瀝青混合料疲勞自愈性能關(guān)鍵影響因素

楊飆

摘 要：為能分析出不同瀝青混合料疲勞自愈性能影響因素的水平，本文主要是分析了瀝青混合料自愈合的機理以及特征，在此基礎(chǔ)上講解了原材料和瀝青混合料的組成設(shè)計，最后探討了影響到自愈合的影響因素和可行性的解決措施，望能為有關(guān)人員提供到一定的參考和幫助。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料;自愈性能;因素分析

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A

0 前言

瀝青混合料的疲勞開裂問題指的是在重復(fù)荷載作用下其的力學(xué)性能等都發(fā)生了衰減的情況，疲勞裂紋的生產(chǎn)以及發(fā)展最終會變成裂縫。而瀝青混合料自愈指的是混合料在一定情況下通過自身的作用使得疲勞壽命能夠得以延長，其是疲勞破壞的逆過程。

1 瀝青混合料自愈合機理

瀝青混合料的疲勞損傷自愈機理本質(zhì)上是瀝青混合料在裂縫界面上的界面滲透和吸附。它是由氫鍵和分子范德華力在裂紋界面上形成的化學(xué)吸附作用驅(qū)動的，自發(fā)地降低表面能和分子擴散以實現(xiàn)裂紋修復(fù)行為。目前的國內(nèi)外對瀝青混合料自愈合性能的測試方法主要有動態(tài)剪切流變試驗、直接拉伸試驗、間接拉伸試驗、四點彎曲疲勞試驗、瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CT掃描觀察等等，主要評價指標包括彈性模量、疲勞壽命、抗拉強度比等。

2 瀝青混合料疲勞愈合特性

從力學(xué)角度看，瀝青的粘彈性力學(xué)性能隨加載溫度和加載頻率的變化而變化。在實際環(huán)境中，瀝青的疲勞特性比純彈性材料更為復(fù)雜，這使得瀝青的疲勞特性建立在力學(xué)理論的基礎(chǔ)上。在不同的荷載條件下，瀝青的疲勞建模變得困難。瀝青混合料和瀝青的疲勞性能一直是學(xué)者們關(guān)注的焦點。但從實際應(yīng)用的角度來看，根據(jù)研究成果的指導(dǎo)價值，其影響很小，甚至缺乏相應(yīng)的測試方法。溫度和頻率的變化對瀝青的動態(tài)剪切模量和相角有著很大的影響。不同的加載方法或應(yīng)力水平將導(dǎo)致瀝青的疲勞壽命不同。因此有必要研究瀝青的疲勞性能，這樣才可以考慮到這些因素的影響，為能夠有效解決瀝青路面的疲勞開裂提供了一個全新的思路。提高瀝青路面的自愈能力對延長瀝青路面的使用壽命具有重要意義。它是一種有用的瀝青和瀝青混合料。在研究材料的疲勞性能的時候應(yīng)當(dāng)考慮自我修復(fù)性能對延長疲勞壽命的影響。瀝青在受到不同程度的破壞后，裂縫的大小也會有所不同，這會直接的影響到瀝青的愈合難度和速度。因此有必要對瀝青自修復(fù)的時間間隔進行研究。溫度是影響分子擴散速率的重要因素，瀝青分子在裂縫邊緣的動態(tài)自由運動速率會改變裂縫的擴展速率，瀝青的自愈合程度也會受到了溫度的影響。瀝青材料的疲勞開裂是瀝青的主要破壞形式之一。它指的是流量的演變和累積加載。加載瀝青混合料中的第一個微裂紋稱為裂紋擴展區(qū)域。在一個時間到了瀝青混合料的應(yīng)力松弛發(fā)生在應(yīng)力松弛過程中區(qū)域。依據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外的相關(guān)研究，選擇了幾種適合電磁感應(yīng)瀝青混合料的感應(yīng)材料：鋼纖維、鋼砂和瀝青石墨?；旌衔镌谘芯繃鴥?nèi)外這三種材料的設(shè)計方法的基礎(chǔ)上能夠結(jié)合到國內(nèi)道路的發(fā)展現(xiàn)狀，選擇一些較為合適的材料制備可靠的瀝青，并對三種最優(yōu)材料的組成和設(shè)計方法進行了探討，疲勞綠色瀝青混合料和普通瀝青混合料的性能。

3 原材料與瀝青混合料組成設(shè)計

瀝青混合料有必要進行技術(shù)指標研究、配合比設(shè)計和復(fù)合材料制備技術(shù)。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)主要用于修復(fù)人行道上的瀝青裂縫。為能夠與工程實踐緊密結(jié)合然后選擇了我國最常用的AC-13稠密瀝青混合料，并使用鋼砂和石墨作為電磁感應(yīng)材料來制備感應(yīng)來加熱瀝青的混合料。

3.1 原材料

瀝青是道路的工程中應(yīng)用最為廣泛的一種路面結(jié)構(gòu)膠凝材料。它有著較為良好的粘附性、彈塑性和耐水性，并提供骨料之間的粘結(jié)功能。瀝青類型的選擇應(yīng)考慮天氣條件和交通條件。為能夠有效避免改性瀝青的老化對混合料修補性能的影響，必須依據(jù)我國瀝青路面的現(xiàn)狀和研究基礎(chǔ)，選擇瀝青種類。在瀝青混合料中，礦物粉末的主要功能是吸收瀝青，從而使瀝青具有更好的附著力和強度，使骨料可以整體粘結(jié)。礦物粉末的性能也會影響瀝青混合料的性能。通常需要干燥，無雜質(zhì)并且具有良好的穩(wěn)定性。鋼砂是通過粉碎碎屑而形成的細鋼粒，有著硬度適中、耐沖擊、韌性強以及價格低廉等方面優(yōu)勢，已被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)。鋼砂的形狀為多邊形，表面粗糙，因此是一種出色的電磁感應(yīng)材料。鋼砂的粒度可分為兩種。石墨是原子的同素異形體碳。它具有高導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性導(dǎo)電性導(dǎo)電率是普通非金屬材料的100倍礦物。它的導(dǎo)熱系數(shù)比鋼，鐵，鉛和其他金屬材料。它是一種理想的道路導(dǎo)電填料。根據(jù)就其形態(tài)而言，石墨可分為片狀結(jié)晶石墨和土狀隱晶質(zhì)石墨兩種類型。研究發(fā)現(xiàn)，片狀石墨能有效地提高到了其的導(dǎo)電性，而隱晶態(tài)石墨則不能。

3.2 瀝青混合料組成設(shè)計

依據(jù)礦物材料的級配可以將瀝青混合料可分為了懸浮密實結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)和骨架密實結(jié)構(gòu)這幾種類型。不同的結(jié)構(gòu)型式會直接的影響到了瀝青混合料的整體性能。當(dāng)前電磁感應(yīng)加熱的技術(shù)主要是用于在瀝青路面裂縫的修補中。而在我國瀝青路面最常使用到的結(jié)構(gòu)形式是懸浮密實結(jié)構(gòu)。瀝青集料比是瀝青與礦物材料的質(zhì)量比。它對瀝青混合料的性能有很大的影響。瀝青混合料的重要影響是瀝青集料比過大，即瀝青含量過大的情況下易引起瀝青混合料的車轍和起油。如果油石比太小，很容易造成耐久性等問題。

4 瀝青混合料的疲勞特性

疲勞試驗方法能夠分成室內(nèi)疲勞試驗、滿量程試驗和道路疲勞損傷這幾種類型。而在室內(nèi)疲勞的試驗方法有幾種，其中包括了反復(fù)彎曲試驗，反復(fù)三軸或單軸拉伸壓縮試驗，彈性地基支撐彎曲試驗和直接拉伸試驗，四點彎曲疲勞試驗該試驗?zāi)芨玫胤从硨嶋H壓力狀態(tài)，可直接應(yīng)用于道路設(shè)計，因此得到了廣泛的應(yīng)用。瀝青混合料疲勞特性的分析方法可分為三類。第一類是現(xiàn)象學(xué)方法，即由累積強度衰減引起的疲勞損傷;第二類是力學(xué)方法，它使用斷裂力學(xué)原理來分析疲勞裂紋;第三類是能量方法，它是從疲勞強度分析疲勞損傷的方法。能量耗散的角度。最常見的方法是重復(fù)彎曲測試。盡管間接拉伸測試方法很簡單，并且樣品的應(yīng)力狀態(tài)更符合現(xiàn)場路面的實際情況，但是由于測試過程中樣品兩端的局部位移較大，所以位移會改變樣品的應(yīng)力狀態(tài)并影響數(shù)據(jù)測試的準確性。重復(fù)彎曲試驗方法能夠充分的反映實際路面的疲勞應(yīng)力狀態(tài)，使用各種應(yīng)力或應(yīng)變控制方法更好地反映路面的疲勞應(yīng)力狀態(tài)。

5 自愈合的影響因素

根據(jù)分子擴散理論，瀝青疲勞裂縫的驅(qū)動力主要來自分子范德華力的吸附和裂縫處氫鍵的形成接口。由此可見，瀝青自愈合的每一步都與瀝青的物理化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)瀝青路面四點彎曲疲勞試驗比較了不同SBS瀝青含量梁試件的剛度模量和疲勞壽命恢復(fù)率。試驗結(jié)果表明通過增加瀝青用量可以增加裂紋尖端附近的瀝青用量，降低裂紋擴展的可能性，從而減少瀝青的破壞，提高瀝青的養(yǎng)護率。通過驗證和分析，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，孔隙度與疲勞壽命的自然對數(shù)呈負相關(guān)，疲勞壽命的自然對數(shù)仍與經(jīng)過差分處理后的對數(shù)相同。從數(shù)學(xué)的角度來看，其中孔隙率也會影響疲勞壽命的變化率。楊軍等人發(fā)現(xiàn)靜載下瀝青混合料的自愈合速率與靜載下明顯不同。靜載時間對瀝青混合料的疲勞自愈合性能有很大影響。董陽武對自愈的定義是：在上述溫度下的玻璃化轉(zhuǎn)變過程中，當(dāng)兩種相同材料的界面接觸時，界面會逐漸消失。在時間限制為10 min時裂紋會愈合，界面的機械強度降低，顆粒在界面的擴散也會減小。

6 提高瀝青混合料自愈合潛能措施

瀝青混合料的自愈不僅發(fā)生在靜止時期，而且還發(fā)生在材料裝載過程中。兩者的修復(fù)速度不同。其余時間段對瀝青混合物的疲勞自修復(fù)性能具有重要影響。一般來說，在實驗中，通過室內(nèi)試驗獲得的瀝青混合料的疲勞裂紋壽命僅是實際疲勞裂紋壽命的一部分，之所以如此之大，是因為在實際的道路交通條件下，路面的負荷不連續(xù)。在間歇載荷下，瀝青混合料具有自愈能力，從而減少了瀝青混合料內(nèi)部裂縫的發(fā)生并延長了混合料的疲勞壽命。

7 結(jié)束語

由上可知，瀝青混合料疲勞損傷的過程較為復(fù)雜，其容易受到材料自身的影響，同時還會受到恢復(fù)時間、溫度等方面因素的影響。高損傷愈合能力的瀝青混合料對瀝青混合料進行被動供給是能夠有效提升混合料損傷愈合能力的重要途徑，但其中還存在了許多技術(shù)上的難題需要研究人員去共同解決。

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