自愈合微膠囊在RAS瀝青混合料中的應(yīng)用

郭自燦

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000）

0 引 言

瀝青混凝土路面在溫度和荷載的作用下會產(chǎn)生微裂縫，研究表明這種微裂縫在常溫下可以自發(fā)進(jìn)行愈合，但速度非常緩慢[1]，瀝青混合料的自愈合性能會修復(fù)瀝青混凝土路面由溫度裂縫和疲勞裂縫等引發(fā)的病害[2]，因此會提高瀝青混凝土路面的服務(wù)壽命，減少路面的養(yǎng)護(hù)和修復(fù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)效益。因此提高瀝青混凝土路面的愈合率是延長路面服務(wù)壽命的一種好方法[3]。近年以來，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。Qiu等[4]研究了分子以及納米水平的聚合物材料增強(qiáng)瀝青混合料自愈合性的方法，并對各種方法的優(yōu)缺點進(jìn)行了比較；Su等[5]將瀝青再生劑微膠囊化并加入到混合料中發(fā)現(xiàn)可以提高瀝青路面的愈合效率，并增加了瀝青的自愈合速率，延長了路面的使用壽命[6]；García等[7]使用多孔砂作為再生劑的載體并制備了微膠囊，對摻微膠囊的瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，微膠囊破裂釋放出的再生劑提高了瀝青混合料的自愈合性能。

Zhou F等[8]在瀝青混合料中使用回收瀝青（RAS）替代部分原材料，從而降低瀝青混合料的生產(chǎn)成本，提高瀝青路面的性能。因此，可以在RAS瀝青混合料中加入再生劑或自愈合微膠囊，以研究其自愈合性能。本文通過彎曲梁流變試驗、三點彎曲試驗和對混合料裂縫進(jìn)行觀測，研究了不同RAS混合料的自愈合特性，并對所制備微膠囊的熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 試驗

1.1 原材料

（1）制備微膠囊用材料

尿素、37%甲醛溶液、氯化銨：均為分析純，武漢金石化工有限公司。聚氨酯（PU）、苯乙酸乙酯（EPA）、聚乙烯-馬來酸酐共聚物（EMA）：均為分析純，武漢力太化工有限公司。

（2）室內(nèi)試驗研究用材料

SK90#瀝青：其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。粗集料（玄武巖碎石）和細(xì)集料（石灰?guī)r機(jī)制砂）：均來源于施工拌和站，經(jīng)檢測各項指標(biāo)符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求，主要技術(shù)指標(biāo)見表2?？ㄗ延停何锢韷赫シㄉa(chǎn)，山東魯花集團(tuán)有限公司。RAS：由武漢理工大學(xué)土木工程專業(yè)綜合實驗平臺提供，各成分含量分別為：瀝青19%～36%、玻璃纖維2%～15%、砂石20%～38%、礦粉和穩(wěn)定劑8%～40%。

表1 SK90#瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

表2 集料的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試樣制備

1.2.1 微膠囊制備

使用原位聚合法對雙壁微膠囊進(jìn)行設(shè)計[9－10]，以葵花籽油為芯材。微膠囊的制備技術(shù)路線如下：在500 mL的燒杯中將25 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的EMA溶液加入到200 mL去離子水，然后加入2.5 g尿素，0.25 g苯乙酸乙酯和0.25 g氯化銨，將盛滿溶液的燒杯放置在熱陶瓷板頂部以1000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌。將水溶液的pH值調(diào)節(jié)至3.5。在小燒杯中，將20 g再生劑與30 mL的EPA和5 g PU混合，然后緩慢加入到大燒杯的溶液中。最后向溶液中加入6.3 g的37%甲醛溶液，升溫至55℃。將溶液在此溫度下以1000 r/min攪拌4 h。攪拌完成后，將溶液冷卻至室溫即制得微膠囊。圖1為所制備微膠囊的SEM照片。

圖1 微膠囊的SEM照片

1.2.2 瀝青混合料制備

以葵花籽油為再生劑，使用馬歇爾擊實法設(shè)計制備了4種不同的AC-13瀝青混合料（見表3），混合料合成級配如表4所示，混合料油石比為5.0%，空隙率為5.0%，馬歇爾試驗方法按照J(rèn)TG F40—2004、JTG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進(jìn)行。

表3 AC-13瀝青混合料試樣

表 4 AC-13瀝青混合料合成級配

1.3 性能測試方法

（1）微膠囊的熱穩(wěn)定性：采用上海天美RZY-2型熱重分析（TGA）儀對雙壁微膠囊的熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究[11]，加熱速率為20℃/min；通過掃描電子顯微鏡（SEM）對在烘箱中以163℃加熱2 h前后的微膠囊進(jìn)行了觀測。

（2）低溫勁度：采用美國CANNONTE型彎曲梁流變儀（BBR）分別在3種不同的溫度（-18℃、-12℃和-6℃）下測量4種瀝青試樣的低溫勁度[12]。

（3）三點彎曲試驗：根據(jù)JTG E20—2011將輪碾成型后的混合料試樣切割為長×寬×高＝（250±2.0）mm×（30±2.0）mm×（35±2.0）mm的棱柱體小梁，跨徑為（200±0.5）mm。使用SYD-0715型三點彎曲試驗機(jī)測試混合料的抗彎強(qiáng)度[13]。在應(yīng)變控制模式下以0.25 mm/min的速率在試樣的頂部中點施加載荷。首先對完好的試樣測量其初始勁度，然后對試樣施加荷載直到試樣底部產(chǎn)生裂縫，即獲得破裂試樣，測量破裂試樣的勁度記錄為破裂勁度，最后將破裂試樣置于室溫（25℃）和烘箱溫度（50℃）下分別養(yǎng)護(hù)愈合6 d，取出并測量在不同愈合條件下試樣的愈合勁度。使用勁度恢復(fù)比（SRR）來評價試樣的愈合效果，勁度恢復(fù)比按式（1）計算：

（4）愈合效率：將破裂的試樣（破裂試樣為本節(jié)三點彎曲試驗中，施加荷載直到試樣底部產(chǎn)生裂縫后的試樣）分別置于室溫（25℃）和烘箱中（50℃）養(yǎng)護(hù)，使用光學(xué)顯微鏡分別在第0、3、6 d觀測混合料裂縫的愈合程度。使用愈合效率評價試樣的愈合程度，愈效率按式（2）計算：

2 結(jié)果與討論

2.1 微膠囊的熱穩(wěn)定性分析（見圖2、圖3）

圖2 微膠囊的熱重分析

由圖2可知，在231℃時的最大質(zhì)量損失率為0.4%/℃；在427℃的最大損失率為0.9%/℃，質(zhì)量損失溫度均高于瀝青混合料的生產(chǎn)溫度，在100℃下微膠囊的質(zhì)量損失小于5%，所以在混合料的生產(chǎn)過程中微膠囊的熱穩(wěn)定性良好[14]。

圖3 加熱前后微膠囊的SEM照片

由圖3可見，加熱前后的微膠囊微觀形貌基本沒有發(fā)生變化。

2.2 彎曲流變試驗

試樣的勁度和m值測試結(jié)果見圖4。

圖4 瀝青試樣的勁度和m值

由圖4可見，各試樣的勁度均隨著試驗溫度的升高而降低。4#試樣的勁度最小，說明微膠囊降低了瀝青的勁度。與1#試樣相比，加入RAS的2#試樣的勁度和m值均有所增加，由圖4（b）可見，摻入RAS和再生劑對瀝青的m值影響較小。

2.3 三點彎曲試驗（見表5）

表5 混合料的勁度恢復(fù)比

由表5可見，室溫下3#試樣的勁度可以恢復(fù)到其初始勁度的1.64倍，可見其自愈性能最好，而4#試樣勁度僅恢復(fù)到其初始勁度的75%。在烘箱中，愈合試樣的勁度均高于初始勁度，這可能是由于烘箱中溫度較高使得瀝青老化變硬造成的[15]。

2.4 試樣愈合效率

圖5和圖6為各試樣分別在室溫和烘箱養(yǎng)護(hù)條件及不同養(yǎng)護(hù)時間下，寬度大于400 μm裂縫愈合的顯微圖像。

圖5 室溫下試樣裂縫寬度的變化

圖6 烘箱中試樣裂縫寬度的變化

由圖5和圖6可知，隨著時間的延長，試樣的裂縫寬度逐漸變小，試樣逐漸愈合。

不同試樣的愈合效率如圖7所示。

圖7 不同試樣的愈合效率

由圖 7（a）和（b）可知，1#和 2#試樣的愈合效率最差，3#試樣自愈合性能最好，裂紋寬度小于400 μm時的愈合效率為82.7%，裂紋寬度大于400 μm時愈合效率為83.6%。4#試樣裂紋寬度小于400 μm時的愈合效率為78.8%，裂紋寬度大于400 μm時愈合效率為80.3%。結(jié)合表5中室溫下?lián)饺朐偕鷦┑?#試樣自愈性能最好的現(xiàn)象，可以認(rèn)為3#試樣中的再生劑均勻地分散在混合料中，可以在混合料中任何有裂縫產(chǎn)生的地方立即發(fā)揮作用，增強(qiáng)了混合料的自愈合性；而4#試樣中的再生劑是由于微裂紋的出現(xiàn)引起膠囊破裂而發(fā)生作用的，該過程進(jìn)行比較緩慢，且只有當(dāng)試樣產(chǎn)生裂縫時再生劑才能得以釋放進(jìn)而發(fā)揮作用[16]。

由圖7（c）和（d）可知，在烘箱中養(yǎng)護(hù)的4#試樣，養(yǎng)護(hù)時間為6 d時，裂紋寬度小于400 μm時的愈合效率為77.8%，裂紋寬度大于400 μm時愈合效率為71.8%?？梢娕c烘箱中的試樣相比，在室溫下養(yǎng)護(hù)的試樣愈合效率更高。在不同的愈合條件下，愈合效率在第1 d時相差最大，隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長差異逐漸變小。

3 結(jié)論

（1）微膠囊的熱穩(wěn)定性良好，在混合料的生產(chǎn)拌和過程中仍保持良好的狀態(tài)。

（2）微膠囊的摻入降低了RAS瀝青的低溫勁度；隨養(yǎng)護(hù)時間的延長試樣均明顯愈合，摻入再生劑的3#試樣愈合性能最好。

（3）摻微膠囊試樣在室溫下較烘箱中的愈合效率更高；不同愈合條件下試樣的愈合效率隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長逐漸增大。