高穎， 趙楚涵， 郭慶林， 李懿明

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院， 邯鄲 056107)

開級(jí)配磨耗層(open graded wear layer,OGFC)在排水、降噪等方面展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用價(jià)值，然而其多孔結(jié)構(gòu)降低了承載力，相對(duì)于密級(jí)配路面，服役壽命大大降低。為了解決這一問(wèn)題，相關(guān)研究者致力于尋找一種更優(yōu)異的黏結(jié)劑來(lái)提高路面的使用壽命，聚氨酯膠黏劑因自身的高粘結(jié)強(qiáng)度，可與集料拌合，制備聚氨酯透水混合料(polyurethane bounded permeable mixture，PUPM)。研究發(fā)現(xiàn)，PUPM具有抗堵塞能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐老化[1-2]等優(yōu)異性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

然而，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，PUPM雖存在較多的優(yōu)異性能，但水穩(wěn)定性尤為不足。室內(nèi)試驗(yàn)中，王火明等[3]制備了單粒徑立方體抗壓試件，凍融5次后強(qiáng)度損失率達(dá)到15%；賴輝等[4]指出，凍融5次后PUPM強(qiáng)度損失率達(dá)到30%，與透水水泥混凝土相比，抗凍性相差甚遠(yuǎn)。Cong等[5]對(duì)PUPM進(jìn)行了肯塔堡飛散試驗(yàn)，隨著浸泡時(shí)間和溫度的增加，飛散損失逐漸增大。在提高水穩(wěn)定性方面，高俊凌[6]采用真空灌注法制備PUPM，通過(guò)降低孔隙率的方法來(lái)減少開口孔隙數(shù)量，抑制水分進(jìn)入，凍融前后試件的劈裂強(qiáng)度比僅相差6.02%。；李昀澤[7]將1%的聚合碳化二亞胺(PCDI)加入單組分聚氨酯膠黏劑，來(lái)提高其抗水解能力，同時(shí)將2%的硅烷偶聯(lián)劑(KH550)加入膠黏劑中，來(lái)提高其與集料的黏附性。水穩(wěn)定性測(cè)試中，PUPM的抗凍融能力得到改善?？梢钥闯?，當(dāng)前對(duì)于PUPM的抗凍融研究?jī)H有兩個(gè)方面，一方面通過(guò)力學(xué)測(cè)試來(lái)表征凍融耐久性，一方面通過(guò)膠黏劑改性來(lái)提高其水穩(wěn)定性，目前并未對(duì)PUPM凍融損傷機(jī)理進(jìn)行深入研究。

對(duì)于瀝青路面而言，凍融損傷的研究已日漸成熟。余地[8]對(duì)瀝青混合料進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度等力學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)初期的孔隙水凍脹作用促進(jìn)了混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，凍融6次后，損傷減緩。Xu等[9]通過(guò)CT掃描建立了不同凍融階段混合料的三維圖像，發(fā)現(xiàn)凍融損傷主要有3個(gè)階段：初始的冰凍脹作用促使混合料內(nèi)部孔隙相連通；相連通的孔隙消散了冰的凍脹力，損傷速率減緩；水分逐漸滲透到油石界面中，削弱了界面粘結(jié)強(qiáng)度，混合料承載力進(jìn)一步降低。同時(shí)進(jìn)行了界面剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會(huì)破壞瀝青與骨料的粘結(jié)特性，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加粘結(jié)強(qiáng)度損失率不斷減小。Yi等[10]研究了開放級(jí)配瀝青混合料的損傷衰變過(guò)程。發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對(duì)多孔瀝青混合料造成損傷的主要原因是界面內(nèi)聚力的喪失。Guo等[11]制備了油石界面試件，發(fā)現(xiàn)隨著凍融時(shí)間的增長(zhǎng)，界面粘附破壞增多，油石脫黏現(xiàn)象明顯?？梢姡旌狭蟽鋈趽p傷兩方面因素造成，一方面是冰的凍脹作用使混合料內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋，降低承載力。另一方面是水不斷向界面擴(kuò)散，削弱界面粘結(jié)強(qiáng)度。相比于瀝青混合料，PUPM作為一種新型路用材料，抗凍融問(wèn)題仍需進(jìn)一步深入研究。

基于上述問(wèn)題，通過(guò)分析PUPM凍融前后的力學(xué)行為變化及內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，來(lái)研究?jī)鋈谇昂蟮淖饔脵C(jī)制；在不同溫度、水熱、凍融3種工況下進(jìn)行界面力學(xué)行為對(duì)比研究，最后分析界面凍融損傷演化規(guī)律，并揭示界面損傷機(jī)理。研究結(jié)果對(duì)促進(jìn)PUPM抗損傷機(jī)制理論的深入研究和應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 原材料

1.1 瀝青及礦料

試驗(yàn)采用AH-70#石油瀝青，選用玄武巖作為礦料，原材料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1和表2所示，均滿足規(guī)范要求。

1.2 聚氨酯膠黏劑

聚氨酯膠黏劑由A組分(主劑)和B組分(固化劑)常溫拌合而成，質(zhì)量比為4∶1，為避免固化過(guò)程中膠黏劑與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將拌合時(shí)間控制在 1 min 之內(nèi)。

表1 瀝青基本技術(shù)性能指標(biāo)

表2 集料基本技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)材料設(shè)計(jì)

2.1 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

選用OGFC-13瀝青混合料與PUPM進(jìn)行對(duì)比研究，經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)計(jì)算，得到最佳油石比為3.8%，相應(yīng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，集料分配情況如表3所示。

表3 集料分配的分布情況Table 3 Distribution of aggregate distribution

2.2 PUPM配合比設(shè)計(jì)

(1)采用與OGFC-13瀝青混合料相同的級(jí)配，根據(jù)最佳瀝青用量，與聚氨酯膠黏劑進(jìn)行等體積代換，確定初始用量。

(2)在使用初始用量的拌合過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)膠黏劑不足以包裹集料表面，這會(huì)導(dǎo)致試件黏結(jié)力不足，強(qiáng)度下降。因此，根據(jù)初始膠用量，每次增加5%膠用量，當(dāng)膠黏劑足以包裹集料表面時(shí)，確定最小用量為7.3%。

(3)膠黏劑在未固化前具有流動(dòng)性，當(dāng)用量過(guò)大時(shí)，在自身重力作用下會(huì)造成孔隙堵塞，即所謂的析漏。因此，根據(jù)最小膠用量，每次增加2%，取4個(gè)參量進(jìn)行析漏試驗(yàn)，根據(jù)規(guī)范要求確定最大膠用量為10.5%。

(4)相關(guān)研究表明，PUPM的高低溫性能良好[1，6，12]，水穩(wěn)定性衰減較快[13]，同時(shí)，膠黏劑是控制混合料孔隙率的主要因素，因此以取兩者交集確定最佳膠黏劑用量。各用量孔隙率與劈裂強(qiáng)度比如表4所示。多孔混合料孔隙率一般為15%～25%[14]，劈裂強(qiáng)度比應(yīng)大于80%，根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果，確定最佳膠石比為8.4%。

表4 各膠用量下PUPM的孔隙率與劈裂強(qiáng)度比

2.3 “三明治”試件制備

2.3.1 試件設(shè)計(jì)方法

混合料的強(qiáng)度與集料-膠漿界面性能密切相關(guān)，為揭示凍融后界面損傷規(guī)律，自主設(shè)計(jì)了聚氨酯膠粘劑與玄武巖集料組成的拉拔試件。為使試件在界面處產(chǎn)生拉伸破壞，將石板打磨成上表面邊長(zhǎng)50 mm、下表面邊長(zhǎng)28 mm的梯形玄武巖石板，膜厚度為0.1 mm[11]，拉拔試件如圖1所示。

圖1 拉拔試件Fig.1 Pulling specimen

2.3.2 誤差處理

如圖2所示，試件在打磨過(guò)程中邊長(zhǎng)存在一定誤差，圖2(a)中瀝青在高溫水浴環(huán)境下產(chǎn)生了流動(dòng)，圖2(b)中聚氨酯膠黏劑四周打磨不均勻，采用計(jì)量器對(duì)界面破壞面積重新測(cè)量，綠色線框面積即為測(cè)量面積，結(jié)果如表5所示。

圖2 拉拔試件斷面Fig.2 Section of drawing specimen

表5 不同工況試件斷面面積Table 5 Section area of specimens under different working conditions

3 試驗(yàn)方法

3.1 凍融試驗(yàn)方法確定

將混合料在98.3～98.7 kPa真空下保持15 min，之后常壓下維持30 min；飽水后，將試樣放入-18 ℃冰箱冷凍16 h，之后在60 ℃水中融化24 h。凍融次數(shù)為0、2、4、6、8、10次。

3.2 凍融前后混合料性能測(cè)試

為分析凍融前后混合料物理性能衰減規(guī)律，對(duì)試件不同凍融階段的吸水率、質(zhì)量損失率進(jìn)行測(cè)定，各指標(biāo)計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

式中：Δmm為累積質(zhì)量損失率，%；m0為初始試件質(zhì)量，g；mn為經(jīng)歷凍融n次后試件干質(zhì)量，g；w為經(jīng)歷凍融n次后試件吸水率，%；mw為凍融n次后含水試件含水率，%。

對(duì)凍融后的試件進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)，研究混合料凍融過(guò)程中的強(qiáng)度演化規(guī)律，測(cè)試溫度為25 ℃,劈裂強(qiáng)度計(jì)算公式為

(3)

式(3)中:R為間接拉伸強(qiáng)度，MPa；h為試件厚度，mm；Pt為施加的豎向荷載，N。同時(shí)，為更好地表征其力學(xué)衰減規(guī)律，根據(jù)損傷力學(xué)概念，損傷變量Dn可定義為

(4)

式(4)中：Rn為凍融n次后混合料的強(qiáng)度，MPa；R0為未凍融混合料強(qiáng)度，MPa。

3.3 拉拔試驗(yàn)

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)拉拔試件進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。為了確定不同因素對(duì)界面拉伸強(qiáng)度的影響，將測(cè)試條件分為三種工況，具體試驗(yàn)內(nèi)容如下：

圖3 拉拔試驗(yàn)過(guò)程Fig.3 Pulling test process

(1)不同溫度下界面拉拔試驗(yàn)：分別在-10、20、40 ℃進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)前均在設(shè)計(jì)環(huán)境中放置6 h，為減少溫度消散，取出試件后應(yīng)立即測(cè)試，測(cè)試時(shí)間保證在1 min之內(nèi)。

(2)水熱循環(huán)后界面拉拔試驗(yàn)：在60 ℃水浴中對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試，浸水時(shí)間分別為0、2、4、6、7、8、10 d。

(3)凍融循環(huán)后界面拉拔試驗(yàn)：拉拔試件與混合料凍融方法相同，進(jìn)行0、2、4、6、8、10次凍融循環(huán)。

拉伸應(yīng)變速率為50 mm/min，拉拔強(qiáng)度計(jì)算公式為

(5)

式(5)中：P為拉拔強(qiáng)度，MPa；F為施加的豎向荷載，N；A為接觸面積，mm2。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 混合料物理性能衰減規(guī)律

混合料各物理指標(biāo)變化規(guī)律如圖4、圖5所示。

由圖4可知，兩種混合料的質(zhì)量損失均呈線性增長(zhǎng)，PUPM質(zhì)量損失較大。隨著凍融時(shí)間的增長(zhǎng)，水不斷替換到界面膠膜處，與瀝青混合料相比，水對(duì)膠黏劑的侵蝕程度更大，導(dǎo)致黏結(jié)力下降，集料剝落較多。

從圖5可知，兩種混合料吸水率變化規(guī)律基本相同，OGFC的吸水率較大。為了使凍融后混合料連通孔隙中的水流出，混合料凍融后的質(zhì)量是將其凍融后靜置在干布5 min進(jìn)行測(cè)量的，此時(shí)混合料的水基本存在于內(nèi)部的閉合孔隙，在配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，OGFC的孔隙率略大于PUPM，導(dǎo)致OGFC內(nèi)部閉合孔隙較多，這可能是造成OGFC吸水率較大的主要原因。另一方面，兩者的吸水率均呈上升-減緩-基本平穩(wěn)趨勢(shì)，主要原因在于[15]，凍融初期，水迅速進(jìn)入混合料孔隙中，吸水率顯著增長(zhǎng)。在凍融2～6次這一過(guò)程中，凍脹力的作用使內(nèi)部的封閉孔隙出現(xiàn)微裂紋，形成與外部孔隙相連通的開口孔隙，閉合孔隙減少，連通孔隙增多，排水過(guò)程中可流動(dòng)的水增多，混合料吸水率下降。在凍融后期，隨著開口孔隙不斷增多，消散了凍脹力的作用，微裂紋不再增長(zhǎng)，開口孔隙生長(zhǎng)速率減緩，吸水率基本保持穩(wěn)定。綜上而言，吸水率的變化規(guī)律間接表征了混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷過(guò)程。

圖4 不同凍融次數(shù)下混合料質(zhì)量損失率Fig.4 Mass loss rate of mixture under different freeze-thaw times

圖5 不同凍融次數(shù)下混合料吸水率Fig.5 Water absorption rate of mixture at different freeze-thaw times

4.2 劈裂強(qiáng)度衰減規(guī)律分析

經(jīng)計(jì)算，混合料劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6可見，隨著凍融次數(shù)的增加，兩種混合料強(qiáng)度在初期衰減較快，后期衰減趨勢(shì)減緩。PUPM劈裂強(qiáng)度約是OGFC強(qiáng)度的3倍左右，雖然凍融條件不斷惡化，但是膠黏劑之間的黏結(jié)力始終優(yōu)異于瀝青之間的黏結(jié)力，促使PUPM具有更好的抗拉破壞能力。

圖6 混合料不同凍融次數(shù)下的劈裂強(qiáng)度Fig.6 The splitting strength of mixture under different freeze-thaw times

為進(jìn)一步分析各混合料在凍融過(guò)程中的損傷程度，引入損傷變量對(duì)其進(jìn)行表征，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 損傷變量隨凍融次數(shù)變化Fig.7 Variation of damage variables with the number of freeze-thaw cycles

由圖7可知，兩種混合料的力學(xué)性能均呈下降-下降減緩-下降再減緩趨勢(shì)，PUPM的損傷程度始終低于OGFC，展現(xiàn)了更好的抗水損害能力。根據(jù)前面吸水率的變化規(guī)律可知，凍融初期[9]，試件內(nèi)部微小孔隙在凍脹力的作用下，生成微裂紋，混合料抵抗外荷載的能力下降，造成損傷加速，在凍融2次后，初期凍脹力的作用促使內(nèi)部通過(guò)開口空隙和裂紋形成彼此連通的新空隙，這些連通孔隙消散了凍脹力的作用，微裂紋不再增長(zhǎng)，損傷減緩。

同時(shí)，從圖8中可知，在凍融0次時(shí)，PUPM斷面損傷主要發(fā)生在集料自身的斷裂及膠黏劑少許的內(nèi)聚破壞，在凍融2次后，受拉伸破壞的集料減少，集料與膠黏劑的黏附破壞增多，水已深入膠石界面中。凍融10次時(shí)，損傷類型基本轉(zhuǎn)換為界面處兩者的黏附破壞。綜上可知，PUPM的凍融損傷是由于水不斷替換至膠石界面，弱化界面粘結(jié)強(qiáng)度及凍脹作用下引起的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷共同造成的。

圖8 不同凍融次數(shù)下PUPM破壞斷面Fig.8 PUPM failure section under different freeze-thaw cycles

4.3 不同工況界面性能衰減規(guī)律

4.3.1 不同溫度下界面抗拉強(qiáng)度演化規(guī)律

由圖9發(fā)現(xiàn)，不同工況下，膠石界面粘結(jié)強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低，且始終高于油石界面強(qiáng)度，溫度的變化對(duì)界面力學(xué)性能產(chǎn)生了一定影響。從圖9中發(fā)現(xiàn)，在20 ℃時(shí)，界面呈黏聚破壞，40 ℃時(shí)，約有50%的面積出現(xiàn)了粘附破壞，粘結(jié)強(qiáng)度降低。在-20 ℃時(shí)，雖然粘附破壞面積已超過(guò)50%，但是低溫條件提高了膠黏劑的彈性模量，界面抗外荷載能力增強(qiáng)。值得注意的是低溫時(shí)油石界面強(qiáng)度降低，這是由于低溫增加了瀝青的脆性，導(dǎo)致強(qiáng)度顯著降低。

圖9 不同溫度下界面抗拉強(qiáng)度Fig.9 Interfacial tensile strength at different temperatures

4.3.2 水熱作用下界面抗拉強(qiáng)度衰減規(guī)律

從圖10中發(fā)現(xiàn)，膠石界面在浸水2 d時(shí)，強(qiáng)度顯著降低，之后衰減速率減緩。在浸水2 d后，膠石界面強(qiáng)度均低于油石界面強(qiáng)度，造成上述現(xiàn)象的原因，從圖11所示的界面破壞形貌加以分析。

圖10 不同浸水時(shí)間界面抗拉強(qiáng)度Fig.10 Interfacial tensile strength at different immersion times

在未浸水時(shí)，膠石界面呈黏聚破壞，浸水2 d后，界面從黏聚破壞全部轉(zhuǎn)換成粘附破壞，水基本替換到膠石粘結(jié)區(qū)域，促使膠石脫黏。同時(shí)，如圖11(g)、圖11(h)所示，界面破壞位置出現(xiàn)了較大的孔隙，這可能是因?yàn)榫郯滨ブ袣埩舻漠惽杷狨セc水反應(yīng)消耗了界面的粘結(jié)面積，進(jìn)一步促進(jìn)了水的侵蝕。在浸水10 d時(shí)，界面破壞形態(tài)與浸水2 d后基本形同，說(shuō)明在浸水2 d時(shí)水已占據(jù)膠膜-集料粘結(jié)區(qū)域，對(duì)界面的侵蝕程度基本達(dá)到飽和，導(dǎo)致浸水2 d后的強(qiáng)度衰減趨勢(shì)減緩。

從油石界面的破壞形態(tài)來(lái)看，在浸水2 d時(shí)，界面出現(xiàn)了較小面積的粘附破壞，10 d時(shí)，粘附破壞面積增大，但是依然沒(méi)有造成整個(gè)界面的粘附損傷，說(shuō)明水仍未侵蝕整個(gè)膠石界面，膠石脫黏區(qū)域較少，導(dǎo)致浸水2 d后膠石界面強(qiáng)度小于油石界面強(qiáng)度。對(duì)比兩者的界面破壞形態(tài)可知，膠黏劑中殘留的異氰酸酯基于水反應(yīng)增加了膠石脫空面積，相比于油石界面，水對(duì)膠石界面造成的損傷更大。值得注意的是，在浸水4 d時(shí)，油石界面強(qiáng)度增大，這是因?yàn)?0 ℃水浴促進(jìn)了瀝青的老化，增加了瀝青分子間的締合作用，抗變形能力增強(qiáng)。

4.3.3 凍融作用下界面抗拉強(qiáng)度衰減規(guī)律

由圖12可知，在凍融2次后，膠石界面抗拉強(qiáng)度迅速下降，之后衰減趨勢(shì)減緩，且強(qiáng)度差異較小。從圖11中可知，凍融2次后，界面基本轉(zhuǎn)入黏附破壞，對(duì)膠石界面造成損傷最大的階段仍在于凍融初期。且凍融后的界面抗拉強(qiáng)度均小于不同水熱時(shí)期的界面抗拉強(qiáng)度，凍融環(huán)境對(duì)界面造成的損傷更大。

圖11 不同工況下界面破壞形態(tài)Fig.11 Interface failure modes under different immersion times

5 結(jié)論

(1)PUPM的質(zhì)量損失率較大，相比于OGFC，集料剝落率更大。

(2)PUPM與OGFC的吸水變化規(guī)律基本相同，凍融初期，水迅速填充到混合料孔隙，吸水率增加；凍融中期，凍脹作用造成內(nèi)部開口孔隙增加，吸水率下降；凍融后期，不斷增長(zhǎng)的開口孔隙消散了凍脹力的作用，開口孔隙不再增加，吸水率基本保持平穩(wěn)。

(3)凍融初期，PUPM的劈裂強(qiáng)度迅速下降，后期趨于平緩。凍融過(guò)程中，試件斷面損傷由集料自身的斷裂及膠黏劑少許的內(nèi)聚破壞逐步轉(zhuǎn)換為膠黏劑、集料之間的黏附破壞。PUPM的損傷是由混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷及界面損傷共同造成的。

(4)不同溫度拉拔測(cè)試中，界面抗拉強(qiáng)度隨著溫度的降低而增大。

圖12 不同凍融次數(shù)下界面抗拉強(qiáng)度Fig.12 Interfacial tensile strength under different freeze-thaw cycles

(5)水熱過(guò)程中，界面抗拉強(qiáng)度在浸水2 d時(shí)迅速下降，之后下降趨勢(shì)減緩。浸水2 d后，膠石界面由粘聚破壞基本轉(zhuǎn)變?yōu)檎掣狡茐?，這是造成界面抗拉強(qiáng)度迅速衰減的重要原因。相比于油石界面，水對(duì)膠石界面造成的損傷更大。

(6)凍融過(guò)程中，膠石界面抗拉強(qiáng)度先迅速下降，之后下降趨勢(shì)平緩。相比于水熱工況，凍融對(duì)界面造成的損傷更大。