瀝青混合料微裂縫自愈性能研究綜述

王林立 王通 潘鑫

摘要：基于國(guó)內(nèi)外有關(guān)瀝青混合料自愈的研究和報(bào)道，分別對(duì)瀝青混合料自愈研究成果、自愈機(jī)理、評(píng)價(jià)與測(cè)試方法、自愈能力改善等方面進(jìn)行了總結(jié)，為進(jìn)一步的系統(tǒng)研究提供幫助。

關(guān)鍵詞：自愈； 成果；機(jī)理；方法

1、概述

建于1939 年的阿爾及利亞瀝青混凝土斜墻壩漏水，在未加修理的情況下自我修復(fù)并停止漏水，這一現(xiàn)象引起了人們對(duì)瀝青混合料自愈性能的注意。1967 年，Bazin等人率先進(jìn)行了有關(guān)瀝青混合料自愈特性的研究，隨后多位學(xué)者、研究人員做了大量有關(guān)瀝青混合料自愈合研究。近50年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在瀝青混合料自愈特性和機(jī)理方面取得了巨大的成就。對(duì)于瀝青材料自愈合行為的進(jìn)一步合理解釋、量化評(píng)價(jià)以及自愈能力增強(qiáng)措施優(yōu)化具有深遠(yuǎn)的意義。

2、研究成果

國(guó)內(nèi)外研究人員在瀝青混合料自愈合方面已經(jīng)做了大量的研究，從不同角度證實(shí)了自愈的存在以及對(duì)瀝青混合料疲勞開裂壽命的顯著影響。

1967年，Bazin等率先報(bào)道了瀝青混合料疲勞損傷自愈合特性，并指出瀝青材料的自愈合即勁度和強(qiáng)度的一個(gè)復(fù)雜的自我修復(fù)過程，它發(fā)生在損害過程中，停歇狀態(tài)下或高溫期間。

2001年，White的研究團(tuán)隊(duì)提出微膠囊自愈合這一概念，通過環(huán)氧樹脂環(huán)境下微膠囊中的自愈和化學(xué)藥物產(chǎn)生觸變反應(yīng)實(shí)現(xiàn)自愈合。

2003年，Kim研究了受到剪切荷載的瀝青膠漿在間歇期內(nèi)的愈合情況，發(fā)現(xiàn)材料的疲勞壽命同樣有所增加。

2007年，Little和 Bhasin提出，瀝青材料裂縫的兩個(gè)界面一旦發(fā)生接觸，瀝青分子就會(huì)開始互相擴(kuò)散，直到裂縫完全關(guān)閉，材料力學(xué)性能得到恢復(fù)。

2009年，Garcia和Erik Schlangen首次提出電磁感應(yīng)加熱瀝青自愈合的概念。

2009年，Bommavaram等發(fā)現(xiàn)某些填料（如消石灰）可增強(qiáng)瀝青混合料的疲勞自愈合速率。

2010年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Liu通過試驗(yàn)驗(yàn)證了添加鋼絲絨的瀝青膠漿和多孔瀝青混合料通過感應(yīng)加熱愈合的可行性，并顯著改善了瀝青混合料的飛散損失。

2011年，Bhasin研究了在間歇期內(nèi)瀝青的老化和溫度對(duì)自愈的影響。結(jié)果表明老化對(duì)瀝青自愈有負(fù)面影響，而溫度的升高可以提高自愈效率。

2013年，東南大學(xué)楊軍等對(duì)瀝青混合料疲勞自愈合特性和關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示自愈率主要由瀝青膠結(jié)料性質(zhì)決定，瀝青含量與自愈合能力的關(guān)聯(lián)度較小。

2013年，天津工業(yè)大學(xué)的Su制備出一種新型微膠囊，試驗(yàn)結(jié)果顯示，這種微膠囊添加到瀝青混合料中，能加強(qiáng)其自愈效果。

3、自愈機(jī)理

目前，大量學(xué)者對(duì)瀝青自愈機(jī)理做了大量的研究。主要有以下幾種。

3.1 表面能理論

1984年，Schapery于1984年提出了基于表面能理論的瀝青自愈，并提出了材料斷裂定律和愈合定律。裂縫表面能理論模型表征了愈合速率與裂縫表面能之間的關(guān)系，但無法揭示裂縫愈合的過程，且相關(guān)參數(shù)的標(biāo)定需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)性研究。

3.2 表面擴(kuò)散理論

Phillops在Kim建立的擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)上提出了基于表面擴(kuò)散理論的瀝青自愈。裂縫表面擴(kuò)散理論模型從界面潤(rùn)濕和固有愈合兩方面表征了瀝青自愈合過程并建立了對(duì)應(yīng)的關(guān)系式，但其中參數(shù)獲得比較困難?；跀U(kuò)散模型的瀝青自愈機(jī)理研究主要借鑒聚合物材料的相關(guān)研究成果，其對(duì)于瀝青材料的適用性還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

3.3 毛細(xì)流動(dòng)理論

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的álvaro García提出了基于毛細(xì)流動(dòng)理論的瀝青混合料自愈合理論模型。毛細(xì)流動(dòng)理論模型在表面擴(kuò)散理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合毛細(xì)動(dòng)力學(xué)分析了毛細(xì)作用下的瀝青自愈合，但該模型要求瀝青處于牛頓流體狀態(tài)，因此對(duì)低溫下的瀝青自愈可能不再適用。

3.4 相變理論

瑞典皇家工學(xué)院道路和鐵道工程研究所的Butt等采用“相變理論”解釋了瀝青的自愈。瀝青不是人們?nèi)庋劭吹降木鶆蛭镔|(zhì)，而在其中存在“相分離”。隨著溫度的升高，瀝青膠體結(jié)構(gòu)會(huì)變得越來越均勻，瀝青依靠熱能或力學(xué)能量減少相分離而均勻化的特征就是瀝青自愈性能的基礎(chǔ)。

4、評(píng)價(jià)與測(cè)試方法

近五十年來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)瀝青自愈行為評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)試方法進(jìn)行了大量研究，主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有拉伸強(qiáng)度比、疲勞壽命比、變形恢復(fù)率、劈裂強(qiáng)度比、拉伸強(qiáng)度比、復(fù)數(shù)模量比、耗散蠕變應(yīng)變能變化率、復(fù)合剪切模量衰減和恢復(fù)率、模量比、循環(huán)加載次數(shù)比等。

5、自愈合增強(qiáng)技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于瀝青自愈增強(qiáng)技術(shù)主要有主動(dòng)增強(qiáng)和被動(dòng)增強(qiáng)兩種技術(shù)。其中微膠囊法、電磁感應(yīng)加熱法和噴灑修復(fù)劑法被廣泛研究。

6 、結(jié)語

有關(guān)瀝青自愈合行為的研究目前還處于試驗(yàn)研究階段，研究較為零散。有些研究結(jié)果存在爭(zhēng)議，有些甚至有悖于傳統(tǒng)的認(rèn)知。當(dāng)前，還沒有哪一種理論能夠全面地解釋瀝青自愈合行為，也沒有系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和測(cè)試方法，關(guān)于瀝青混合料自愈合能力的增強(qiáng)技術(shù)也并不完善。因此，系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)于瀝青自愈合行為的研究成果十分必要。

盡管在過去的50年內(nèi)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在瀝青及瀝青混合料自愈合方面的研究取得了巨大的成就，但尚有諸多技術(shù)難題有待解決。如：實(shí)施愈合養(yǎng)護(hù)的時(shí)機(jī)、誘導(dǎo)加熱的深度、加熱的均勻性、自愈合膠囊的強(qiáng)度、存活率等。有關(guān)瀝青混合料自愈的機(jī)理、表征方法以及增強(qiáng)技術(shù)等還有待進(jìn)一步系統(tǒng)地研究和完善。

參考文獻(xiàn)：

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[3]楊軍，龔明輝，王征。瀝青混合料疲勞自愈性多層次研究現(xiàn)狀，中國(guó)科技論文，2095-2783（2013）05-0435-06.

（作者單位：武漢市漢陽(yáng)市政建設(shè)集團(tuán)有限公司）