瀝青砂漿的熱誘導(dǎo)自愈合性能研究*

何　凡　唐　進(jìn)　劉全濤

(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1)　武漢　430070)　(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)　武漢　430070)

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瀝青砂漿的熱誘導(dǎo)自愈合性能研究*

何凡1)唐進(jìn)2)劉全濤2)

(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1)武漢430070)(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)武漢430070)

熱誘導(dǎo)自愈合能夠有效修復(fù)瀝青混凝土中的裂紋，有望成為先進(jìn)的瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù).采用三點(diǎn)彎曲斷裂—愈合—再斷裂試驗(yàn)，以強(qiáng)度恢復(fù)率為自愈合指標(biāo)，研究了3種典型瀝青砂漿在不同愈合溫度和不同愈合時(shí)間下的自愈合效率.結(jié)果表明,SK-70瀝青砂漿和SK-90瀝青砂漿均在稍微高于瀝青軟化點(diǎn)的溫度時(shí)自愈合性能最好，而SK-SBS改性瀝青砂漿在愈合溫度到達(dá)瀝青軟化點(diǎn)之前就已經(jīng)具有了較好的自修復(fù)性能.探討了基質(zhì)瀝青與改性瀝青的自愈合機(jī)理,其中基質(zhì)瀝青的自愈合機(jī)理主要是瀝青向裂紋中粘性流動以及裂紋界面處瀝青分子的相互浸潤和擴(kuò)散，而改性瀝青砂漿的自愈合是瀝青分子流動擴(kuò)散和SBS鏈段彈性恢復(fù)共同作用的結(jié)果.

瀝青砂漿；熱誘導(dǎo)自愈合；裂紋；愈合機(jī)理

0　引　　言

瀝青混凝土具有一定的自愈合性能，在荷載間歇期，瀝青混凝土中小于某尺度(閾值尺度)的微裂紋會自動愈合，使其性能得到恢復(fù)[1].利用瀝青混凝土的自愈合性能在瀝青路面出現(xiàn)宏觀損害之前就進(jìn)行及時(shí)養(yǎng)護(hù)，是美國、荷蘭、瑞士、英國等國家近些年來所倡導(dǎo)的先進(jìn)瀝青路面養(yǎng)護(hù)理念[2].然而，當(dāng)溫度過低時(shí)瀝青分子的浸潤、擴(kuò)散等熱力學(xué)運(yùn)動受阻，瀝青混凝土就不能實(shí)現(xiàn)自愈合[3].對于不能自動愈合的瀝青混凝土，如通過加熱提高瀝青分子的浸潤和擴(kuò)散速率，則可誘使其產(chǎn)生裂紋自愈合.瀝青路面冬天出現(xiàn)的裂紋在夏天可以自動愈合，這是在公路上可以觀察到的熱誘導(dǎo)自愈合的例子.受該自然現(xiàn)象中的啟示，Schlangen[4]提出了瀝青混凝土感應(yīng)加熱自愈合法，其思路是將導(dǎo)電鋼纖維摻加到瀝青混凝土中使其可以用于感應(yīng)加熱，當(dāng)瀝青混凝土中產(chǎn)生微裂紋時(shí)，利用感應(yīng)加熱升高其溫度，提高其自愈合性能，從而達(dá)到修復(fù)裂紋的目的.研究表明，感應(yīng)加熱自愈合可以有效修復(fù)瀝青混凝土中的微裂紋，從而大幅度延長其服役壽命，有望成為先進(jìn)的瀝青路面裂縫防治技術(shù)[5-7].據(jù)荷蘭交通部研究和測算，利用瀝青混凝土感應(yīng)加熱自愈合技術(shù)，可以使瀝青路面的服役壽命延長50%以上，即使其成本加倍仍可使每公里的瀝青路面全生命周期內(nèi)節(jié)約31.6萬歐元的養(yǎng)護(hù)和管理費(fèi)用.如果我國有20%的瀝青路面使用自愈合瀝青混凝土，整個(gè)生命周期內(nèi)將節(jié)省2萬億元的養(yǎng)護(hù)和管理費(fèi)用，相當(dāng)于“十二五”期間我國年均交通基本建設(shè)投資額的1.6倍.因此，熱誘導(dǎo)瀝青混凝土自愈合具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景.

然而，瀝青混凝土熱誘導(dǎo)自愈合仍然存在若干亟待解決的關(guān)鍵問題.例如，不同瀝青制備的瀝青混凝土(瀝青砂漿)在什么加熱溫度下愈合效果最好，最佳自愈合溫度與瀝青的軟化點(diǎn)之間是否存在內(nèi)在聯(lián)系？在最佳自愈合溫度下是否存在一個(gè)最佳的自愈合時(shí)間？解決這些問題對于深入理解瀝青混凝土的熱誘導(dǎo)自愈合行為，以及在不同地區(qū)應(yīng)用熱誘導(dǎo)自愈合進(jìn)行路面修復(fù)都具有重要的指導(dǎo)意義.

文中利用三點(diǎn)彎曲斷裂—愈合—再斷裂實(shí)驗(yàn)，以強(qiáng)度恢復(fù)率為自愈合指標(biāo)，主要研究幾種典型的瀝青砂漿小梁在不同熱誘導(dǎo)溫度下的自愈合性能，分析不同瀝青砂漿自愈合性能的差異，探究不同瀝青砂漿的最佳自愈合溫度和自愈合時(shí)間及其與瀝青軟化點(diǎn)之間的關(guān)系.

1　原材料與實(shí)驗(yàn)

采用瀝青、砂石、礦粉按1∶5∶1的質(zhì)量比(與瀝青混凝土中砂漿的組成相當(dāng))制備瀝青砂漿.所用的3種典型瀝青分別為SK-70道路石油瀝青、SK-90道路石油瀝青、SK-SBS改性瀝青,并按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)的要求對這3種典型瀝青進(jìn)行了針入度和軟化點(diǎn)的試驗(yàn)測量，試驗(yàn)結(jié)果見表1.所用的礦粉為普通石灰?guī)r礦粉，所用的石料為粒徑小于1.18 mm的石灰?guī)r石料，石料的具體尺寸規(guī)格見表2.

表1　3種瀝青的針度及軟化點(diǎn)

表2　石灰?guī)r規(guī)格

將瀝青、石料和礦粉按比例拌和均勻后，采用圖1所示的耐高溫硅膠模具成型中間帶矩形槽口(槽寬和槽深均為3 mm)的瀝青砂漿小梁試件，試件尺寸為125 mm×15 mm×10 mm.

圖1　硅膠模具及成型的小梁試件

在-20 ℃下，利用彎曲梁流變儀(BBR)對瀝青砂漿小梁樣品進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，使其產(chǎn)生從槽口頂端到施力點(diǎn)的貫穿性裂紋，并記錄下此時(shí)顯示的最大彎曲應(yīng)力的荷載值F1.將三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后斷裂的瀝青砂漿小梁試件放置在硅膠磨具中一起放入烘箱中對其進(jìn)行熱誘導(dǎo)自愈合，其中70#與90#瀝青砂漿小梁試樣分別在常溫(25 ℃)，40，50，60，90 ℃下進(jìn)行熱誘導(dǎo)自愈合；SBS改性瀝青砂漿小梁試樣分別在常溫(25 ℃)，40，60，80，90 ℃下進(jìn)行熱誘導(dǎo)自愈合.將經(jīng)過規(guī)定時(shí)間的熱誘導(dǎo)自愈合后的青砂漿小梁試件在-20 ℃下冷卻，最后對熱誘導(dǎo)自愈合后的瀝青砂漿小梁試樣再次進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，使其再次產(chǎn)生從槽口頂端到施力點(diǎn)的貫穿性裂紋，記錄此時(shí)的最大彎曲應(yīng)力的荷載值F2.利用愈合后與初始三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測出的最彎曲大應(yīng)力的荷載比值(F2/F1即強(qiáng)度恢復(fù)率)來表征瀝青砂漿熱誘導(dǎo)裂紋自愈合的水平，研究不同瀝青砂漿在不同加熱溫度、不同加熱時(shí)間下自愈合性能的變化規(guī)律，揭示不同等級的瀝青制備的瀝青砂漿的自愈合最佳溫度及其與瀝青軟化點(diǎn)的關(guān)系，分析基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青砂漿受熱后自愈合性能的差異以及SBS對瀝青砂漿自愈合性能的影響.

2　結(jié)果與討論

2.1SK-70道路石油瀝青砂漿的熱誘導(dǎo)自愈合性能

文中研究了采用SK-70道路石油瀝青制備的瀝青砂漿在常溫(25 ℃)，40，50，60和90 ℃ 4個(gè)不同加熱溫度下的自愈合性能及其與加熱時(shí)間之間的關(guān)系.在不同加熱溫度、加熱時(shí)間下SK-70瀝青砂漿的自愈合試驗(yàn)的結(jié)果見圖2.

圖2　SK-70瀝青砂漿不同加熱時(shí)間下的自愈合率

由圖2可知，升高溫度或延長加熱時(shí)間均能夠顯著提高SK-70瀝青砂漿的自愈合率，高溫下瀝青砂漿能較快地獲得了較好的自愈合性能，其原因是瀝青溫度的升高打破了其凝膠狀態(tài)，使瀝青分子團(tuán)演變成溶膠狀態(tài)，瀝青粘度降低、瀝青分子流動擴(kuò)散的能力大大增長，從而使瀝青砂漿具有更好的自愈合性能.從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，升高加熱溫度，可以減少瀝青砂漿達(dá)到最佳自愈合率所需的加熱時(shí)間；在各加熱溫度下，瀝青砂漿存在一個(gè)最佳自愈合率(所能達(dá)到的最大值)和最佳加熱時(shí)間；當(dāng)愈合溫度升高到一定溫度時(shí)，繼續(xù)升高溫度將不能再提高瀝青砂漿的自愈合率，反而可能因?yàn)闉r青滲漏和老化而降低其力學(xué)性能.

表3總結(jié)了SK-70瀝青砂漿不同加熱溫度下的最高自愈合率與最佳加熱時(shí)間.由表3可知，熱誘導(dǎo)溫度在超過50 ℃之后便對瀝青砂漿的愈合率沒有了影響，此時(shí)升高熱誘導(dǎo)溫度不僅會浪費(fèi)能源，而且易使瀝青發(fā)生老化影響其力學(xué)性能，故SK-70瀝青砂漿的最佳自愈合溫度為50 ℃.聯(lián)系SK-70瀝青的軟化點(diǎn)(46.7 ℃)，說明SK-70瀝青砂漿在稍高于瀝青軟化的溫度時(shí)其自愈合效果最好.其原因是對于瀝青材料，當(dāng)自愈合溫度高于其軟化點(diǎn)時(shí)，瀝青材料呈近牛頓流體，其流動性能較好，瀝青將在毛細(xì)管原理的作用下填充細(xì)微裂縫，并在瀝青內(nèi)部分子的擴(kuò)散重組下，使裂縫漸漸愈合直到恢復(fù)成原來的樣子.而當(dāng)較低溫下，瀝青材料可以被看作是固體而不是完全的牛頓流體，毛細(xì)管作用十分有限，裂縫發(fā)生閉合和濕潤的速度很緩慢，瀝青分子的擴(kuò)散和重組也很緩慢，此時(shí)瀝青的自愈合能力很差，雖然也有自愈合發(fā)生，但是材料恢復(fù)十分緩慢并且愈合率也較低.

表3　SK-70瀝青砂漿不同加熱溫度下的最高自愈合率與最佳加熱時(shí)間

2.2SK-90道路石油瀝青砂漿的熱誘導(dǎo)自愈合性能

文中研究了采用SK-70道路石油瀝青制備的瀝青砂漿在常溫(25 ℃)，40，50，60 和90 ℃四個(gè)不同加熱溫度下的自愈合性能及其與加熱時(shí)間之間的關(guān)系.在不同加熱溫度、加熱時(shí)間下SK-70瀝青砂漿的自愈合試驗(yàn)的結(jié)果見圖3.

圖3　SK-90瀝青砂漿不同加熱溫度、時(shí)間下的自愈合率

由圖3可知，在不同加熱溫度和加熱時(shí)間作用下，SK-90瀝青砂漿的自愈合性能的變化規(guī)律與SK-70瀝青砂漿十分相似，均表現(xiàn)出較高的溫度依賴性.當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，試件的自愈合率隨加熱時(shí)間的延長緩慢上升，但是需要經(jīng)過很長時(shí)間才能達(dá)到其自愈合的極限；而當(dāng)溫度較高時(shí)，試件的自愈合率隨加熱時(shí)間的延長而快速上升，并能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到自愈合的極限值(最高自愈合率).

表4　SK-90瀝青砂漿不同加熱溫度下的最高自愈合率與最佳加熱時(shí)間

表4總結(jié)了SK-90瀝青砂漿不同加熱溫度下的最高自愈合率與最佳加熱時(shí)間.由表4可知，SK-90瀝青砂漿的最佳自愈合溫度也為50 ℃，聯(lián)系SK-90瀝青的軟化點(diǎn)(44.3 ℃)，說明SK-90瀝青砂漿也在稍高于瀝青軟化點(diǎn)的溫度自愈合性能最好，其最佳加熱時(shí)間為50 min.

2.3SK-SBS改性瀝青瀝青砂漿的熱誘導(dǎo)自愈合性能

采用SK-SBS改性瀝青制備的瀝青砂漿在常溫(25 ℃)、40 ℃、60 ℃、80 ℃和90 ℃四個(gè)不同加熱溫度下的自愈合性能及其與加熱時(shí)間之間的關(guān)系見圖4.

圖4　SK-SBS改性瀝青砂漿在不同加熱溫度、時(shí)間下的自愈合率

由圖4可知，在不同加熱溫度下SK-SBS改性瀝青砂漿的自愈合性能表現(xiàn)出了與基質(zhì)瀝青砂漿不同的變化趨勢：一是在瀝青軟化點(diǎn)溫度之下的愈合溫度時(shí)(40 ℃和60 ℃)，延長加熱時(shí)間能夠顯著提高瀝青砂漿的自愈合率，直到達(dá)到極限自愈合率；二是在愈合溫度高于SK-SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)時(shí)，瀝青在較短的時(shí)間內(nèi)已經(jīng)達(dá)到了較好的自愈合率，延長加熱時(shí)間對瀝青砂漿自愈合性能的增強(qiáng)作用并不明顯.

表5總結(jié)了SK-SBS瀝青砂漿在不同加熱溫度下的最高自愈合率與其最佳的加熱時(shí)間.由表5可知，SK-SBS瀝青砂漿在加熱至60 ℃時(shí)就已經(jīng)具有了較好的自愈合性能，自愈合率達(dá)到了90%以上，其最佳加熱時(shí)間為50 min.聯(lián)系SK-SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)(79.3 ℃)，說明SK-SBS改性瀝青砂漿在愈合溫度到達(dá)瀝青軟化點(diǎn)之前就已經(jīng)具有了較好的自修復(fù)性能，其原因在于瀝青砂漿中的SBS鏈段的恢復(fù)促使裂紋的閉合，從而較大程度上提高了瀝青砂漿的自愈合能力.

表5　SK-SBS瀝青砂漿不同加熱溫度下的最高自愈合率與最佳加熱時(shí)間

2.4不同瀝青砂漿自愈合性能的差異

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，SK-70號道路石油瀝青砂漿與SK-90道路石油瀝青砂漿的自愈合性能比較相似，兩者都是在稍高于瀝青軟化點(diǎn)的愈合溫度下其自愈合性能最佳.與基質(zhì)瀝青砂漿相比，SK-SBS改性瀝青砂漿在愈合溫度未達(dá)到瀝青軟化點(diǎn)之前就已經(jīng)獲得了較好的自愈合性能.這一差異可從基質(zhì)瀝青和SBS瀝青自愈合的機(jī)理方面來加以解釋.

基質(zhì)瀝青的自愈合機(jī)理主要是瀝青向裂紋中粘性流動以及裂紋界面處瀝青分子的相互浸潤和擴(kuò)散，溫度越高則瀝青流動速率和瀝青分子擴(kuò)散速率越高，瀝青的自愈合性能也就越好.當(dāng)愈合溫度高于基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)時(shí)，瀝青已接近于近牛頓流體，具有很好的流動性能，從而促使裂紋的愈合.因此，基質(zhì)瀝青在愈合溫度稍高于其軟化點(diǎn)時(shí)具有最佳的自愈合性能.之后繼續(xù)升高愈合溫度，將不能再提高瀝青砂漿的自愈合率，反而會加深瀝青的老化，影響其力學(xué)性能.而SK-SBS改性瀝青砂漿自愈合的機(jī)理與基質(zhì)瀝青不同.SBS聚合物(苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物)存在2個(gè)玻璃轉(zhuǎn)化溫度，其第一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(tg1)在-88～-83 ℃之間，其第二個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(tg2)在90 ℃左右.在tg1～tg2溫度之間，其端基聚苯乙烯聚集在一起形成微區(qū)分散于聚丁二烯連續(xù)相之間，起到物理交聯(lián)、固定鏈段、硫化增強(qiáng)及防冷流作用，是SBS改性具有較好的彈性的原因；而當(dāng)溫度升至tg2時(shí)，聚苯乙烯相軟化和流動使得SBS改性瀝青具有較好的流動性能.因此，SK-SBS改性瀝青砂漿的自愈合是瀝青分子流動擴(kuò)散和SBS鏈段彈性恢復(fù)共同作用的結(jié)果.在較低的溫度下，SK-SBS改性瀝青砂漿的自愈合性能優(yōu)于SK-70道路石油瀝青砂漿與SK-90道路石油瀝青砂漿，其原因正是SBS鏈段彈性恢復(fù)的結(jié)果.于是在瀝青分子流動擴(kuò)散和SBS鏈段彈性恢復(fù)的共同作用下，SK-SBS改性瀝青砂漿在愈合溫度未達(dá)到瀝青軟化點(diǎn)之前就獲得了較好的自愈合性能.在溫度升至90 ℃(SBS玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)聚苯乙烯相軟化和流動使得SBS改性瀝青具有較好的流動性能，此時(shí)SK-SBS改性瀝青砂漿的自愈合機(jī)制才變得和基質(zhì)類似，此時(shí)自愈合才是瀝青分子流動和擴(kuò)散作用的結(jié)果.

3　結(jié)　　論

1) SK-70瀝青砂漿和SK-90瀝青砂漿均在稍微高于瀝青軟化點(diǎn)的溫度(50 ℃)時(shí)自愈合性能最好，自愈合率均達(dá)到了90%以上，其最佳自愈合時(shí)間都是50 min.

2) SK-SBS瀝青砂漿軟化點(diǎn)是79.3 ℃，但其在加熱至60 ℃時(shí)就已經(jīng)具有了較好的自愈合性能，自愈合率達(dá)到了90%以上，說明SK-SBS改性瀝青砂漿在愈合溫度到達(dá)瀝青軟化點(diǎn)之前就已經(jīng)具有了較好的自修復(fù)性能.

3) 基質(zhì)瀝青和SBS瀝青自愈合的機(jī)理不同：基質(zhì)瀝青的自愈合機(jī)理主要是瀝青向裂紋中粘性流動，以及裂紋界面處瀝青分子的相互浸潤和擴(kuò)散，溫度越高則瀝青流動速率和瀝青分子擴(kuò)散速率越高，瀝青的自愈合性能也就越好；改性瀝青砂漿的自愈合是瀝青分子流動擴(kuò)散和SBS鏈段彈性恢復(fù)共同作用的結(jié)果.

[1]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(1)-自愈合行為機(jī)理與表征方法[J].石油瀝青，2011，25(5)：7-11.

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Thermally Activated Self-healing of Asphalt Mastic

HE Fan1)TANG Jin1)LIU Quantao2)

(WuhanUniversityofTechnology,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,Wuhan430070,China)1)(WuhanUniversityofTechnology,StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitectures,Wuhan430070,China)2)

Thermally activated self-healing of asphalt concrete can effectively heal the cracks of asphalt concrete, thus being a promising advanced cracking maintenance technology for asphalt pavement. Three point bending fracture-healing-fracture test is employed to study the thermally activated healing of three asphalt mastics and the strength recovery ratio is used as a healing index. It is found that both SK-70 asphalt mastic and SK-90 asphalt mastic show the optimal self-healing ratios when the healing temperature is slightly higher than the softening point of the two binders, while SK-SBS modified asphalt mastic reaches its optimal self-healing ratio before the temperature reaching the softening point of the modified binder. The healing mechanisms of base asphalt mastic and SBS modified asphalt mastic are explored: the healing of base asphalt mastic is due to the viscous flow of asphalt and the diffusion of asphalt molecules at crack surfaces, while the healing of SBS modified asphalt mastic is a combined result of asphalt flow and the elastic recovery of SBS networks.

asphalt mastic; thermally activated healing; cracks; healing mechanism

2016-06-24

TU528.42

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.026

何凡(1996- )：男，主要研究領(lǐng)域?yàn)闉r青路面材料

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51508433)、國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFE83100)、教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金項(xiàng)目(2015j0018)資助