重載交通瀝青-集料界面水分的擴散通道和水損害分析

周新星

（1.道路結構與材料交通運輸行業重點實驗室，交通運輸部公路科學研究所，北京100088；2.山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032；3.硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

0 引言

在高速發展的21世紀，我國公路建設及國民經濟得到了飛速發展，重型貨車比例不斷提升，汽車的總載和軸載不斷提高，隨之而來的重載交通公路病害也不斷增加。水損害對重載交通瀝青路面的影響特別嚴重，是瀝青路面病害的主要破壞形式之一，已成為道路行業的世界性難題[1]，美國SHRP路面長期性能研究專家組及加拿大運輸協會都曾對其進行了專題研究。在水、行車荷載（特別是重載）及溫度的綜合作用下，瀝青路面會產生剝落、內部松散等早期損壞，大大降低了行車舒適性和路面的使用壽命。目前普遍認為水損害的破壞形式主要有兩種：一種是瀝青-瀝青之間的黏聚破壞，一種是瀝青-集料界面間的黏附破壞。水分對瀝青-集料界面的損害程度要明顯高于水分對瀝青-瀝青之間的損害程度，瀝青路面水損害的關鍵是瀝青-集料界面的水損害。瀝青-集料界面水損害主要是由水分在動水壓作用下的擴散所致。瀝青-集料界面水分擴散遷移過程大致為：首先水分侵入瀝青，其次水分進入瀝青-集料界面，最后水分擴散和滲透集料。目前，對水分擴散的研究主要集中在水分在瀝青中的擴散機制、水分擴散對混合料性能的影響及影響水分擴散的因素等方面，但是重載交通下瀝青-集料界面水分的擴散及三維擴散機制還存在很多細節尚不明確。

水與集料的黏附力較大，因此水分可侵入瀝青-集料界面，形成水-瀝青-集料的三相接觸，破壞瀝青-集料界面的黏附性。造成瀝青-集料界面黏附破壞的主要原因是水分的擴散[2]。對于水分在混合料中的擴散速度而言，一般認為水分在細集料瀝青混合料中的擴散速度大于水分在粗集料中的擴散速度大于水分在瀝青中的擴散速度。水分在瀝青-集料界面的擴散分為水分在瀝青中的擴散、水分在瀝青-集料界面接觸薄層中的擴散及水分在集料中的擴散。研究認為水分在瀝青中的擴散傳輸可分為兩個階段：水分與瀝青作用形成擴散通道的階段；水分在瀝青中較快擴散的階段。相比而言，水分在瀝青-集料界面層的擴散則要復雜的多。研究認為在長期浸水作用下水分可能擴散到瀝青-集料界面，導致瀝青-集料之間的黏附力下降[3]。重載交通下瀝青路面更易產生車轍、橫向裂縫、松散及剝落等病害。液態水和氣態水都是水損害的重要來源，動水壓或重載是水分擴散的重要驅動力[4]。水分擴散可引起混合料蠕變、膨脹等塑性變形，瀝青-集料界面間水分擴散也會使二級鍵斷裂[5]。

前期的研究成果已深入分析了水分在瀝青中的擴散規律、混合料中水分的存在形式及水分在混合料中的擴散路徑等，但是在實際應用過程中還有以下幾個方面的科學問題亟待解決：水分在瀝青-集料界面間的擴散通道；探究重載交通下水分擴散與瀝青-集料界面水損害的相關性，評價動水壓對瀝青-集料界面易受水損害的影響。

針對上述問題，本文對水分在瀝青-集料界面間的擴散通道、動水壓對瀝青-集料界面易受水損害的影響進行了初步探討。

1 原材料和實驗

1.1 原材料

瀝青材料的黏附失效是瀝青路面水損害的主要破壞形式之一，水分在瀝青-集料界面間的擴散可導致瀝青混合料黏附性降低，致使瀝青膜從集料表面剝落，從而整體上降低瀝青路面抗變形能力[6]。為探明水分在瀝青-集料界面間擴散通道，采用分子動力學軟件對水分擴散進行模擬計算。借助薄層色譜-火焰離子檢測技術（TLC-FID）探測70號瀝青、90號瀝青、SBS改性90號瀝青（SBS瀝青）的四組分含量，結果如表1所示。70號瀝青較90號瀝青硬，針入度低，表現在組分上的差異為：70號瀝青中瀝青質、膠質含量較90號瀝青的高；70號瀝青中飽和分和芳香分含量較90號瀝青低。針對SBS瀝青，其四組分結果顯示：瀝青質含量較基質瀝青高，芳香分和膠質含量變化明顯，SBS瀝青中芳香分含量較基質瀝青大20%左右，而膠質含量卻較基質瀝青少20%左右。結果表示不同類型瀝青在四組分組成上具有一定的差異，SBS瀝青與基質瀝青則具有顯著差異。根據四組分含量換算成分子個數構建基質瀝青和SBS瀝青分子模型。

表1 瀝青四組分數據

1.2 瀝青-集料界面水分擴散模型的構建

瀝青四組分具體分子結構參考Zhou等[7]構建的模型，瀝青質的平均分子式采用C72H98NO，芳香分分子式采用C23H44O3，飽和分分子式采用C22H46，膠質分子式采用C24H50。瀝青分子模型中各組分的含量對應各分子的分子數目，由分子數目調整各分子的含量。

如圖1所示，70號瀝青和90號瀝青分子模型的外觀形態大體相同，只存在微小差異。SBS瀝青由于加入了SBS聚合物，造成其分子模型與基質瀝青存在顯著差異。細觀角度來看，70號基質瀝青和90號基質瀝青存在很大差異，特別是在分子鍵長、鍵角、各組分的配位情況。

圖1 瀝青分子模型

玄武巖選用SiO2，MgSiO3，CaCO3為其主要物相。安山巖選用SiO2，CaCO3，Mg2Al4Si5O18為其主要物相。鋼渣選用Ca(Al,Si)2O4，2CaO·SiO2，Al2O3·CaO·2SiO2為其主要物相。在瀝青-集料界面模型中選用集料主晶相構建集料的分子模型。

瀝青-集料界面模型的構建：首先查找資料，優選玄武巖、安山巖，鋼渣集料能力最低、最穩定晶面，以此晶面作為瀝青-集料接觸面。綜合比選前人研究結果確定玄武巖、安山巖、鋼渣集料與瀝青的接觸晶面分別為（110）、（100）、（001）。瀝青-玄武巖界面分子模型、瀝青-安山巖界面分子模型、瀝青-鋼渣界面分子模型如圖2所示。

在瀝青-集料界面處添加水分子，讓其自然進入，模擬水分在瀝青-集料界面間的擴散遷移機理。

圖2 瀝青-集料界面分子模型

1.3 瀝青-集料界面水分擴散系數的構建

擴散系數可以用來衡量分子運動和瀝青內部結構，并可以通過均方根位移進行計算，評價瀝青-集料界面的水分擴散遷移機制。均方根位移是分子距離其質心擺動的位移,可以利用愛因斯坦方程進行求解。均方根位移求解公式如式（1）：

式中：r(t)是t時刻的位移；（r0）是開始時刻的位移。擴散系數可由均方根位移均衡波動段的斜率曲線決定，具體公式如式（2）：

式中：T是分子運動的總時間。

2 結果與討論

2.1 水分在瀝青-集料界面間的擴散通道

如表2所示，水分在瀝青中是分階段擴散的，求解的擴散系數是平均擴散系數。由表2可知，水分在70號瀝青、90號瀝青、SBS瀝青中的擴散系數分別為2.23×10-12cm2/s，4.15×10-12cm2/s，3.25×10-13cm2/s。結果表明：水分在不同類型瀝青中其擴散系數不同，相差較大，瀝青種類對水分的擴散有較大的影響。對比前人的研究成果可知，采用分子動力學方法計算得出的擴散系數與對比其他采用的測試方法得到的水分在瀝青中的擴散系數并不一致，有的甚至差別很大，比如采用動力方法測試得到的數值比本研究的擴散系數大6～7個數量級。但綜合比較各方法所得結果，本研究所得結果處于中間值，與常規測試數值最為接近。因此，本研究所述方法具有一定的科學性和可靠性。水分在集料表面的擴散系數也不盡相同，如表2，不同類型集料對瀝青的擴散系數也存在一定的影響，綜合來看，鋼渣表面水分擴散系數最大，其次為安山巖，水分在玄武巖表面的擴散系數最小。假設水分擴散系數與水損害存在直接相關性，則可得出如下結論：鋼渣表面或鋼渣瀝青混合料是最容易受水損害的集料類型或混合料，其次為安山巖表面或安山巖瀝青混合料，玄武巖表面或玄武巖瀝青混合料存在較低的水分擴散系數，抗水損害能力最強，最不容易受到雨水侵蝕。

表2 水分在瀝青表面的擴散 cm2/s

選取車輛荷載0.7 MPa、1.4 MPa、2.1 MPa作為交通荷載變量，其中1.4 MPa和2.1 MPa作為重載條件，0.7 MPa作為普通交通荷載條件。在分子動力學模擬中將車輛荷載分別換算成大氣壓強，可分別加載1.0 atm、1.5 atm和2.0 atm。如表3所示，重載交通下水分在瀝青中的擴散系數較普通荷載中的擴散系數大很多，由此可知，外加軸載可推動水分在瀝青混合料中的擴散，促進水分的擴散，促使瀝青發生水損害。外加荷載作用下集料表面水分的擴散系數隨著外加荷載呈現增長趨勢，結果表明：荷載作用可促進集料表面水分的擴散，而且荷載越大，水分擴散系數越大。水分可促使瀝青與集料發生黏附失效，而外加荷載正是促使了這一現象的發生。

表3 荷載作用下水分在瀝青表面的擴散 cm2/s

為了探明水分在整個瀝青混合料各擴散階段的擴散，還需針對水分在瀝青-集料界面的擴散進行深入分析。如圖3所示，水分在瀝青-鋼渣集料界面的擴散系數較大，其次為瀝青-安山巖集料界面，水分在瀝青-玄武巖界面的擴散系數最小。結果表明：水分對不同集料所在的瀝青-集料界面存在一定的影響。同時，由于水分的存在也會加劇瀝青-集料界面間的破壞。其中，瀝青-鋼渣集料是3種瀝青-集料界面中最容易受水分侵蝕的，其次是瀝青-安山巖集料界面，水分對瀝青-玄武巖集料界面的侵蝕作用最弱，因此，瀝青-玄武巖集料界面抗水損害的能力較強。

圖3 瀝青-集料界面擴散系數

為了探明水分在瀝青-集料界面間的擴散方向，對瀝青-集料界面間水分擴散過程中的分子數進行統計學分布分析，以水分分子數量出現最為集中的一個方向作為水分在瀝青-集料界面間的擴散方向。為了更加清晰地分析水分擴散方向，將模型中瀝青和集料去掉，只留下水分子。如圖4所示，水分在瀝青-玄武巖集料界面間的擴散方向主要是z軸和x軸，水分在瀝青-安山巖集料界面間的擴散方向主要是z軸和x軸，水分在瀝青-鋼渣集料界面間的擴散方向主要是主要是z軸和y軸。上述結果主要基于統計學方法，并不能作為水分在瀝青-集料界面間擴散方向的最終結果。

圖4 瀝青-集料界面間水分的擴散方向

重荷載交通會造成瀝青路面發生結構性破壞，且較普通荷載更嚴重。如圖5所示，隨著外加荷載的增加，水分子不斷向z軸方向壓縮，且水分子之間的間距不斷減少，水分積聚在z軸方向。結果表明：外加荷載會顯著影響水分在瀝青-集料界面間的擴散方向，特別是z軸方向的擴散；同時，外加荷載還會加速水分的擴散，縮短水分在瀝青-集料界面間的擴散路徑。

圖5 外加荷載作用下水分在瀝青-集料界面間的擴散方向

2.2 動水壓對瀝青-集料界面易受水損害的影響

研究發現當水分浸入瀝青-集料界面處時，由于集料本身的親水特性，造成水分易取代集料表面的瀝青，導致瀝青膜從集料表面逐漸剝離。同時水分還會造成瀝青-集料界面黏附強度隨界面水分含量的增加而明顯減少。水分會溶解瀝青表面極性分子，破壞瀝青-集料界面的納米結構層，進而導致瀝青-集料界面的黏附強度快速衰減，最終致使瀝青-集料發生黏附破壞。同時，水分在瀝青-集料界面的相對位置也會對界面黏附強度產生一定的影響，水分浸入瀝青-集料界面對瀝青混合料水穩定性的影響明顯大于水浸入瀝青分子內部對水損害的影響。

利用分子動力學軟件求解黏度及水分擴散過程中界面黏附能變化，以此評價瀝青-集料界面性能的變化，并分析動水壓與界面黏附性能的相關性，求解其相關性模型。其中黏度可用Green-Kubo方法評價，具體計算公式如式（3）所示：

圖6 瀝青-集料界面的模擬黏度

界面黏附能可以通過瀝青的能量，集料表面的能量及瀝青-集料體系總能量計算出界面黏附能，其具體計算如式（4）：

式中：Einterface為界面黏附能；Easphalt為瀝青體系能量；Esurface為體系表面能；Etotal為瀝青-集料體系總能。

圖7 瀝青-集料界面的模擬黏附能

如圖7所示，水分的擴散會加速瀝青-集料界面的剝落，表現為水分的浸入可使瀝青-集料界面間黏附能降低。隨著瀝青種類的變化，瀝青-集料界面間黏附能也發生變化，具體表現為：SBS改性瀝青-集料界面黏附能大于90號瀝青-集料界面黏附能大于70號瀝青-集料界面黏附能。隨著外加荷載的增加，瀝青-集料界面間黏附能降低，瀝青-集料界面發生剝離的可能性增加。

3 結論

通過本文的研究得出以下主要結論：

基于瀝青四組分數據和集料粉末衍射數據構建了瀝青模型、瀝青-集料界面模型及瀝青混合料模型。采用分子動力學方法計算得出的擴散系數與對比采用其他的測試方法得到的水分在瀝青中的擴散系數并不一致，有的甚至差別很大。鋼渣表面或鋼渣瀝青混合料是最容易受水損害的集料類型或混合料，其次為安山巖表面或安山巖瀝青混合料，玄武巖表面或玄武巖瀝青混合料存在較低的水分擴散系數，抗水損害能力最強，最不容易受到雨水侵蝕。外加荷載會加速水分的擴散，縮短水分在瀝青-集料界面間的擴散路徑，促使瀝青混合料發生水損害。

瀝青混合料類型會一定程度上影響水分的擴散，且不同類型瀝青混合料對水分擴散的影響主要體現在空隙率上，由于不同類型瀝青混合料的空隙率不同，導致水分在不同類型瀝青混合料中的擴散系數不同。隨著動水壓的增大，瀝青-集料界面會發生一定程度的變形，瀝青會慢慢地從集料表面剝落，水分不斷地擴散滲透進入瀝青-集料界面。