瀝青混合料自愈合性能研究進(jìn)展綜述

許 恒 譚練武

(1.湖南省建筑設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410011； 2.長(zhǎng)沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

瀝青混合料自愈合性能研究進(jìn)展綜述

許 恒1譚練武2

(1.湖南省建筑設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410011； 2.長(zhǎng)沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

結(jié)合瀝青混合料自愈合行為理論，分析了影響瀝青混合料損傷愈合性能的因素，并對(duì)損傷愈合性能的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，提出了提高瀝青混合料損傷愈合性能的方法，為發(fā)展具有高抗疲勞開(kāi)裂能力的路用瀝青混合料奠定了基礎(chǔ)。

瀝青混合料，自愈合，疲勞損傷，評(píng)價(jià)

0 引言

瀝青混合料的疲勞開(kāi)裂是指在重復(fù)荷載作用下其力學(xué)性能逐漸衰減，疲勞裂紋不斷產(chǎn)生、發(fā)展，最終匯集貫通成宏觀裂縫直至破壞的行為歷程，而瀝青混合料自愈合則指混合料在一定條件下通過(guò)自身作用使得混合料強(qiáng)度、剛度的恢復(fù)以及疲勞壽命的延長(zhǎng)，它是疲勞破壞的逆過(guò)程[1]。

自1967年Bazin等[2]發(fā)現(xiàn)瀝青混合料具有自愈特性以來(lái)，瀝青混合料自愈合性能研究受到道路科研工作者的廣泛關(guān)注，人們希望能夠弄清瀝青混合料自愈合的形成機(jī)理和影響因素，找到合適的方法提升瀝青混合料的自愈能力，以抵抗瀝青混合料的疲勞開(kāi)裂，延長(zhǎng)瀝青路面的服務(wù)壽命。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的成果內(nèi)容主要集中在損傷愈合行為特征理論、損傷愈合影響因素、損傷愈合性能評(píng)價(jià)及提高方法等方面。

1 損傷愈合行為理論

自愈合行為理論一直被認(rèn)為是瀝青混合料自愈合研究的基礎(chǔ)工作。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，瀝青混合料自愈合行為理論主要有基于裂縫表面能、基于裂縫表面分子擴(kuò)散與基于毛細(xì)流理論三種。三種理論試圖從不同的角度去解釋瀝青混合料的損傷愈合行為，取得了一定的效果，但由于瀝青混合料損傷愈合特性形成機(jī)理極其復(fù)雜，三種理論解釋都存在較大的局限性。

Schapery基于裂縫表面能提出了斷裂力學(xué)基本方法，用以解釋瀝青混合料的自愈合行為，認(rèn)為瀝青混合料自愈的動(dòng)力為裂縫表面能的降低[3]。在裂縫表面能理論中，瀝青混合料的疲勞開(kāi)裂和愈合表現(xiàn)為混合料中的裂縫表面積變化?；旌狭显诋a(chǎn)生裂縫的過(guò)程中，由于拉伸蠕變作用所耗散的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樾铝芽p的表面能，而裂縫的自愈合過(guò)程是它的逆過(guò)程，促使這種逆過(guò)程的動(dòng)力則為混合料裂縫表面能的降低。此種理論較好地從能量角度解釋了混合料自愈特性產(chǎn)生的原因，但是斷裂力學(xué)多應(yīng)用于脆性材料，對(duì)于瀝青混合料這種復(fù)雜的粘彈性材料應(yīng)用具有局限性，同時(shí)也不能解釋混合料愈合的發(fā)展過(guò)程和發(fā)展規(guī)律。

裂縫表面分子擴(kuò)散理論從瀝青分子擴(kuò)散的角度將混合料的愈合過(guò)程分解為表面濕潤(rùn)與固有愈合兩個(gè)進(jìn)程，并考慮了瀝青材料的粘彈性，引入了彈性和粘彈性的對(duì)應(yīng)法則[4,5]，認(rèn)為混合料自愈合是裂縫損傷區(qū)域的分子運(yùn)動(dòng)及重新組合的逆過(guò)程。裂縫表面分子擴(kuò)散理論在材料特性的考慮上有了一定的改進(jìn)，但模型只適用于簡(jiǎn)單分子聚合物微小裂縫的自愈情況，無(wú)法解釋瀝青混合料這類(lèi)復(fù)雜高分子材料在產(chǎn)生較大宏觀裂縫也能自愈的現(xiàn)象。

裂縫表面能理論及裂縫分子擴(kuò)散理論均認(rèn)為瀝青混合料自愈合的動(dòng)力為瀝青質(zhì)在混合料微裂縫中的流動(dòng)和擴(kuò)散。但是，通常這種在微裂縫中的流動(dòng)和擴(kuò)散作用在裂縫寬度較大時(shí)無(wú)法運(yùn)行，這與瀝青混合料中的較大裂縫在適當(dāng)?shù)臏囟拳h(huán)境中通過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間仍能夠完全愈合的情況相矛盾。針對(duì)這一事實(shí)，Garcíalvaro[6]提出了基于毛細(xì)流動(dòng)理論的混合料自愈理論模型，該理論模型綜合分析了裂縫表面分子擴(kuò)散能與毛細(xì)動(dòng)力作用，很好地解釋了瀝青混合料在顆粒之間未接觸也能愈合的現(xiàn)象，但是模型要求瀝青處于牛頓液體狀態(tài)，不適于較低溫度下的瀝青混合料損傷自愈行為的分析。

2 損傷愈合影響因素

影響瀝青混合料損傷愈合性能的因素眾多，根據(jù)影響因素的作用特點(diǎn)可分為內(nèi)部影響因素和外部影響因素兩大類(lèi)。混合料內(nèi)部影響因素主要有瀝青物理性質(zhì)、瀝青化學(xué)成分、表面自由能、混合料體積特性、添加劑等；外部影響因素主要有間歇時(shí)間、周邊環(huán)境、荷載、損傷程度、側(cè)壓應(yīng)力、瀝青老化程度等。

瀝青的物理性質(zhì)主要考慮瀝青針入度與軟化點(diǎn)，它們能夠綜合反映瀝青的粘彈性、塑性等各項(xiàng)物理力學(xué)性能。研究認(rèn)為具有高針入度與低軟化點(diǎn)的瀝青損傷愈合性能較好[7-9]。

Williams，Kim，Santagata等通過(guò)考慮兩性氧化物，芳香族有機(jī)物，蠟含量，硫、氧、氮等雜原子含量，低分子化合物含量各不相同的瀝青，證實(shí)了瀝青的化學(xué)組成對(duì)于瀝青的損傷愈合性能有顯著的影響[10-12]。Grant和Kim的研究成果表明瀝青混合料的集料級(jí)配和表面特性對(duì)瀝青混合料的損傷愈合性能有重要影響[13]。

同濟(jì)大學(xué)孫大權(quán)等[17]采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀，對(duì)分別添加SBS、巖瀝青、表面活性劑3種改性劑的基質(zhì)瀝青進(jìn)行間歇疲勞加載試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)添加SBS改性劑使瀝青混合料自愈能力明顯大于基質(zhì)瀝青；而添加巖瀝青使得瀝青變硬，不利于瀝青質(zhì)的流動(dòng)，使得混合料自愈能力減弱；添加表面活性劑的瀝青與基質(zhì)瀝青相比，自愈能力稍有增強(qiáng)。

荷載作用是影響瀝青混合料損傷愈合性能的重要因素，荷載間歇期越長(zhǎng)，混合料愈合越徹底；同時(shí)，瀝青的愈合能力隨著加載次數(shù)增多，損傷積累而不斷下降[2]。影響瀝青混合料的環(huán)境因素主要有溫度和濕度，當(dāng)環(huán)境溫度足夠高時(shí)瀝青混合料能夠快速、徹底的自愈。

Zollinger的研究表明濕度過(guò)大對(duì)瀝青的粘合作用不利[18]。Little和Van等通過(guò)室內(nèi)與室外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新建路面的自愈能力明顯大于舊路面[16，18]。

3 損傷愈合性能評(píng)價(jià)方法

瀝青混合料自愈性能的評(píng)價(jià)方法主要有試驗(yàn)評(píng)價(jià)以及理論評(píng)價(jià)兩大類(lèi)。基于評(píng)價(jià)指標(biāo)與試驗(yàn)?zāi)康闹g的差異，評(píng)價(jià)瀝青混合料損傷愈合能力的試驗(yàn)方法不盡相同。間歇加載疲勞試驗(yàn)(Fatigue related healing tests with intermittent loading,FHI)是在疲勞試驗(yàn)中引入一定的間歇時(shí)間，在此間歇時(shí)間內(nèi)瀝青混合料性能能夠得到一定恢復(fù)，試驗(yàn)中使用混合料勁度模量的恢復(fù)速率和疲勞加載次數(shù)的增幅來(lái)表征混合料的損傷愈合性能[19]?；謴?fù)疲勞加載試驗(yàn)(Fatigue-healing test with storage periods,FHS)則是通過(guò)荷載作用使瀝青混合料產(chǎn)生疲勞破壞，然后引入不同長(zhǎng)度的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，觀察養(yǎng)護(hù)之后瀝青混合料的力學(xué)性能恢復(fù)情況，同樣使用勁度模量與加載次數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)損傷愈合水平[20，21]。裂縫恢復(fù)試驗(yàn)(Fracture related healing test,FRAH)直接在試件中引入裂縫，觀察試件在不同條件下裂縫的愈合程度以及勁度模量的恢復(fù)水平[22，23]。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)邱健[1]通過(guò)引入彈性基礎(chǔ)小梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用間歇加載等一系列的試驗(yàn)方法對(duì)瀝青及混合料自愈性能進(jìn)行研究，取得了較豐富的研究成果。上述試驗(yàn)方法都采用了試件勁度模量的恢復(fù)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料損傷愈合水平，但在越來(lái)越多的研究中發(fā)現(xiàn)，混合料勁度模量的恢復(fù)并不意味著混合料相同程度的強(qiáng)度提高與疲勞壽命延長(zhǎng)，采用勁度模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠性值得懷疑。

湖南大學(xué)譚練武[24]采用小梁試件的彎曲強(qiáng)度作為混合料愈合情況的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)混合料小梁破壞時(shí)，彎曲勁度模量與彎曲強(qiáng)度的恢復(fù)在相同養(yǎng)護(hù)條件下趨勢(shì)相同，但混合料小梁彎曲勁度模量恢復(fù)比例與彎曲強(qiáng)度的恢復(fù)比例并不相同，驗(yàn)證了混合料勁度模量的恢復(fù)并不意味著混合料相同程度的強(qiáng)度提高的觀點(diǎn)。

瀝青混合料自愈性能理論評(píng)價(jià)主要由湖南大學(xué)黃立葵等[25]提出，其在總結(jié)分析瀝青混合料損傷愈合性能影響因素的基礎(chǔ)上，采用隸屬度函數(shù)對(duì)定量連續(xù)型與定性離散型指標(biāo)進(jìn)行量化，引入依次、共同評(píng)價(jià)原則以及改進(jìn)的層次分析法(IAHP)，采用模糊綜合評(píng)判理論，將定性指標(biāo)與定量指標(biāo)的分析結(jié)合起來(lái)，建立了多層次、多因素的瀝青混合料損傷愈合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的自愈能力以及各種影響因素對(duì)混合料損傷愈合性能的影響。

4 損傷愈合性能提高方法

選擇高損傷愈合能力的瀝青混合料和對(duì)瀝青混合料進(jìn)行被動(dòng)供能或物質(zhì)補(bǔ)給是提高混合料損傷愈合能力的兩種途徑[26]。前者通過(guò)選擇合適的瀝青、集料、改性劑以及體積特性參數(shù)來(lái)主動(dòng)提高混合料的損傷愈合能力[27]，但由于混合料自愈性能影響因素復(fù)雜繁多并相互影響，因此該方面研究有待進(jìn)一步的深入；后者根據(jù)生命體損傷自愈合原理，采用加熱、摻加含有界面粘合劑的膠囊等方法加速裂縫的愈合或封閉，從而實(shí)現(xiàn)瀝青混合料自愈合能力的被動(dòng)增強(qiáng)[28]。被動(dòng)功能或者物質(zhì)補(bǔ)給技術(shù)能夠顯著提高混合料的自愈合能力，但有一系列的技術(shù)難題有待解決。比如被動(dòng)加熱技術(shù)中，加熱的具體方法、加熱的最佳時(shí)機(jī)、加熱的適當(dāng)問(wèn)題以及加熱的持續(xù)時(shí)間都是影響加熱成功與否的關(guān)鍵因素。

5 結(jié)語(yǔ)

綜述近年來(lái)的研究，瀝青混合料損傷愈合性能研究有了較大的發(fā)展，但仍存在對(duì)愈合性能形成機(jī)理認(rèn)識(shí)不清晰、沒(méi)有有效簡(jiǎn)便的愈合性能評(píng)價(jià)方法以及混合料自愈能力提升方法難以突破等關(guān)鍵問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究。

[1] Qiu J. Self healing of asphalt mixtures: Towards a better understanding of the mechanism[D].The Netherlands: Delft University of Technology,2012:12-31.

[2] Bazin P, Saunier J B. Deformability, fatigue and healing properties of asphalt mixes[C].In: Proceedings of the Second International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements. Michigan, USA: Ann Arbor,1967:553-569.

[3] Schapery R A. On the mechanics of crack closing and bonding in linear viscoelastic media[J].International Journal of Fracture,1989,39(1):39,163-189.

[4] Wool R P, O’Connor K M. A theory of crack healing in polymers[J].Journal of Applied Physics,1981,52(10):5953-5963.

[5] Gennes P G. Reptation of a polymer chain in the presence of fixed obstacles[J].Journal of Chemical Physics,1971,55(10):572-579.

[7] Van D W, Moreaud H, Quedeville A, et al. The fatigue of bitumen and bituminous mixes[C].In: 3rd International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements. Michigan,USA: Ann Arbor,1972:178-184.

[8] Bonnaure F P, Huibers A H J J, Boonders A. A laboratory investigation of the influence of rest periods on the fatigue characteristics of bituminous mixes[J]. Journal of Association of Asphalt Paving Technologist,1982(51):104-128.

[9] Francken L, Clauwaert C. Characterization and structural assessment of bound materials for flexible road structures[C]. In: 6th International Conference on the Structural Design of Pavements. Michigan, USA: Ann Arbor,1987:30-44.

[10] Williams D, Little D N, Lytton R L, et al. Microdamage healing in asphalt and asphalt concrete; volume Ⅱ: laboratory and field testing to assess and evaluate microdamage and microdamage healing[J].Federal Highway Administration,2001(2):437-446.

[11] Kim Y R, Little D N, Little R L. Use of dynamic mechanical analysis(DMA) to evaluate the fatigue and healing potential of asphalt binders in sand asphalt mixtures[J]. Journal of Association of Asphalt Paving Technologist,2002(71):176-199.

[12] Santagata E, Baglieri O, Dalmazzo D, et al. Rheological and chemical investigation on the damage and healing properties of bituminous binders[J]. Journal of Association Asphalt Paving Technologist,2009(78):567-596.

[13] Kim B, Roque R. Evaluation of healing property of asphalt mixture[C]. In: Annual Meeting of Transportation Research Board. Washington D C,2006:84-91.

[14] Lee N K, Morrison G R, Hesp S A M. Low temperature fracture of polyethylene-modified asphalt binders and asphalt concrete mixes[J]. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologist,1995(64):534-574.

[15] Carpenter S H, Shen S. A dissipated energy approach to study HMA healing in fatigue[C]. In: Annual Meeting of Transportation Research Board .Washington D.C,2006:178-185.

[16] Little D N, Lytton R L, Williams D A, et al. An analysis of the mechanism of microdamage healing based on the application of micromechanics first principles of fracture and healing[J].Journal of Association Asphalt Paving Technologist,1999(68):501-542.

[17] 孫大權(quán),林添坂.改性劑對(duì)瀝青自愈合能力的影響[J].公路,2015,60(4):224-228.

[18] Zollinger C J. Application of surface energy measurements to evaluate moisture susceptibility of asphalt and aggregates[D]. Texas: Texas A&M University,2005:41-50.

[19] Kim Y R, Little D N, Little R L. Fatigue and healing characterization of asphalt mixtures[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2003(15):75-83.

[20] Phillips M C. Multi-step models for fatigue and healing, and binder properties involved in healing[C]. In: Eurobitume Workshop on Performance Related Properties for Bituminous Binders. Luxembourg,1998:115.

[21] Smith B J, Hesp S A M. Crack pinning in asphalt mastic and concrete: effect of rest periods and polymer modifiers on the fatigue life[C]. In: 2nd Eurasphalt & Eurobitume Congress. Barcelona,2000:539-546.

[22] Hammoum F, De La Roche C, Piau J M. Experimental investigation of fracture and healing of bitumen at pseudo-contact of two aggregates[C]. In: 9th International Conference on Asphalt Pavements. Copenhagen,2002:132-137.

[23] Maillard S, De La Roche C, Hammoum F, et al. Experimental investigation of fracture and healing of bitumen at pseudo-contact of two aggregates[C].In:3rd Eurasphalt & Eurobitume Congress.Vienna,2004：266.

[24] 譚練武.瀝青混合料損傷愈合性能評(píng)價(jià)方法研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)學(xué)位論文,2014.

[25] Huang L K, Tan L W, Zheng W L. Renovated Comprehensive Multilevel Evaluation Approach to Self-Healing of Asphalt Mixtures[J].International Journal of Geomechanics，2014(1)：119-120.

[26] 孫大權(quán),張立文,梁 果.瀝青混凝土疲勞損傷自愈合行為研究進(jìn)展(2)——自愈合能力增強(qiáng)技術(shù)[J].石油瀝青,2011,25(6):8-11.

[27] Bhasin A. Laboratory investigation of a novel method to accelerate healing in asphalt mixtures using thermal treatment[Z].Report DTRT07-G-0006,2009：278-293.

[28] Garcíaa A,Schlangena E,van de Ven M.Preparation of capsules containing rejuvenators for their use in asphalt concrete[J].Journal of Hazardous Materials,2010(184):603-611.

On survey of self-healing performance of asphalt mixture

Xu Heng1Tan Lianwu2

(1.HunanProvincialArchitecturalDesignInstitute,Changsha410011,China;2.ChangshaPlanning&DesignInstituteCompanyLimited,Changsha410007,China)

Combining with the self-healing behavior theory of the asphalt mixture, the paper analyzes the factors affecting the healing performance for the damage of the asphalt mixture, researches the evaluation methods for the damage to the healing performance, and points out the method to improve its healing performance of the asphalt mixture, so as to lay the foundation for the traffic asphalt mixture with high anti-fatigue and anti-crack capacity.

asphalt mixture, self-healing, fatigue damage, evaluation

1009-6825(2015)32-0104-03

2015-09-02

許 恒(1987- )，男，碩士，工程師; 譚練武(1989- )，男，碩士

TU535

A