吳金榮， 張 濤， 李 飛

（1.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

冬季低溫環(huán)境和除冰鹽所引起的路面開裂均會嚴(yán)重影響瀝青路面的服務(wù)質(zhì)量和使用年限.瀝青路面鹽凍劣化損傷問題已逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者密切關(guān)注的問題之一.有學(xué)者［1?6］從微觀角度，結(jié)合損傷理論和方差等，評價了鹽蝕瀝青混合料性能的劣化機(jī)理，建立了凍融循環(huán)下瀝青混合料損傷性能的普適模型，認(rèn)為瀝青-集料黏接界面損壞是其性能衰減的主要原因，并得到了瀝青種類、凍融循環(huán)次數(shù)、除冰鹽濃度對瀝青混合料抗裂性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鹽蝕環(huán)境下瀝青成分的變化使瀝青膠漿劣化更嚴(yán)重.這些研究多集中于利用單一宏觀指標(biāo)來反映瀝青混合料劣化損傷性能，對于復(fù)合改性瀝青混合料的鹽凍損傷微觀改性機(jī)理研究較少.

目前，煤矸石已成為中國排放量和累積存量最大的工業(yè)固體廢棄物之一［7?8］，存在占地和污染等問題.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礦粉［7］后可使瀝青膠漿的抗剪性能更好［8］.因此合理開發(fā)利用煤矸石，可以做到資源回收、綠色發(fā)展.另外，聚酯纖維復(fù)合改性瀝青混合料的溫度敏感性、低溫抗彎裂和延塑性較好，瀝青分子與聚酯纖維相互搭接形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠提高混合料的抗裂性能，增強(qiáng)混合料勁度，改善其疲勞性能［9?10］.

綜上所述，本研究將煤矸石粉和聚酯纖維摻加到瀝青混合料中，通過室內(nèi)氯鹽凍融循環(huán)試驗(yàn)來模擬冬季路面除冰鹽的使用情況，研究瀝青混合料的低溫鹽蝕損傷機(jī)理，以期為瀝青路面在高寒鹽漬土地區(qū)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

集料采用淮南本地產(chǎn)石灰?guī)r，級配為AC?13；填料采用河北靈壽縣偏高嶺土系煤矸石粉（CGP）和石灰?guī)r礦粉（MP），其化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的組成、替代率、摻量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和物理參數(shù)如表1 所示.本研究采用煤矸石粉部分替代礦粉，替代率為50%.外摻劑采用潤方路用聚酯纖維，摻量為0.4%［10］.瀝青為Ⅰ類D 型SBS 改性瀝青.摻入聚酯纖維可以改變?yōu)r青混合料的瀝青用量，選擇0%、4.00%、4.50%、5.00%、5.50%和6.00%這6 種瀝青用量分別制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，通過測定馬歇爾試件的穩(wěn)定度、流值及毛體積密度等物理指標(biāo)，最終確定最佳瀝青用量為5.62%.

表1 煤矸石粉和礦粉的化學(xué)組成和物理參數(shù)Table 1 Chemical composition and physical parameter of coal gangue powder and mineral powder

1.2 試驗(yàn)方法

瀝青混合料半圓形試件尺寸為φ（101.60±0.25）×（30.00±1.35）mm，由標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件切割而成.配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、7.0%、13.0%和26.5%的NaCl 溶液；同時結(jié)合現(xiàn)有研究成果［10?12］，選取凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、2、4、6、8 次；待試件自然風(fēng)干至室溫后，進(jìn)行超聲波無損檢測、半圓彎曲（SCB）試驗(yàn)、掃描電鏡（SEM）和X 射線衍射（XRD）檢測.

2 結(jié)果及分析

2.1 質(zhì)量變化率及相對波速

由于瀝青混合料質(zhì)量在經(jīng)受鹽凍融循環(huán)后會發(fā)生變化［4］，本文研究瀝青混合料在鹽凍融循環(huán)試驗(yàn)中的質(zhì)量變化規(guī)律，進(jìn)而分析鹽凍融循環(huán)對SCB 試件的侵蝕損傷，并用超聲波法計算侵蝕前后的相對波速.

圖1 為鹽凍耦合作用下SCB 試件的質(zhì)量變化率.由圖1 可見：（1）在凍融循環(huán)次數(shù)一定的情況下，隨著NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，SCB試件質(zhì)量變化率依次遞增，當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%～13.0%時，試件質(zhì)量變化率增長最快；當(dāng)NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.0%～26.5%時，試件的質(zhì)量變化率增長趨緩；當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.5%時，試件的質(zhì)量變化率達(dá)到最大.（2）在NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的質(zhì)量變化率穩(wěn)定增長，8 次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量變化率達(dá)到最大；當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.5%，凍融循環(huán)8次時，SCB試件的質(zhì)量變化率達(dá)到最大，為0.456%.

圖1 鹽凍耦合作用下SCB 試件的質(zhì)量變化率Fig.1 Mass change rate of SCB specimen under salt?freezing coupling action

圖2為鹽凍耦合作用下SCB 試件的相對波速.由圖2可見：（1）在同一凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，試件的相對波速逐漸降低，其中當(dāng)NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～7.0%時，試件的相對波速下降較為明顯；當(dāng)NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%～13.0%時，試件的相對波速下降幅度最大；當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.0%～26.5%時，試件的相對波速下降不再明顯；當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.5%時，試件的相對波速降至最低.（2）在NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的相對波速逐漸降低，2次凍融循環(huán)后相對波速下降明顯；4、6次凍融循環(huán)后，試件的相對波速下降幅度較緩；6次凍融循環(huán)后相對波速降幅增加；8 次凍融循環(huán)后相對波速降至最小.綜上所述，在NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.5%，凍融循環(huán)8次時，SCB試件的相對波速降至最小，為0.896.

圖2 鹽凍耦合作用下SCB 試件的相對波速Fig.2 Relative wave velocity of SCB specimen under salt?freezing coupling action

瀝青混合料在鹽溶液凍融循環(huán)過程中經(jīng)受“溶液吸收—溶液遷移—融化平衡”3個階段.鹽分在瀝青膠漿中的“固化”作用使混合料質(zhì)量增加，存在于膠漿中的鹽對瀝青組分產(chǎn)生“鹽析”效應(yīng)，使瀝青中輕質(zhì)組分含量減少，瀝青變硬、變脆［13］.SEM 圖片顯示：瀝青膜出現(xiàn)裂隙并附著有透明晶粒，宏觀表現(xiàn)為混合料延塑性降低、力學(xué)性能衰減；隨著NaCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合料內(nèi)部“固化”、“鹽析”作用的相對強(qiáng)弱影響著混合料的質(zhì)量變化率；隨著鹽蝕和凍融耦合作用的持續(xù)進(jìn)行，混合料內(nèi)部微孔隙裂紋增多，相對波速下降，其中凍融循環(huán)2～6 次時，試件相對波速下降緩慢，其主要原因是SBS 聚酯纖維復(fù)合改性瀝青提高了混合料的抗凍性能.

2.2 SCB 試驗(yàn)結(jié)果

本文引入極限拉應(yīng)力（σt）和極限拉應(yīng)變（ε）［14?15］2個指標(biāo)來評價鹽凍耦合作用對瀝青混合料低溫開裂性能的影響.

2.2.1 NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

鹽凍耦合作用下，SCB 試件三點(diǎn)彎曲破壞時的極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變?nèi)S折線圖見圖3.

圖3 鹽凍耦合作用下SCB 試件的極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變?nèi)S折線圖Fig.3 3D line graph of ultimate tensile stress and ultimate tensile strain of SCB specimen under salt?freezing coupling action

由圖3（a）可見：在凍融循環(huán)次數(shù)一定的情況下，隨著NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力依次減小，當(dāng)NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到13.0%后，極限拉應(yīng)力降幅趨于平緩；當(dāng)NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.5%時，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力最小，該條件下，凍融循環(huán)0、2、4、6、8 次的極限拉應(yīng)力分別為7.94、6.03、5.25、3.66、3.77 MPa，較未侵蝕狀態(tài)下減少了0.39%、16.14%、14.84%、41.01%、32.65%.

由圖3（b）可見：在凍融循環(huán)次數(shù)一定的情況下，隨著NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，瀝青混合料的極限拉應(yīng)變依次減??；當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.5%時，瀝青混合料的極限拉應(yīng)變降至最低，對應(yīng)凍融循環(huán)0、2、4、6、8次的極限 拉 應(yīng) 變分別為0.350×10-2、0.302×10-2、0.297×10-2、0.267×10-2、0.250×10-2mm/m，較未侵蝕狀態(tài)下減少了2.63%、9.68%、8.33%、13.91%、15.14%.

2.2.2 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

由圖3（a）還可見：在NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力依次減小，其中凍融循環(huán)次數(shù)為2～6 次時，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力衰減速率略有減??；凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到8 次時，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力衰減到最小，對應(yīng)NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、7.0%、13.0%、26.5%分別為5.60、5.16、3.78、3.77，較未侵蝕狀態(tài)下減少了29.76%、32.86%、53.30%、52.51%.

由圖3（b）還可見：在NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的極限拉應(yīng)變依次減小，同樣在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到8 次時，瀝青混合料的極限拉應(yīng)變衰減到最小，對應(yīng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、7.0%、13.0%、26.5% 分別為0.294、0.285、0.269、0.250，較未凍融狀態(tài)下減少了18.05%、21.56%、25.19%、28.57%.

瀝青混合料受到鹽凍耦合雙重作用后，在結(jié)冰壓、鹽結(jié)晶膨脹壓和鹽蝕作用下性能劣化嚴(yán)重.鹽分的“固化”作用及親水性導(dǎo)致膠漿內(nèi)形成滲水層，在動水沖刷和溶析滲透壓共同作用下，更多鹽溶液涌入瀝青膠漿中，Na+、OH-、Cl-等離子會使瀝青中的親水基團(tuán)溶解，加劇對瀝青的乳化作用，瀝青組分析出；當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過13.0%時，瀝青對鹽分的“固化”作用減弱，膠漿鹽分積累趨于飽和，鹽凍循環(huán)后瀝青膜脫落表面及膠漿內(nèi)部出現(xiàn)孔洞凹槽，膠漿內(nèi)部缺陷增多、延塑性下降、劈裂受力不均勻、應(yīng)力集中現(xiàn)象增多、脆斷概率增加，宏觀表現(xiàn)為試件孔隙增多且附著許多鹽晶體，力學(xué)性能衰減劣化.

3 損傷模型建立

3.1 鹽凍損傷

為更好地分析試件的內(nèi)部損傷，引入極限拉應(yīng)力損傷量（Dn）來分析鹽凍耦合作用下瀝青混合料損傷量的變化規(guī)律.Dn計算式為：

式中：σ0和σn分別為試件初始極限拉應(yīng)力和第n次凍融循環(huán)后的極限拉應(yīng)力，MPa.

瀝青混合料的極限拉應(yīng)力損傷量三維折線圖見圖4.由圖4 可見：相同NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力損傷量逐漸增加，試件內(nèi)部損傷逐漸積累，其中在清水中，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力損傷量整體呈低速率增長，4、6次凍融循環(huán)時損傷量較小，增速較為平緩，8 次凍融后損傷量增幅增加；而在3 種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl 溶液中，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力損傷量增速加快，且在凍融循環(huán)達(dá)到6 次后，極限拉應(yīng)力損傷量較大，損傷量增幅略有減緩.

圖4 瀝青混合料的極限拉應(yīng)力損傷量三維折線圖Fig.4 3D line graph of ultimate tensile stress damage amount of asphalt mixture

3.2 模型建立

采用Origin 軟件中的Poly2D 模型對瀝青混合料極限拉應(yīng)力損傷量進(jìn)行曲面擬合.擬合公式見式（2）：

式中：n為凍融循環(huán)次數(shù)，次；w為NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%.

瀝青混合料極限拉應(yīng)力損傷模型見圖5，模型擬合系數(shù)R2為0.944.

圖5 瀝青混合料極限拉應(yīng)力損傷模型Fig.5 Ultimate tensile stress damage model of asphalt mixture

表2 為Origin 曲面擬合值與實(shí)際值的比較，表中n、w的下標(biāo)分別表示凍融循環(huán)次數(shù)和NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù).由表2 可見，實(shí)際值與擬合值誤差基本在±0.15 以內(nèi)［16］.這說明Poly2D 模型對鹽凍耦合作用下SCB 試件極限拉應(yīng)力損傷量擬合度較高，可以用該模型對鹽凍耦合作用下瀝青混合料的內(nèi)部損傷進(jìn)行預(yù)測.

表2 Origin 曲面擬合值與實(shí)際值比較Table 2 Comparison of origin surface fitting value and actual value

4 損傷機(jī)理分析

4.1 宏觀機(jī)理分析

圖6 為鹽凍耦合作用下SCB 試件的表觀形態(tài).由圖6 可見：（1）在凍融循環(huán)次數(shù)相同的條件下，隨著NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，SCB 試件受到的鹽分侵蝕逐漸增強(qiáng)，試件在清水中凍融循環(huán)后表面較為平整光滑，集料顆粒致密；隨著NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鹽蝕作用逐漸增強(qiáng)，鹽分逐漸吸附于試件，宏觀上表現(xiàn)為試件表面出現(xiàn)較多白色顆粒，瀝青混合料質(zhì)量逐漸增加.（2）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，SCB試件在鹽凍耦合作用下，表面變得越來越粗糙，孔隙裂紋逐漸增多，集料顆粒松散，嚴(yán)重的還會有骨料掉落.說明反復(fù)凍脹作用破壞了試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體性，試件變得松散，其相對波速、極限拉應(yīng)力、極限拉應(yīng)變均有不同程度的衰減，瀝青混合料損傷逐漸加重.SCB 試件在承受荷載時，裂縫首先從試件底部薄弱損傷域開始發(fā)展，隨著荷載的增加，裂縫沿著劈裂受力點(diǎn)逐漸伸延.當(dāng)瀝青混合料內(nèi)部損傷較輕時，裂縫一般沿著細(xì)料薄弱損傷域緩慢發(fā)展，當(dāng)鹽蝕凍融循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)時，瀝青混合料內(nèi)大顆粒骨料受到損傷，強(qiáng)度降低，裂縫可能會貫穿大顆粒集料，此時因裂縫中伴有相互搭接的聚酯纖維絲狀物，因此對裂縫的發(fā)展具有一定的抑制作用.瀝青混合料在鹽凍耦合環(huán)境下相關(guān)化學(xué)反應(yīng)如表3 所示.

表3 瀝青混合料鹽蝕相關(guān)方程Table 3 Correlation equation of salt corrosion of asphalt mixture

圖6 鹽凍耦合作用下SCB 試件的表觀形態(tài)Fig.6 Apparent morphology of SCB specimen under salt?freezing coupling action

4.2 微觀機(jī)理分析

4.2.1 鹽凍融循環(huán)對瀝青混合料損傷性能微觀分析

NaCl溶液的浸泡會促進(jìn)瀝青混合料中的堿集料與煤矸石粉、礦粉、瀝青等發(fā)生一系列反應(yīng)，生成Na2SO4、K2SO4等新的化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)也會對瀝青-集料界面造成侵蝕損傷.圖7 為不同NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下瀝青混合料的XRD 圖譜.由圖7 可見：隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，衍射峰值強(qiáng)度逐漸增加，對瀝青混合料的化學(xué)腐蝕作用增強(qiáng)，造成的損傷也逐漸增強(qiáng).說明隨著NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電離出的Na+、Cl-逐漸增多，與清水相比，無機(jī)鹽具有較高的表面能，更易進(jìn)入混合料內(nèi)部，瀝青中羧酸類和酚類等輕質(zhì)含氧化合物與鹽溶液中的Na+等堿性金屬離子生成低價高級有機(jī)酸鈉鹽，其屬于典型皂類化合物，易溶于水［17］.瀝青膠漿化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而降低瀝青、集料、填料及纖維間的黏結(jié)力和握裹力，破壞了集料表面的瀝青膜.游離離子還會與集料中的活性SiO2發(fā)生活性堿反應(yīng)，生成堿硅凝膠［12，18］.其具有吸水性，可產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，會破壞瀝青混合料內(nèi)部的整體性，加速混合料的化學(xué)侵蝕，從而降低SCB 試 件的 極 限 拉應(yīng) 力.由 圖7 還可 見：（1）當(dāng)NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.0%時，對瀝青混合料的侵蝕作用達(dá)到最強(qiáng)；當(dāng)NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過13.0%后，游離于瀝青混合料中的Na+、Cl-逐漸趨于飽和，對瀝青混合料的侵蝕增強(qiáng)作用不再明顯，鹽分對試件極限拉應(yīng)力的降低作用趨于平緩.（2）隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，瀝青質(zhì)樹脂含量增加，飽和芳香烴含量降低，瀝青鹽老化現(xiàn)象逐漸加重［17，19］，瀝青膜鹽蝕損傷加重，瀝青混合料延塑性降低，從而降低了SCB試件的極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變.

圖7 瀝青混合料的XRD 圖譜Fig.7 X?ray pattern of asphalt mixture

瀝青混合料內(nèi)鹽分侵蝕和鹽凍循環(huán)后瀝青膜的SEM 照片見圖8.

鹽溶液、凍融循環(huán)和外部荷載等以不同力學(xué)機(jī)理作用于瀝青混合料微空隙及薄弱損傷域（圖8（a））.鹽凍耦合作用加劇了瀝青混合料微裂隙中的水冰相位，鹽分累積、水分遷移使得外部荷載與材料損傷之間不斷反饋調(diào)整，導(dǎo)致材料物理力學(xué)性能劣化失效［20］，其破壞損傷機(jī)理較為復(fù)雜.當(dāng)SCB 試件在清水中經(jīng)受凍融循環(huán)時，試件內(nèi)部主要承受因水結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹壓，對試件內(nèi)部的破壞強(qiáng)度較低，損傷量較小，8 次凍融循環(huán)后損傷量仍以較快速率增長；而當(dāng)SCB 試件在NaCl 溶液中經(jīng)受凍融循環(huán)時，Na+會促進(jìn)堿集料反應(yīng)，對瀝青產(chǎn)生乳化作用，Cl-的腐蝕作用使瀝青膜老化，Na+還會與瀝青形成不穩(wěn)定的化學(xué)吸附層，降低瀝青與集料間的黏附性［21?24］，從而形成微裂紋（圖8（b））.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，SCB 試件的極限拉應(yīng)力損傷量快速增長，其內(nèi)部損傷逐漸積累，6 次凍融循環(huán)后試件內(nèi)部裂紋發(fā)展趨于穩(wěn)定，損傷量增速變緩，鹽凍耦合作用對瀝青混合料產(chǎn)生更強(qiáng)的破壞作用；隨著溫度的降低，SCB 試件內(nèi)的孔隙水開始結(jié)冰，氯鹽溶解度降低，開始析出鹽晶體，冰晶的凍脹力和不規(guī)則性容易刺穿瀝青膜，進(jìn)入瀝青和集料界面，促使瀝青膜脫落［23］；當(dāng)溫度升高時，冰晶開始溶解，荷載作用導(dǎo)致瀝青混合料開始產(chǎn)生負(fù)壓泵吸作用［20］，空隙內(nèi)的鹽分和水分遷移，反復(fù)沖刷瀝青-集料界面，使瀝青膠漿顆粒流失，加速瀝青-集料界面滑移、松動，瀝青膜變薄，并出現(xiàn)微裂縫坑洼凹槽，瀝青膠漿性能降低.反復(fù)鹽凍循環(huán)后，微裂縫萌生擴(kuò)展演化為宏觀裂縫（圖8（c）），瀝青混合料累積耗散能逐漸降低，內(nèi)部損傷逐漸積累，瀝青混合料物理力學(xué)性能出現(xiàn)不可逆的衰減.

圖8 瀝青混合料經(jīng)受鹽分侵蝕和鹽凍循環(huán)后瀝青膜的SEM 照片F(xiàn)ig.8 SEM images of asphalt membrane after salt erosion and salt freezing cycle of asphalt mixture

4.2.2 煤矸石粉/聚酯纖維對瀝青混合料損傷性能微觀機(jī)理分析

煤矸石粉的比表面積較礦粉大，其表面粗糙、褶皺、多孔隙，吸附瀝青能力強(qiáng)，能夠與瀝青裹附而形成光滑、致密、厚實(shí)的瀝青膜.同時，煤矸石粉中含有大量活性Al2O3和SiO2，易與瀝青發(fā)生一系列物理和化學(xué)吸附作用，形成具有更強(qiáng)黏附性的結(jié)構(gòu)瀝青［25?26］，瀝青膠漿性能更好，從而使瀝青混合料塑性、整體性以及抗變形能力增強(qiáng).圖9 為煤矸石粉-礦粉嵌擠分布形態(tài)的SEM 照片.由圖9 可見：礦粉顆粒粒徑較大且規(guī)則，表面平整光滑，棱角較少；煤矸石粉顆粒粒徑較小，表面似蜂窩狀，粗糙多孔隙；兩者以最佳質(zhì)量比1∶1 相互作用嵌擠時，能夠形成更加密實(shí)且具有較高自由能的填料體系，吸附更多瀝青，從而提高瀝青混合料內(nèi)黏聚力.煤矸石粉恰好彌補(bǔ)了礦粉單獨(dú)作為填料所導(dǎo)致的瀝青混合料內(nèi)部不可彌補(bǔ)的缺陷，間接改善了瀝青混合料的損傷性能.化學(xué)吸附是由于填料礦物成分不同而引起的吸附差異，其作用遠(yuǎn)大于物理吸附.活化煤矸石粉中含有大量的活性Al2O3和SiO2，能夠?qū)r青與填料之間的酸堿反應(yīng)起到促進(jìn)作用，F(xiàn)e2O3中過渡金屬元素會促進(jìn)填料與瀝青間的絡(luò)合反應(yīng)，因此活化煤矸石粉與瀝青之間的結(jié)合更緊密［26］.

圖9 煤矸石粉-礦粉嵌擠分布形態(tài)Fig.9 Distribution pattern of coal gangue powder?mineral powder

圖10 為聚酯纖維在瀝青混合料中的分布形態(tài).由圖10 可見，在瀝青混合料中加入適量聚酯纖維能夠改善瀝青膠漿的韌性和溫度敏感性，同時對骨料起到加筋固結(jié)作用，摻入0.4%聚酯纖維能夠使其均勻地分布于瀝青混合料中，形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［27］，提高瀝青混合料的塑性，對裂縫擴(kuò)展具有一定的束縛作用.當(dāng)瀝青混合料受外力作用時，纖維受拉變形，待外界力消失后纖維彈性恢復(fù).因此纖維具有促使瀝青混合料恢復(fù)原來形態(tài)的趨勢，增強(qiáng)材料的彈性恢復(fù)自愈能力，減小外力作用引起的損傷.當(dāng)結(jié)晶凍脹力不足以抵抗纖維彈性自愈能力時，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力損傷量增加不明顯，損傷較輕.瀝青混合料在清水中經(jīng)歷8 次凍融循環(huán)后，裂紋擴(kuò)展程度較大時，纖維的加筋自愈作用不再明顯，瀝青混合料損傷量快速增大.

圖10 聚酯纖維在瀝青混合料中的分布形態(tài)Fig.10 Vertical and horizontal staggered distribution of polyester fibers in asphalt mixture

當(dāng)SCB 試件承受外部荷載時，由于煤矸石粉-礦粉間的相互作用所形成的高黏性、致密厚實(shí)、塑性良好的瀝青膜抗彎拉性能更好，因而能夠延緩?fù)獠亢奢d對瀝青混合料的損傷.同時該致密厚實(shí)的瀝青膜及聚酯纖維在混合料中形成的均勻網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠緩解瀝青混合料的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，將應(yīng)力很好地分散和傳遞開來，延緩和降低外荷載對瀝青混合料的損傷，進(jìn)而提高其耐久性和低溫抗裂性.

5 結(jié)論

（1）隨著NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、凍融循環(huán)次數(shù)的增加，煤矸石粉/聚酯纖維瀝青混合料的質(zhì)量變化率逐漸增加，其相對波速、極限拉應(yīng)力、極限拉應(yīng)變逐漸降低.

（2）煤矸石粉/聚酯纖維瀝青混合料具有良好的抗彎拉性能，SCB 試件在NaCl 溶液中的凍融損傷大于在清水中的凍融損傷.

（3）當(dāng)NaCl 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.0%、凍融循環(huán)8次時，SCB 試件的極限拉應(yīng)力損傷量最大，鹽凍耦合侵蝕作用最強(qiáng)，損傷最嚴(yán)重.通過Poly2D 模型對瀝青混合料的極限拉應(yīng)力損傷量進(jìn)行誤差分析，結(jié)果表明損傷量可以較好地反映瀝青混合料的損傷性能.

（4）煤矸石粉-礦粉特殊的嵌擠結(jié)構(gòu)及其與聚酯纖維形成的致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對瀝青混合料的鹽凍損傷具有一定的改善效果.

（5）Na+不僅會促進(jìn)堿集料反應(yīng)，還會與瀝青形成不穩(wěn)定的化學(xué)吸附層，降低瀝青與集料間的黏附性；Cl-的腐蝕作用會使瀝青膜老化.因此鹽蝕凍融環(huán)境會加速瀝青混合料的損傷.