瀝青混合料自愈性能研究綜述

劉永紅

(湖南東方紅建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙　410217)

瀝青混合料自愈性能研究綜述

劉永紅

(湖南東方紅建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410217)

摘要:闡述了瀝青混合料的自愈合機(jī)理、評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)試方法，從內(nèi)在因素和外在因素兩個(gè)角度，評(píng)述了瀝青、礦粉、愈合溫度和破壞程度等對(duì)瀝青混合料自愈性能的影響，基于能量供給和物質(zhì)補(bǔ)充原理，總結(jié)了瀝青材料自愈合能力增強(qiáng)技術(shù)，并分析了加熱和摻加含有界面粘合劑的微膠囊兩種增強(qiáng)措施，對(duì)延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命具有一定意義。

關(guān)鍵詞:瀝青混合料，自愈合機(jī)理，評(píng)價(jià)指標(biāo)

瀝青路面長(zhǎng)期使用時(shí)，因?yàn)槭芡獠凯h(huán)境及行車(chē)荷載的影響，道路表面會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。可以將瀝青路面自愈合性能作如下定義:在行車(chē)荷載以及外部環(huán)境長(zhǎng)期影響下，瀝青混合料或者瀝青膠結(jié)料出現(xiàn)的裂縫可以實(shí)現(xiàn)自愈的一種能力。近些年以來(lái)，很多研究人員圍繞瀝青混合料的自愈性能作了很多室內(nèi)研究［1-3］，結(jié)果顯示:瀝青混合料具備一定的自愈性能。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外瀝青混合料自愈性能文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)的前提下，對(duì)混合料自愈機(jī)理、定量評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)試方法、影響因素、自愈合性能激活辦法等作了綜述分析。

1　瀝青混合料自愈合機(jī)理

根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］，瀝青混合料自愈合機(jī)理是指裂縫表面的瀝青分子為了減少表面能而自發(fā)進(jìn)行的分子擴(kuò)散以及表面吸附和浸潤(rùn)，其原動(dòng)力來(lái)自裂紋表面分子氫鍵形成的化學(xué)吸附以及分析范德華力。Hou等［5］采用一種基于原子力顯微鏡方法的相場(chǎng)模型對(duì)瀝青混合料自愈性能進(jìn)行了具體研究，其中采用了力學(xué)以及熱力學(xué)辦法，熱力學(xué)方法研究結(jié)果顯示:自愈合過(guò)程中瀝青材料發(fā)生了材料—相位的重新排列。

2　自愈合評(píng)價(jià)指標(biāo)與測(cè)試方法

為更加全面的分析瀝青材料的自愈合特性，Qiu等［6］采取直接拉伸試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料裂開(kāi)之后拉伸強(qiáng)度隨自愈時(shí)間變化現(xiàn)象進(jìn)行了測(cè)試，提出將拉伸強(qiáng)度比看成是自愈合指數(shù)這一理論。Bonnaure等［7］圍繞荷載間歇時(shí)長(zhǎng)對(duì)瀝青材料小梁試料疲勞壽命產(chǎn)生的影響作了研究，得出應(yīng)變水平、應(yīng)力對(duì)材料疲勞壽命增加比產(chǎn)生的影響較小，所以提出將疲勞壽命比看成是愈合指數(shù)的理論。

Kim等［8］圍繞卸載后耗散蠕變應(yīng)變能隨著時(shí)間變化率的理論，提出相對(duì)簡(jiǎn)單的瀝青材料自愈合的評(píng)價(jià)辦法。采取間接拉伸試驗(yàn)，對(duì)材料施加一千次加載，每加載一百次，測(cè)量一次試件回彈變形，加載完成后，對(duì)回彈模量進(jìn)行了多次測(cè)試。

3　自愈合的影響因素

3.1內(nèi)在影響因素

1)瀝青種類(lèi)和用量。Qiu等［9］采取直接拉伸試驗(yàn)裝置，采用斷裂、自愈、斷裂試驗(yàn)步驟，研究了殼牌SBS改性瀝青(軟化點(diǎn): 70℃，針入度: 65( 0.1 mm) )以及70號(hào)基質(zhì)瀝青材料(軟化點(diǎn): 45℃，針入度: 93( 0.1 mm) )按照1∶1加入石灰?guī)r礦粉物的瀝青膠漿自愈合性能，得出:基質(zhì)瀝青具備更好的自愈性能。

2)礦粉。礦粉作為瀝青混合料中十分重要的構(gòu)成部分之一，會(huì)對(duì)瀝青材料的性能產(chǎn)生較大影響。Smith等［10］通過(guò)研究提出，礦粉粒度影響瀝青混合料的自愈性能，采用礦粉粒度較大的瀝青膠漿的自愈合性能( 80%)比細(xì)礦粉瀝青的自愈性能( 53%)要好。

3)聚合物改性劑。Wekumbura等［11］通過(guò)研究提出聚合物改性瀝青有助于延長(zhǎng)瀝青道路的使用壽命，比如減少低溫溫度以及疲勞裂縫、增強(qiáng)高溫抗車(chē)轍性能、采用聚合物瀝青等能夠從實(shí)質(zhì)上改變?yōu)r青路面的形態(tài)。結(jié)果顯示:可以采用間斷剪切試驗(yàn)來(lái)確定最有效的瀝青聚合物改性劑。

3.2外在影響因素

1)愈合時(shí)間。黃明等［12］根據(jù)工程實(shí)例，對(duì)放于室溫15℃環(huán)境下不同時(shí)長(zhǎng)的4組小梁試件作了疲勞性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示:材料疲勞恢復(fù)的效率和材料的自愈合時(shí)間呈正比關(guān)系，其試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際情況相符合。

2)破壞程度。Zhang［13］采用間接拉伸試驗(yàn)，提出瀝青混凝土有一個(gè)損傷臨界點(diǎn)，處于該臨界點(diǎn)之前都是微觀損傷，混凝土能夠自愈合，處于該臨界點(diǎn)之后都是宏觀損傷，混凝土不能自愈。

4　瀝青混合料自愈合潛能的激活

4.1能量供給

由于瀝青材料對(duì)溫度極為敏感，提高溫度能夠加速裂紋界面瀝青分子的擴(kuò)散以及潤(rùn)濕，繼而提升瀝青材料的自愈合性能。Grant［14］認(rèn)為，溫度對(duì)瀝青材料自愈合性能的影響較大:某種類(lèi)的瀝青材料在15℃環(huán)境下的自愈速度是10℃時(shí)的4倍以上。

4.2物質(zhì)補(bǔ)充

在2001年，White的研究團(tuán)隊(duì)就提出微膠囊自愈合這一概念，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)境下微膠囊中的自愈合化學(xué)藥物產(chǎn)生觸變反應(yīng)實(shí)現(xiàn)自愈合［15］。微膠囊自愈合的詳細(xì)過(guò)程如圖1所示，共包含有3個(gè)過(guò)程: 1)試件受損處出現(xiàn)裂紋; 2)微膠囊出現(xiàn)破損，毛細(xì)管中的愈合藥物釋放; 3)愈合藥物和外部藥物產(chǎn)生反應(yīng)，形成聚合物粘結(jié)于裂紋中。

Garcia等［16］將多孔砂當(dāng)作再生劑的載體，采用細(xì)砂、環(huán)氧樹(shù)脂吸附在其外部產(chǎn)生膠囊壁，制出了包含再生劑的膠囊，如圖2所示。采用間接拉伸試驗(yàn)，結(jié)果顯示:包含再生劑膠囊的多孔瀝青材料最大變形要大于沒(méi)有包含再生劑膠囊的最大變形，如圖3所示，說(shuō)明在試驗(yàn)過(guò)程中膠囊發(fā)生了損壞并釋放了再生劑物質(zhì)，提升了瀝青材料的自愈性能。

Qiu等［9］對(duì)不同添加劑提升瀝青材料自愈性能的技術(shù)方式進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)，并具體分析了這些技術(shù)形式的優(yōu)缺點(diǎn)，具體如表1所示。

微膠囊自愈合辦法的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了接觸反應(yīng)原理，自愈合的速度快，自愈合后道路的強(qiáng)度恢復(fù)情況好;存在的缺陷是:對(duì)技術(shù)的要求很高，成本高。微膠囊要均勻布置，不均勻或過(guò)于稀松都會(huì)嚴(yán)重影響自愈合效率。

圖1　微膠囊愈合

圖2　膠囊結(jié)構(gòu)圖

圖3　加入微膠囊瀝青材料的疲勞特性曲線

表1　瀝青混合料自愈合技術(shù)形式

5　結(jié)語(yǔ)

瀝青混合料疲勞損傷自愈過(guò)程十分復(fù)雜，不但受材料自身性質(zhì)的影響，還受破壞程度、恢復(fù)時(shí)間、溫度等多個(gè)方面因素的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞聚合物改性瀝青的自愈合特性作了很多研究，其中針對(duì)微膠囊技術(shù)，未來(lái)需要解決微膠囊和瀝青膠漿的粘結(jié)強(qiáng)度、界面的粘結(jié)強(qiáng)度以及粘膠劑對(duì)裂紋的封閉效果等技術(shù)問(wèn)題。

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·水·暖·電·

Review on self-healing properties of asphalt mixtures

Liu Yonghong
( Hunan Dongfanghong Construction Group Co.，Ltd，Changsha 410217，China)

Abstract:This paper presents self-healing mechanism，evaluation parameters，test methods of asphalt mixtures.The effects of asphalt，mineral fillers，healing temperature and the degree of damage are discussed from the intrinsic and extrinsic properties.Summed up two kinds of enhancement technology，which are based on the principal of energy supply and substance filling.This paper emphasizes the two enhancements which are heating and microcapsules containing adhesive binders.It has an important significance for the extension of the service life of asphalt pavement.

Key words:asphalt mixtures，self-healing mechanism，evaluation parameters

作者簡(jiǎn)介:劉永紅(1976-)，男，工程師

收稿日期:2015-11-26

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0119-02

中圖分類(lèi)號(hào):U414

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A