℃下冷冻2 h; 而后取出试件，放入60℃的恒温水槽中，取出塑料袋，保温2 h后得到试件。各组试件编号如表2所示。CT扫描技术是基于材料对X射线吸收能力来获取材料内部结构信息的无损检测技术，在土木工程行业多用于孔隙和裂缝信息的提取，以及追踪材料损伤的发展路径。本文利用工业CT扫描技术，对基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料和热固性沥青混合料冻融前后的孔隙参数进行提取分析，研究改性沥青在冻融作用下孔隙结构的变化，从微观层面说明SBS改性沥青混合料和热固性沥青混合料的水稳定性改善情况

唐建锋 杨艺 莫俊杰建德市交通发展投资有限公司 东南大学交通学院 佛山市三水区公路养护中心

摘 要：隧道路面常出现水损病害，而沥青混合料的孔隙率与水稳定性密切相关。利用工业CT扫描技术，以基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料和热固性沥青混合料为研究对象，分析冻融循环作用下沥青混合料孔隙结构的变化情况。结果表明：冻融循环使得整个试件内的孔隙孔径增大，部分孔隙连通；对比基质沥青混合料，SBS改性沥青混合料和热固性沥青混合料的冻融前后孔隙增长率显著降低，其中较小孔隙率的热固性沥青混合料孔隙增长率最低；冻融后较小孔隙率的热固性沥青混合料小孔径孔隙数量大幅增加，而其他沥青混合料主要呈现孔隙的扩大与融合。

关键词：改性沥青混合料;孔结构;冻融循环;工业CT技术;

隧道因为具有改良路线线形、缩短道路里程、环境受影响小、空间占用率低等优点，得以大量修建。然而，隧道的封闭性使其通风效果受限，在雨季当雨水流入隧道或随车轮进入隧道后，不易排除，使隧道路面时常发生水损害。随着早期修建路面的破坏，隧道道面多采用加铺沥青混合料的方式进行结构补强和道面修复，这对沥青混合料加铺层的水稳定性提出了更高要求。

目前沥青混合料的水稳定性改良主要从提高沥青与集料黏附性方面出发，以使用抗剥落剂和改性沥青为主[2]。其中SBS改性沥青混合料与热固性沥青混合料的路用性能，诸如强度、水稳定性、抗疲劳性能等均有较好的改善效果，在道路中得以广泛使用[3 4]。在现有的研究当中，沥青混合料的水稳定性以水煮法、水浸法等进行定性评价，或以冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验进行间接定量评价[5]。在微观层面，则利用荧光显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜试验等对改性沥青混合料的水损害机理展开研究，进而指出SBS改性沥青混合料与热固性沥青混合料在水损害之初表现为由改性材料所形成的三维网状结构受到破坏[6 7]。而有关冻融前后两种改性沥青混合料的孔隙结构变化，研究鲜有可见。

CT扫描技术是基于材料对X射线吸收能力来获取材料内部结构信息的无损检测技术，在土木工程行业多用于孔隙和裂缝信息的提取，以及追踪材料损伤的发展路径。本文利用工业CT扫描技术，对基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料和热固性沥青混合料冻融前后的孔隙参数进行提取分析，研究改性沥青在冻融作用下孔隙结构的变化，从微观层面说明SBS改性沥青混合料和热固性沥青混合料的水稳定性改善情况。

1 试验1.1原材料

本文试验中矿料规格为0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm 包括沥青在内的各原材料技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求。沥青混合料级配类型为SMA-13 设计级配见表1。

表1 集料级配组成

1.2冻融试验

制备试件共4组，分别为普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料和不同孔隙率的热固性沥青混合料。各组沥青混合料采用标准击实法制备ϕ101.6 mm×63.5 mm的圆柱体试件，双面击实次数为各50次。试件进行真空饱水后在常压下置于水中0.5 h 而后放入塑料袋，袋内注入10 mL水，令试件在-18℃下冷冻2 h; 而后取出试件，放入60℃的恒温水槽中，取出塑料袋，保温2 h后得到试件。各组试件编号如表2所示。

表2 沥青混合料试件

混合料类型	试件编号
	冻融0次	冻融2次
基质沥青混合料	A-0	A-2
SBS改性沥青混合料	B-0	B-2
热固性沥青混合料	C-0	C-2
	D-0	D-2

1.3工业CT扫描试验

对经过冻融循环的沥青混合料试件进行钻芯取样，得到ϕ30 mm×60 mm的圆柱体试件，然后进行CT扫描试验。

对基质沥青混合料试件与SBS改性沥青混合料试件，采用X射线断层扫描仪进行试验，扫描间隔为100 μm。考虑到试件成型及移动过程中顶面和底面存在颗粒的剥落磨损现象，提取试件内直径20 mm、共580张二维灰度图进行三维重构。对热固性沥青混合料试件，采用三维X射线显微镜进行试验。考虑到仪器自身条件的约束，扫描后截取热固性沥青混合料试件中心高度10 mm、直径10 mm的圆柱体进行观察，共获得1 000张间隔为10 μm的二维灰度图，并对其进行三维重构。

2 试验结果与分析2.1三维孔隙结构分布

对CT扫描获取的灰度图进行三维重构并提取出其中的孔隙后，可得到三维孔隙分布图，如图1所示。

图1 沥青混合料三维孔隙分布

由图1可得如下结论。

(1)冻融后，各试件普遍存在最大孔隙体积增大、较大孔径孔隙数量增多现象。

(2)对于普通沥青混合料，试件A-0的较大孔径孔隙主要分布于试件的中下部，冻融循环后A-2试件的最大孔径孔隙也出现在试件中下部；对于SBS改性沥青混合料，试件B-0最大孔径孔隙分布在试件中部，冻融作用下以试件中部部分孔隙发展融合速度最快，使得最大孔隙体积提高了近3倍。这表明沥青混合料因冻胀作用产生的孔隙扩张与融合发生在整个试件范围内，但宏观上冻融破坏的发生点将出现在初始试件孔隙孔径大且密集处；而在行车荷载的作用下，该点也将受到较大的动水冲刷作用，继而裂缝迅速发展。

(3)关于热固性沥青混合料，图1(3)和图1(4)清晰地说明了，对于低孔隙率热固性沥青混合料，冻融使得较小孔径孔隙发展为较大孔径孔隙，孔隙之间相对独立；在孔隙率较高时，冻融使得孔隙连通，从而提高了孔隙体积。

2.2孔隙率

导出三维孔隙重构图中的孔隙信息，并对其进行处理得到表3中各试件的孔隙率。

表3 冻融前后沥青混合料试件孔隙率

混合料类型	冻融0次		冻融2次		增长率%增长率%
	试件编号	孔隙率%孔隙率%	试件编号	孔隙率%孔隙率%
基质沥青混合料	A-0	5.35	A-2	7.98	49.16
SBS改性沥青 混合料	B-0	3.4	B-2	4.07	19.71
热固性沥青 混合料	C-0	3.21	C-2	3.37	4.98
	D-0	7.74	D-2	8.46	9.30

对表3进行分析可得如下结论。

(1)冻融循环作用下，沥青混合料孔隙率普遍增大。其中，普通沥青混合料的孔隙率增长率高达49.16% 相较之下SBS改性沥青混合料和热固性沥青混合料试件的孔隙率涨幅则显著降低。原因在于，SBS改性沥青混合料中SBS形成了具有高强度的聚苯乙烯段和高弹性的聚丁二烯段，构成的三维网状结构，延缓了裂缝的发展和孔隙的扩张；热固性沥青混合料在高温拌和中热固性树脂固化形成了交联网状结构[8] 具有较高强度，从而限制了沥青混合料的变形。

(2)对比SBS改性沥青混合料和热固性沥青混合料的孔隙率增长率可知，热固性沥青混合料要低于SBS改性沥青混合料，可以看出热固性沥青混合料抑制孔隙发展的效果较优，即热固性沥青混合料具有较好的水稳定性。

(3)从热固性沥青混合料试验结果可以看出，初始孔隙率越大，冻融后孔隙率涨幅越大。出现该现象的原因有二：其一是初始孔隙率大，相应的外部连通孔隙也较多，在饱水情况下，进入试件内部的水也就多，水冻胀带来的影响也更大；其二是在已有较多孔隙的情况下，存在的薄弱区也较多，冻融时受到冻胀应力作用，使得微裂缝不断发展扩张，故其孔隙率的增长速度要快于孔隙较小的试件。

2.3孔隙参数

冻融前后各沥青混合料试件孔隙参数的变化情况如表4所示。

对表4进行分析，所得结论如下。

(1)对试件的孔隙面积增长率、孔隙体积增长率、平均球度与孔隙数量变化进行分析，可认为冻融循环使得基质沥青混合料试件A和热固性沥青混合料试件C的孔隙内表面变得粗糙不平，SBS改性沥青混合料试件B和热固性沥青混合料试件D的孔隙内表面则相对平滑。

表4 冻融前后沥青混合料试件孔隙参数

混合料类型	试件编号	孔隙总面积mm2孔隙总面积mm2	孔隙总体积mm3孔隙总体积mm3	平均孔径mm平均孔径mm	中值孔径mm中值孔径mm	平均球度
基质沥青混合料	A-0	10 101.112	1 096.000	0.306	0.184	1.132
	A-2	12 026.333	1 585.547	0.453	0.247	1.052
SBS改性沥青 混合料	B-0	6 387.977	735.487	0.447	0.312	1.046
	B-2	6 557.413	792.919	0.524	0.327	0.992
热固性沥青 混合料	C-0	224.989	24.783	0.075	0.032	1.074
	C-2	330.031	26.050	0.055	0.026	1.103
	D-0	671.788	59.600	0.097	0.040	1.017
	D-2	555.946	65.100	0.116	0.047	0.996

(2)对试件的平均孔径、中值孔径及其增长率进行分析，发现冻融循环作用下基质沥青混合料试件A、SBS改性沥青混合料试件B、热固性沥青混合料试件D的孔隙结构主要表现为孔隙孔径扩大并连通，而热固性沥青混合料试件C的孔隙结构主要表现为小孔径孔隙大幅增加。

综上可知，SBS和热固性树脂均具有延缓沥青混合料孔隙发展、提高沥青混合料水稳定性的作用。其主要原因为，SBS改性沥青混合料存在SBS三维网状结构，可吸收部分冻胀应力；但其中存在弹性段，孔隙扩大依然存在，当网状结构部分受到破坏时，再次受到冻融作用，孔隙将逐渐连通合并。热固性沥青混合料内部存在高强度的热固性树脂三维网状结构，在初始孔隙率较大时，相对较大的冻胀应力破坏了部分相对薄弱的网状结构，使得孔隙得以融合；初始孔隙率较小的热固性沥青混合料，冻胀应力不足以大幅破坏该结构，但同样存在部分孔隙扩张现象，在冻融循环间由于热固性树脂的约束作用，混合料内出现大量小孔径孔隙，这也使得小孔隙率热固性沥青混合料道面的水损害形成时间相对较晚。

3 结语

本文对普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料和热固性沥青混合料进行冻融试验和CT扫描试验，由试验结果分析可得以下结论。

(1)冻融循环下沥青混合料的孔隙扩大与连通发生在整个试件范围内，试件初始孔隙体积较大且密集处将先发生冻融破坏。

(2)相较于基质沥青混合料，SBS改性沥青混合料和热固性沥青混合料的冻融前后孔隙率增长率大幅下降，以小孔隙率热固性沥青混合料的增长率为最小。这表明SBS改性沥青混合料和热固性沥青混合料的水稳定性均有较大改善，其中小孔隙率热固性沥青混合料的水稳定性最优。

(3)冻融循环作用下，基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料、较大孔隙率的热固性沥青混合料的孔隙结构变化以孔隙孔径的扩张合并为主，而较小孔隙率的热固性沥青混合料的孔隙结构以显著增加小孔径孔隙为主。

参考文献

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