瀝青自愈合指標(biāo)修正及影響因素分析

羅 蓉， 許 苑， 劉涵奇， 馮光樂

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063； 2.湖北省公路工程技術(shù)研究中心， 湖北 武漢 430063；3.湖北省交通運(yùn)輸廳 工程質(zhì)量監(jiān)督局， 湖北 武漢 430063)

瀝青作為瀝青路面結(jié)構(gòu)的一部分，其疲勞壽命會影響路面服役壽命.現(xiàn)有針對瀝青疲勞壽命的試驗通常采用連續(xù)加載方式，同時將瀝青在不能繼續(xù)承受相應(yīng)荷載時的加載次數(shù)定義為瀝青的疲勞壽命.然而在實(shí)際路面行駛過程中，由于車輛間斷加載使得瀝青有一定的恢復(fù)時間，這就導(dǎo)致現(xiàn)有連續(xù)加載試驗無法真實(shí)評價服役環(huán)境中的瀝青疲勞壽命.1967年Bazin等[1]首次提出瀝青混合料的自愈合特性，并證明其可以提高瀝青路面的服役壽命.自此，瀝青的自愈合能力得到重點(diǎn)關(guān)注并有很多學(xué)者對其展開研究：Kim等[2]發(fā)現(xiàn)瀝青的裂縫愈合分為裂縫表面毛細(xì)作用產(chǎn)生的潤濕愈合和瀝青分子在裂縫表面的隨機(jī)擴(kuò)散2個過程；lvaro[3]通過CT掃描分析了瀝青愈合的微觀過程，并通過Arrhenius方程對瀝青自愈合速率和溫度進(jìn)行相關(guān)性分析；Tan等[4]采用應(yīng)力和應(yīng)變2種控制模式研究了各瀝青在不同損傷度、不同間歇時間條件下的愈合情況；Sun等[6-7]采用愈合行為方程對瀝青現(xiàn)有的自愈合評價指標(biāo)進(jìn)行擬合分析，并通過愈合活化能分析瀝青在不同溫度下的愈合難易程度.

目前，瀝青的自愈合評價指標(biāo)主要通過動態(tài)剪切模量本身的變化情況來表征，并未考慮間歇前后動態(tài)剪切模量的變化速率.本文通過考慮加載時間對動態(tài)剪切模量的影響，修正了1種自愈合評價指標(biāo)，使其更具有物理意義，并采用愈合行為方程進(jìn)行擬合.同時，采用控制變量的方法綜合考慮損傷度(D)和間歇時間這2種因素對瀝青自愈合的影響規(guī)律.

1 試驗

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青為湖北某公司產(chǎn)A級70#道路石油瀝青；SBS改性瀝青為在70#基質(zhì)瀝青基礎(chǔ)上加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的SBS，高溫剪切攪拌使其均勻分散于瀝青中制成.將70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別加熱至135，155℃至流動狀，將其澆注至硅膠模具上，待冷卻后進(jìn)行試驗.

1.2 試驗方法

在20℃，10Hz條件下，對上述2種瀝青進(jìn)行不同應(yīng)力水平的時間掃描試驗，并加入間歇時間以模擬瀝青的自愈合時間；在應(yīng)力為200kPa的條件下，設(shè)定不同損傷度和不同間歇時間進(jìn)行掃描試驗，采用自愈合指標(biāo)評價瀝青的自愈合情況.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 瀝青自愈合特性對疲勞壽命的影響

為探究瀝青自愈合特性對其疲勞性能的影響，本文對瀝青進(jìn)行無間歇和有間歇2種條件下的時間掃描試驗.采用基本模量控制法得到瀝青疲勞壽命，并利用間歇1800s后增長的疲勞壽命ΔN來表征瀝青的恢復(fù)情況，如表1所示.

由表1可知，有間歇瀝青的疲勞壽命較無間歇瀝青有所增長，這證明了瀝青自愈合特性的存在.因此在研究瀝青抵抗疲勞開裂能力時需考慮瀝青的自愈合特性.

表1 2種瀝青在無間歇與有間歇條件下的疲勞壽命

2.2 自愈合評價指標(biāo)及分析

目前，瀝青自愈合指標(biāo)一般以瀝青動態(tài)剪切模量的變化情況為基礎(chǔ)建立.表2為常見的3種自愈合指標(biāo)公式.其中G0表示初始動態(tài)剪切模量；Gb表示間歇前的終止動態(tài)剪切模量；Ga表示間歇后的初始動態(tài)剪切模量.

表2 常見的自愈合指標(biāo)公式

圖1 瀝青間歇前后動態(tài)剪切模量變化曲線Fig.1 Change curve of dynamic shear modulus before and after rest periods of asphalt binder

由表2可知，指標(biāo)HI1受瀝青損傷程度影響較大；指標(biāo)HI2只能進(jìn)行同一種瀝青在不同條件下的比較，不適用于不同瀝青的自愈合能力比較；指標(biāo)HI3消除了初始動態(tài)剪切模量的影響，但通過瀝青間歇前后動態(tài)剪切模量變化曲線(圖1)可明顯發(fā)現(xiàn)，間歇前動態(tài)剪切模量曲線所對應(yīng)的點(diǎn)Ga下降至Gb的速率與間歇后動態(tài)剪切模量曲線中Ga下降至Gb的速率不一致，這一現(xiàn)象說明瀝青的自愈合能力不能完全由動態(tài)剪切模量變化值表征，應(yīng)考慮加載時間對動態(tài)剪切模量變化的影響.若間歇時間太長導(dǎo)致間歇后動態(tài)剪切模量恢復(fù)至間歇前的初始動態(tài)剪切模量，那么指標(biāo)的計算結(jié)果為1，這顯然是不合理的.由此可見，以上3種指標(biāo)在研究瀝青的自愈合能力時均有諸多條件限制且不夠明確有效，導(dǎo)致其不能真實(shí)反映瀝青的自愈合能力.考慮到間歇前后瀝青的動態(tài)剪切模量下降速率與加載時間有關(guān)，本文通過對指標(biāo)HI3進(jìn)行時間修正，得到新的自愈合評價指標(biāo)HI4：

(1)

由式(1)可見，指標(biāo)HI4合理利用了指標(biāo)HI3的優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮了瀝青自愈合能力受動態(tài)剪切模量變化和間歇前后加載次數(shù)的共同影響.本文通過對70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青進(jìn)行不同損傷度(D)和不同間歇時間下的自愈合試驗，并采用指標(biāo)HI4對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如表3所示.

表3 2種瀝青的自愈合指標(biāo)HI4

2.3 愈合方程擬合分析

聚合物裂縫愈合理論[8]從分子角度對聚合物的愈合過程進(jìn)行了細(xì)致劃分，整體上可以分為裂縫界面潤濕和靜態(tài)愈合2個過程.采用潤濕函數(shù)和靜態(tài)愈合函數(shù)的卷積分形式建立自愈合理論方程，如式(2)所示：

(2)

式中：R(t)為聚合物的宏觀愈合指數(shù)；Rh(t-τ)為聚合物分子擴(kuò)散靜態(tài)愈合函數(shù)；φ(τ)為裂紋界面的濕潤率；t為加載時間；τ為愈合時間.

將式(2)經(jīng)積分計算并考慮瀝青特性，簡化得到靜態(tài)愈合行為方程：

Rh(t)=R0+Kt0.25

(3)

式中：R0，K為擬合參數(shù).

為驗證指標(biāo)HI4的可靠性，采用式(3)對其進(jìn)行擬合，具體擬合結(jié)果如圖2所示.由表3可知，SBS改性瀝青在損傷度為10%情況下的自愈合指標(biāo)大于1.這是由于損傷度太小，瀝青基本未破壞，且受瀝青觸變性[9]影響.為保證數(shù)據(jù)分析的合理性，圖2未對SBS改性瀝青在10%損傷度下的數(shù)據(jù)作擬合.

圖2 70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青指標(biāo)擬合Fig.2 Index fitting of 70# base asphalt binder and SBS modified binder

由圖2可知，靜態(tài)愈合行為方程(式(3))對70#基質(zhì)瀝青的擬合度較好，對SBS改性瀝青擬合度稍差；從擬合曲線的斜率可以看出，70#基質(zhì)瀝青在損傷度為10%時愈合速率較快，在損傷度為30%和50%時愈合速率較為接近；SBS改性瀝青在30%損傷度時的斜率明顯大于50%損傷度時的斜率，說明其在30%損傷度下的愈合速率大于50%損傷度下的愈合速率.由此可見，損傷度越小的瀝青自愈合能力越強(qiáng).

2.4 自愈合影響因素討論

2.4.1損傷度

瀝青損傷度(D)采用其動態(tài)剪切模量的變化情況進(jìn)行表征，其表達(dá)式如下：

(4)

瀝青在承受重復(fù)荷載時產(chǎn)生疲勞開裂，裂縫由產(chǎn)生至逐漸開裂是瀝青損傷程度逐漸加大的一個過程.在瀝青損傷度較小的情況下給予一段時間的愈合，瀝青可能會恢復(fù)原狀；在瀝青損傷度較大的情況下，裂縫開展較大，瀝青較難恢復(fù).為探究損傷度對瀝青愈合性能的影響，本文采用重復(fù)加載模式分別加載至損傷度為10%，30%，50%，再間歇愈合，來比較瀝青自愈合能力隨損傷程度變化的情況.不同損傷度統(tǒng)一采用600s的間歇時間進(jìn)行分析，經(jīng)整理后如圖3所示.

由圖3可以看出，隨著瀝青損傷程度的增加，其自愈合指標(biāo)逐漸減小，即瀝青的自愈合能力逐漸變差；在10%損傷度情況下，SBS改性瀝青的自愈合指標(biāo)大于1，這是由于瀝青材料本身的位阻硬化和觸變性造成的，另一方面也說明其在該損傷條件下相較于70#基質(zhì)瀝青具有良好的自愈合能力.由圖3還可見，損傷度較大的瀝青因裂縫開展較大，破壞較嚴(yán)重，在一定時間內(nèi)，分子的隨機(jī)擴(kuò)散以及重排列未能形成充分強(qiáng)度，導(dǎo)致上述2種瀝青在30%和50%損傷度下的自愈合能力相似，均低于0.5.

圖3 自愈合指標(biāo)HI4隨損傷度變化情況Fig.3 Variation of healing index HI4 with damage degree

2.4.2間歇時間

根據(jù)分子運(yùn)動理論，瀝青分子處于不停息、無規(guī)則的運(yùn)動狀態(tài).在間歇時間內(nèi)，瀝青分子經(jīng)歷裂縫界面毛細(xì)作用的潤濕后會自由運(yùn)動，運(yùn)動過程中瀝青分子不斷地重新排列組合、填充裂縫，使得裂縫逐漸縮小至愈合.間歇時間越長，瀝青分子運(yùn)動得越自由.為探究間歇時間對瀝青自愈合特性的影響，對其加載后采用不同的間歇時間，并采用自愈合指標(biāo)來表征它們的恢復(fù)情況，如圖4所示.

由圖4可以看出，瀝青間歇時間越長，其自我恢復(fù)能力越好，若給予瀝青無限長的間歇時間，則瀝青可以恢復(fù)至初始狀態(tài)；隨著間歇時間的增長，瀝青愈合速度逐漸趨于緩慢；同一間歇條件下，SBS改性瀝青的自愈合能力優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青.

圖4 2種瀝青的自愈合指標(biāo)HI4隨愈合時間變化情況Fig.4 Variation of healing index HI4 with healing time

3 結(jié)論

(1)通過無間歇加載和有間歇加載2種試驗?zāi)Ｊ?，證明瀝青自愈合特性可延長其疲勞壽命.考慮自愈合特性的瀝青疲勞壽命可以更加有效地預(yù)測路面服役壽命.

(2)從試驗數(shù)據(jù)和物理意義上分析了HI1，HI2和HI3這3種常見自愈合指標(biāo)的不足，采用修正HI3后得到的新指標(biāo)HI4，對不同損傷度和不同間歇時間的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，并采用靜態(tài)自愈合行為方程進(jìn)行了擬合.較好的擬合度證明該指標(biāo)在評價瀝青自愈合能力上的可行性.

(3)在瀝青自愈合研究過程中，損傷度、間歇時間因素不可忽略.損傷度較小的瀝青還未超出線黏彈性范圍，其恢復(fù)能力受間歇時間影響較小；同一間歇時間下，損傷度較大的瀝青恢復(fù)能力較差；同一損傷度下，間歇時間越長，其恢復(fù)情況越好.

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