基于SCB試驗的瀝青混合料宏觀斷裂愈合性能研究

朱洪洲， 范世平， 李正浩

(1.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室， 重慶 400074； 2.重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074)

近年來，隨著中國道路交通事業(yè)的快速發(fā)展，重交通和超載現(xiàn)象日趨嚴重，瀝青路面車轍、裂縫等典型病害加劇，導致路面功能迅速衰減.瀝青路面最開始形成不可見的微損傷，在交通荷載循環(huán)作用和雨水侵蝕等環(huán)境條件下，其損傷程度逐漸加深，微觀損傷發(fā)展成宏觀裂紋.路面宏觀裂紋一旦形成，就需要對其進行養(yǎng)護，中國每年至少有超過10萬km的瀝青路面需要養(yǎng)護，養(yǎng)護資金需求年平均高達4000億元，僅翻新面層就需消耗1.8億t熱拌瀝青混合料，同時產(chǎn)生大量煙、PM2.5和廢棄混合料，造成了嚴重的環(huán)境污染和資源浪費[1].因此，加強對瀝青混合料性能的研究，發(fā)展更為先進的瀝青路面建設和養(yǎng)護技術，是保護環(huán)境、節(jié)約資源的一項重要措施.

瀝青混合料在荷載作用或者停歇狀態(tài)下，其勁度模量和強度會發(fā)生一定程度的自我修復，此現(xiàn)象稱為瀝青混合料的自愈合現(xiàn)象[2]，該現(xiàn)象對瀝青混合料疲勞性能有較大影響.瀝青混合料自愈合現(xiàn)象最早由Bazin等[3]提出，并得到國內(nèi)外學者廣泛認可.Little等[4-5]對瀝青材料的愈合機理和影響因素進行了研究，發(fā)現(xiàn)一旦瀝青材料與裂縫界面相接觸，瀝青分子就會擴散直至裂縫完全閉合，并認為瀝青的愈合性能取決于材料的表面能和分子在裂縫界面間擴散的能力；黃明等[6-9]分析了不同因素對瀝青自愈合性能的影響，研究了考慮自愈合的瀝青混合料疲勞性能，并得出自愈合能顯著提高瀝青混合料疲勞壽命的結論.Garcia等[10]提出了瀝青混合料微膠囊愈合技術和電磁感應加熱愈合的概念，通過升溫輔助和再生劑愈合等技術來提高瀝青混合料的自愈合能力；何亮等[11]通過向瀝青混合料中摻加鋼絲絨，制備了可用于感應加熱的瀝青混合料，研究了其熱感應自愈合性能；Su等[12]利用彈性基座上的彎曲試驗來分析添加了膠囊的瀝青混合料自愈合性能，觀察發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生的地方有再生劑流出，且梁的彎曲強度能恢復到初始值.利用瀝青混合料的自愈合性能在瀝青路面出現(xiàn)宏觀損害之前就進行及時養(yǎng)護，是美國、荷蘭、英國等發(fā)達國家近年來所倡導的先進瀝青路面養(yǎng)護理念[13].如何充分利用瀝青的自愈性使損傷路面進行自我修復已成為未來研究亟需解決的問題.

對瀝青混合料開裂性能的研究，通常采用小梁四點彎曲試驗和間接拉伸試驗.但在近幾年研究中，國內(nèi)外研究人員逐漸意識到用小梁彎曲試驗來評價已建成的瀝青路面性能時，由于小梁試件尺寸較大(小梁試件長度通常為250mm)，通過現(xiàn)場鉆芯成型試件會對路面造成較大的損傷，而且瀝青路面結構實際受力狀況也有別于小梁試件的純彎曲受力狀態(tài)，導致用設計標準中采用的試驗結果來評價已建成路面結構層的性能時存在一定局限性.與小梁四點彎曲試驗相比，半圓彎曲(SCB)試驗操作簡單，試件來源廣泛，重復性好，是近年來評價瀝青混合料開裂性能的新方法，已逐漸引起國內(nèi)外研究人員的重視.付欣等[14]采用ANSYS對帶切口SCB試驗參數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)半圓試件受力更接近瀝青路面結構的受力狀態(tài).劉宇等[15]采用SCB試驗評價了瀝青混合料的強度，發(fā)現(xiàn)SCB試驗更適合于評價瀝青混合料的抗拉性能.Huang等[16]運用彈性力學理論和有限元方法對SCB試驗和間接拉伸試驗兩種試驗模式進行對比分析，分析表明SCB試驗可明顯降低荷載引起的永久變形影響.本文通過瀝青混合料SCB斷裂-愈合-斷裂試驗，通過愈合前后瀝青混合料的抗拉強度變化來分析其自愈合性能，同時研究了溫度、時間及外部壓力對70#基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料自愈合性能的影響及兩者的差異，以期為瀝青混合料路面裂紋控制技術的研究提供參考.

1 試驗材料和方法

1.1 原材料

瀝青采用中石化70#道路石油瀝青和SBS改性瀝青，其基本指標如表1所示；粗集料、細集料和填料均為重慶地區(qū)的石灰?guī)r，各項技術指標均滿足行業(yè)規(guī)范要求.

1.2 瀝青混合料制備

選用JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中的AC-13密集配瀝青混合料，取AC-13級配范圍中值，如表2所示.通過馬歇爾設計方法確定瀝青混合料最佳油石比(質(zhì)量分數(shù))為4.9%；相應的體積參數(shù)VV(試件空隙率)、VMA(試件礦料間隙率)、VFA(試件有效瀝青飽和度)以及馬歇爾穩(wěn)定度MS、流值FL見表3.

表1 試驗瀝青基本指標Table 1 Physical property of asphalts

表2 瀝青混合料設計級配Table 2 Design gradation of asphalt mixture

表3 AC-13瀝青混合料馬歇爾試驗參數(shù)Table 3 Test parameters of AC-13 asphalt mixtures

1.3 半圓試件和試驗條件

當半圓試件厚度為50mm時，其力學響應趨于恒定[17-18].為了盡量減少因厚度帶來的誤差，本研究采用厚度為50mm的半圓試件.將旋轉壓實成型的圓柱體試件(φ100mm×150mm)兩端各去除25mm，以降低密度不均帶來的影響，然后在剩余的圓柱體側面進行十字劃分，將其切割成4個厚度為50mm，直徑為100mm的半圓試件，切割允許偏差控制在1.5mm 內(nèi).為了便于觀察試件所發(fā)生的宏觀斷裂現(xiàn)象，在半圓試件底部垂直直徑方向的中線上切割5mm 深預留縫.半圓試件制備過程如圖1所示.

圖1 半圓試件制作與加載過程Fig.1 Semi-circular specimen production and loading process(size:mm)

采用材料測試系統(tǒng)，對瀝青混合料半圓試件進行三點靜載試驗，試驗溫度-10℃，加載頻率10Hz；加載速率10mm/min；支點間距80mm.試件產(chǎn)生從預留縫頂端到施力點的貫穿性裂縫時，記錄壓力峰值F1.將斷裂試件拼接后放入一定溫度環(huán)境中愈合，然后對試件進行二次加載試驗，加載條件與初次加載試驗時相同，并記錄壓力峰值F2.

1.4 自愈合評價指標

將同一瀝青混合料半圓試件愈合前后2次加載試驗的抗拉強度之比定義為愈合指數(shù)(HI)，其值越大，混合料愈合能力越強.愈合指數(shù)HI計算式為：

(1)

式中：σt1，σt2分別是試件愈合前后的抗拉強度，Pa；F1，F(xiàn)2分別是試件愈合前后2次加載的壓力峰值，N.

2 試驗結果分析

對70#基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料進行SCB斷裂-愈合-斷裂試驗，愈合溫度為25，40，60，80，100℃，愈合時間為2，4，6，8，12h；愈合過程中考慮外部壓力對試件愈合的影響.

2.1 溫度對宏觀斷裂自愈合的影響

瀝青混合料屬于感溫性材料，溫度對其性能有較大影響.愈合過程中無論是否對試件施加外部壓力，其HI值隨愈合溫度變化的趨勢均相同.圖2表示各愈合時間下無圍壓試件HI值隨溫度變化的關系.

圖2 無圍壓試件HI值隨溫度變化曲線Fig.2 HI values versus temperature curves of specimens without pressure applied

由圖2可見，在一定環(huán)境中愈合后，發(fā)生宏觀斷裂的70#基質(zhì)瀝青混合料強度恢復率最高可達36%，而SBS改性瀝青混合料的強度恢復率最高可達45%，且2種瀝青混合料的HI值均隨溫度的升高而增大，說明溫度對瀝青混合料宏觀可見裂縫的自愈合能力有一定促進作用.如與40℃愈合條件相比，經(jīng)100℃愈合后試件的強度恢復率提高了近10倍.因此在實際瀝青路面使用中，冬季低溫環(huán)境中產(chǎn)生的宏觀裂紋在夏季高溫狀態(tài)下能發(fā)生一定程度的自愈合.

2種瀝青混合料HI值隨溫度變化的規(guī)律有所不同.對于70#基質(zhì)瀝青混合料，當愈合溫度低于60℃時，其HI值最高只有5%，自愈合能力較差；當愈合溫度高于60℃后，其強度恢復率有較大提高，80℃(超過瀝青軟化點)時其HI值已達30%左右，是60℃時的5～7倍；但當愈合溫度由80℃升至100℃時，其HI值的增長速率下降，說明并非溫度越高，混合料自愈合性能越好，因為在持續(xù)高溫條件下瀝青可能發(fā)生老化，這反而會使其力學性能下降.對于SBS改性瀝青混合料，同一溫度下的愈合能力優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青混合料；當愈合溫度低于40℃ 時，其HI值為5%上下，在60℃(未達到瀝青軟化點)環(huán)境中愈合后其HI值已達20%上下；當愈合溫度超過60℃后，其HI值雖然持續(xù)增長，但增長速率隨溫度增加而逐漸下降，說明SBS改性瀝青混合料與70#基質(zhì)瀝青混合料一樣，存在一個最佳愈合溫度.該最佳愈合溫度小于瀝青軟化點，當愈合溫度超過該值時，對瀝青混合料的自愈合性能改善效果不佳.2種瀝青混合料在不同溫度下表現(xiàn)出了不同的自愈合性能，這一差異可以從2種瀝青混合料的自愈合機理方面加以解釋.

70#基質(zhì)瀝青混合料的自愈合機理主要是瀝青向裂縫中黏性流動以及裂縫界面處瀝青分子的相互潤濕和擴散，溫度越高則瀝青流動速率和分子擴散速率越大.當溫度高于軟化點時，瀝青已接近流體狀態(tài)，具有很好的流動性，從而能促使裂縫愈合.SBS改性瀝青混合料的自愈合機理除了與瀝青基體的黏性流動和擴散作用有關外，還與SBS聚合物性能有關.SBS聚合物屬于苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物，通常情況下，聚苯乙烯聚集在一起形成微區(qū)并分散于聚丁二烯連續(xù)相之間，起到物理交聯(lián)、固定鏈段及硫化增強等作用，使SBS改性瀝青具有較好的彈性.SBS改性瀝青混合料的自愈合是瀝青基體分子流動擴散和SBS鏈段彈性恢復共同作用的結果，因此在未達到軟化點之前，SBS改性瀝青混合料已具有較好的自愈合效果.

2.2 時間對宏觀斷裂自愈合的影響

根據(jù)試驗結果，有圍壓試件和無圍壓試件HI值隨愈合時間變化的趨勢相同.因此，以不施加外部壓力的試驗結果為例，分析愈合時間對2種瀝青混合料自愈合性能的影響，如圖3所示.

由圖3可見，2種瀝青混合料的HI值均隨愈合時間的增加而增大.與4h相比，經(jīng)8h愈合后，70#基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的HI值分別提高約20%和30%；與8h相比，經(jīng)12h愈合后，2種瀝青混合料的HI值均提高了約10%.表明2種瀝青混合料的HI值在8～12h間的增長速率小于4～8h間的增長速率，即其存在一個最佳愈合時間.當超過最佳愈合時間時，瀝青混合料的HI值增長速率下降，此時再繼續(xù)延長愈合時間對其自愈合能力的改善不顯著.

圖3 無圍壓試件的HI值與愈合時間的關系曲線Fig.3 HI values versus time curves of specimens without pressure applied

2.3 愈合方式對宏觀斷裂自愈合的影響

為了分析外部壓力對試件開裂面自愈合性能的影響，在SCB試件厚度方向距邊緣10cm處和中間位置處采用橡皮筋沿垂直試件表面法線方向來固定拼接后的試件，以模擬試件斷裂面所受圍壓狀態(tài)，根據(jù)橡皮筋的彈性模量和伸長量算出每條橡皮筋徑向力為10N.將有圍壓試件和無圍壓試件在相同環(huán)境中養(yǎng)護愈合后進行二次加載試驗，根據(jù)加載試驗結果，計算不同瀝青混合料有圍壓試件的愈合指數(shù)(HI1)與無圍壓試件的愈合指數(shù)(HI2)之比ξ，將其定義為外部壓力對瀝青混合料自愈合性能的影響系數(shù)，即ξ=HI1/HI2.70#基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料在各愈合時間下的ξ值隨溫度變化的關系如圖4所示.

由圖4可見，2種瀝青混合料的ξ值普遍大于1，說明施加壓力能提高瀝青混合料的自愈合能力.不同瀝青混合料的自愈合性能受壓力的影響程度與溫度有關.

圖4 外部壓力影響系數(shù)ξ值隨溫度變化曲線Fig.4 External pressure influence coefficient ξ values versus temperature curves

不同愈合時間下，2種瀝青混合料的ξ值隨溫度變化的趨勢基本相同.對于70#基質(zhì)瀝青混合料，當愈合溫度低于40℃時，其ξ值在2.0～3.0范圍內(nèi)波動；當愈合溫度為60℃時，不同愈合時間下獲得的ξ值均最大，如當愈合時間為8h時，有圍壓試件的HI值是無圍壓試件HI值的4.5倍，說明在該愈合溫度下外部壓力對瀝青混合料自愈合性能有較好改善作用；當愈合溫度為80，100℃時，ξ≈1，說明在這2個溫度下施加外部壓力對70#基質(zhì)瀝青混合料的自愈合性能無明顯改善作用.對于SBS改性瀝青混合料，當愈合溫度為40℃時，其ξ值在1.4～2.0范圍內(nèi)波動；當愈合溫度為60，80，100℃時，ξ≈1，即此種情況下施加外部壓力對SBS改性瀝青混合料的自愈合性能無顯著影響.對比2種瀝青混合料的ξ值發(fā)現(xiàn)，施加壓力對SBS改性瀝青混合料自愈合性能的改善效果低于相同溫度下的70#基質(zhì)瀝青混合料.

3 結論

(1)發(fā)生宏觀斷裂的AC-13瀝青混合料可以發(fā)生自愈合，在100℃環(huán)境中養(yǎng)護12h后，70#基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料愈合前后的強度恢復率可達到36%和45%，說明瀝青路面在冬季低溫環(huán)境中產(chǎn)生的宏觀裂縫在夏季高溫環(huán)境下能發(fā)生一定程度的自愈合.

(2)溫度和時間能提高瀝青混合料的自愈合能力，但并非溫度越高、時間越長，瀝青混合料自愈合能力越好.因自愈合機理不同，70#基質(zhì)瀝青混合料在溫度高于瀝青軟化點后，其自愈合性能有顯著提高；SBS改性瀝青混合料在溫度低于瀝青軟化點時已有較好的自愈合性能，在60℃時其強度恢復率可達20%上下.

(3)當70#基質(zhì)瀝青混合料的愈合溫度為60℃時，施加圍壓對試件自愈合性能的改善效果最佳，如當愈合時間為8h時，有圍壓試件的HI值是無圍壓試件HI值的4.5倍；SBS改性瀝青混合料在愈合溫度為40℃ 時，有圍壓試件的HI值與無圍壓試件的HI值之比在1.4～2.0范圍內(nèi)波動；當70#基質(zhì)瀝青混合料愈合溫度大于60℃、SBS瀝青混合料愈合溫度大于40℃時，施加外部壓力對瀝青混合料自愈合性能無顯著影響.

(4)當愈合溫度不大于60℃時，SBS改性瀝青混合料的自愈合性能顯著優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青混合料；當愈合溫度為60℃時，SBS改性瀝青混合料的HI值是70#基質(zhì)瀝青混合料HI值的4倍；當愈合溫度大于60℃時，2種瀝青混合料的自愈合性能無明顯差異.在不同溫度下，2種瀝青混合料表現(xiàn)出了不同的自愈合性能，該差異主要因2種瀝青混合料的自愈合機理不同所致.

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