不同損傷度和愈合溫度條件下瀝青膠漿自愈合行為研究

樂金朝，張世興，樂明靜，李瑞霞

(鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

自愈合材料指其本身具有修復損傷能力的材料。瀝青混合料的自愈合行為是指在荷載間歇期，瀝青混合料中的微裂縫由于瀝青分子的浸潤、擴散等運動而自動愈合，性能逐漸恢復[1]。而巖瀝青是一種天然瀝青，可以將它作為改性劑摻入到瀝青混合料中，從而使其表現(xiàn)出優(yōu)良的路用性能[2]?，F(xiàn)如今，疲勞開裂問題已是瀝青路面在使用期間的主要損傷之一。因此，可以在道路工程中利用瀝青材料的自愈合性能對瀝青路面進行及時養(yǎng)護，從而有效延長路面的疲勞壽命。

關于瀝青自愈合方面的研究首先是針對瀝青膠結材料，由于瀝青膠漿在瀝青混合料中主要起黏結填充作用[3]，因此其對瀝青混合料的性能具有重要影響。近些年來，部分學者已經(jīng)開始對瀝青膠漿的自愈性展開了研究。張宏等[4]通過室內試驗對瀝青膠漿流變性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)溫度等因素對瀝青膠漿流變性能具有較大影響；馬曉燕等[5]通過LAS試驗對瀝青膠漿的疲勞壽命進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著填料體積分數(shù)的增加，瀝青膠漿的疲勞壽命減??；姜皖[6]利用動態(tài)剪切流變儀對瀝青膠漿進行疲勞-愈合-再疲勞試驗，且采用能量法評價瀝青膠漿的自愈合性能，發(fā)現(xiàn)老化后的瀝青膠漿的自愈合性能較基質瀝青膠漿相差很大；Shen等[7]借助DSR研究自愈合性能的影響因素，表明加載應力水平、瀝青類型、愈合時間及愈合溫度對自愈合能力影響明顯；崔亞楠等[8]通過疲勞-愈合-再疲勞試驗指出SBS改性瀝青膠漿較基質瀝青膠漿自愈合性能更好，過大或過小的粉膠比對瀝青膠漿的自愈合性能均會造成不良影響。上述的研究成果有效地推動了瀝青膠漿自愈合行為的研究進展，但是這些研究大多集中于自愈合性能評價指標和影響因素，而沒有深入分析瀝青膠漿在間歇期自愈合行為的演變過程?？紤]到瀝青膠漿的自愈合行為是一個較為緩慢的過程，在間歇期的不同階段內，由于受到瀝青類型、愈合溫度、損傷度等影響，自愈合性能呈現(xiàn)出不同的規(guī)律性[9]?；谏鲜龇治觯P者以兩種瀝青膠漿作為研究對象，在多種損傷度下開展疲勞-自愈合試驗，并且在不同愈合溫度條件下，觀測其性能變化過程，從而期望更深入地了解瀝青膠漿自愈合行為的演化規(guī)律。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

本試驗采用70號基質瀝青和摻量質量分數(shù)為10%的伊朗巖瀝青改性瀝青[10]，兩者的基本技術指標如下：25 ℃的針入度分別為65.3 (0.1 mm)、32.0 (0.1 mm)；針入度指數(shù)分別為-1.09、-0.64；5 ℃下延度分別為42.5 cm、11.3 cm；軟化點分別為48.4 ℃、57.5 ℃。礦粉選用石灰?guī)r礦粉。參考相關文獻[11]，利用高速剪切乳化機制備粉膠比為1的基質瀝青膠漿和巖瀝青膠漿。

1.2 試驗方法

1.2.1 疲勞試驗

采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)開展瀝青膠漿的疲勞試驗。根據(jù)相關研究成果[12]，采用直徑為8 mm、間隙為2 mm的平行板，試驗溫度為25 ℃，試驗頻率為10 Hz，應變?yōu)?%。根據(jù)式(1)計算瀝青膠漿的損傷度D，

D=1-Gb/Gi，

(1)

式中：D為損傷度，%；Gi為初始復數(shù)模量，Pa；Gb表示愈合前的復數(shù)模量，Pa。

1.2.2 愈合監(jiān)測試驗

當瀝青膠漿達到設定損傷度后對其停止加載，通過調整試驗溫度，使瀝青膠漿在不同溫度下自動愈合[9]。每5～20 min監(jiān)測一次瀝青膠漿的性能。為了減小對瀝青試件性能的影響，監(jiān)測時采用小應變(0.001%)[13]。當試件的愈合指數(shù)等于1，或愈合指數(shù)增長的速率小于0.001/min時終止試驗?；|瀝青膠漿與巖瀝青膠漿均在10 Hz、25 ℃下進行疲勞試驗，愈合溫度分別選取15、20、25、30 ℃，在4種溫度下均開展損傷度為20%的疲勞-自愈合試驗。此外，在25 ℃下還開展損傷度分別為40%、50%、55%、60%、80%的疲勞-自愈合試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 愈合時間的影響

為了分析瀝青膠漿的自愈合行為，筆者將采用式(2)作為愈合評價指標[10]。

(2)

式中：HI為愈合指數(shù)；Gi為試驗開始時的復數(shù)剪切模量，Pa；Gb為自愈合行為發(fā)生前的復數(shù)剪切模量，Pa；Ga為自愈合發(fā)生后的復數(shù)模量，Pa。

選取愈合溫度25 ℃，損傷度20%下基質瀝青膠漿和巖瀝青膠漿的愈合監(jiān)測曲線作為典型，以此來深入探尋在愈合時間增長條件下，荷載間歇期內瀝青膠漿自愈合性能的變化規(guī)律，如圖1所示。由圖1可以看出，基質瀝青膠漿和巖瀝青膠漿的愈合指數(shù)均隨著愈合時間的增加而增大，且愈合曲線形態(tài)均呈現(xiàn)“兩段”型：自愈合穩(wěn)定前的增長發(fā)展型曲線和自愈合穩(wěn)定后的穩(wěn)定型曲線。其中，增長發(fā)展型曲線為“半拋物線”形，隨著間歇期的增加，曲線的斜率逐漸降低，并且可以發(fā)現(xiàn)自愈合行為早期速率遠遠大于愈合后期速率。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是隨著瀝青膠漿性能的恢復，損傷試件的性能已接近原始狀態(tài)，從而導致愈合速率降低，瀝青膠漿的自愈合行為減弱；另一方面，在瀝青膠漿愈合的初期階段，會受到觸變性的影響[16]，此時復數(shù)剪切模量的恢復由自愈性和觸變性兩種作用共同疊加，因此愈合速率初期大于后期。自愈合穩(wěn)定后的穩(wěn)定型曲線幾乎呈水平狀，此時瀝青膠漿達到了最大的愈合能力，其性能的恢復已經(jīng)趨于穩(wěn)定。此外，有個別瀝青試件的愈合指數(shù)HI略大于1，初步認為可能是由于瀝青材料空間硬化造成的[15]。

圖1 瀝青膠漿典型愈合曲線Figure 1 Typical self-healing curves of asphalt mortar

2.2 愈合溫度的影響

繪制不同溫度條件下?lián)p傷度為20%的兩種不同瀝青膠漿的自愈合變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同愈合溫度下瀝青膠漿愈合曲線Figure 2 Self-healing curves of asphalt mortar under different temperature

不同溫度下兩種瀝青膠漿自愈性可以從圖2曲線中直觀看出。中溫階段基質瀝青膠漿和巖瀝青膠漿兩種材料的愈合曲線均上升，表示中溫階段的溫度對瀝青膠漿的自愈合行為具有一定作用，但作用程度不同。處于中溫范圍內升高溫度，能增大瀝青膠漿的愈合速率，使瀝青膠漿盡快達到愈合峰值，變?yōu)榉€(wěn)定。因此，在實際工程中，為充分利用瀝青材料的自愈性，可以采用熱誘導[16]的方式來提高自愈合的速率。

通過進一步深入分析可以發(fā)現(xiàn)，在中溫范圍內，溫度的逐漸升高對瀝青膠漿自愈合性能的促進并不能夠無限增長，而是越來越弱。兩種瀝青膠漿的愈合溫度從25 ℃增長到30 ℃，愈合曲線已經(jīng)變得較為接近，達到愈合穩(wěn)定的時間僅相差約40 min。通過研究認為在中溫范圍內，溫度對自愈速率具有重要影響，但對愈合指數(shù)最終穩(wěn)定值的影響則微弱。在溫度為15 ℃、20 ℃條件下，當試驗結束時，基質瀝青膠漿和巖瀝青膠漿的自愈合曲線的斜率均大于0，HI分別為0.534、0.748、0.715、0.914，若給予足夠的間歇時間，愈合指數(shù)可能增長到1。

2.3 損傷度的影響

圖3給出了在愈合溫度25 ℃下不同損傷度兩種瀝青膠漿自愈合發(fā)展曲線。在不同損傷度下，兩種瀝青膠漿均表現(xiàn)出了自愈性，即便在高損傷度條件下，瀝青膠漿依舊發(fā)生了自愈合行為[17]。由于損傷度的增大，瀝青膠漿中的微裂紋變長、變寬，瀝青膠漿分子的毛細作用速率逐漸減小，分子擴散距離也隨之變長，因此損傷度的增大降低了愈合速率。通過研究認為，損傷度的增加不僅會影響瀝青膠漿的自愈合速率，而且會改變自愈合穩(wěn)定狀態(tài)。在圖3中能夠明顯地看到愈合溫度為25 ℃的基質瀝青膠漿分別在不同損傷度(20%、40%、50%)條件下，仍能恢復到初始完整狀態(tài)，而從D=55%開始，愈合指數(shù)明顯低于1且已達到愈合穩(wěn)定狀態(tài)，表明其無法恢復到初始狀態(tài)。同樣試驗現(xiàn)象在巖瀝青膠漿試驗結果中也可獲得，但巖瀝青膠漿則從D=60%開始，愈合指數(shù)上升不到1。由以上分析可以看出，初始損傷程度增大，瀝青膠漿的自愈合性能降低，其損傷度存在一定的閾值。當瀝青膠漿的損傷度小于該閾值損傷度時，其仍然具有恢復至原始狀態(tài)的愈合能力，經(jīng)歷一段間歇期，瀝青膠漿可以完全恢復；但當瀝青膠漿的損傷度大于該閾值損傷度時，瀝青膠漿則無法恢復到原始狀態(tài)，也即無論愈合時間的長短，愈合穩(wěn)定后其愈合指數(shù)HI均小于1。當溫度為25 ℃時，基質瀝青膠漿的閾值損傷度為50%，而巖瀝青膠漿的閾值損傷度則略高于基質瀝青膠漿，為55%。

圖3 不同損傷度下瀝青膠漿愈合曲線Figure 3 Self-healing curves of asphalt mortar under different damage degrees

2.4 瀝青類型的影響

巖瀝青很大程度上改變了瀝青的性能，為了深入探究瀝青類型對瀝青膠漿自愈合行為的影響，在25 ℃下使瀝青膠漿愈合，選取低于和高于閾值損傷度的典型愈合曲線進行研究，如圖4所示。當小于閾值損傷度時，巖瀝青的摻入，增大了愈合效率及速率，使瀝青膠漿加速恢復到初始狀態(tài)；而大于閾值損傷度時，不僅提升了愈合速率和效率，而且提高了瀝青膠漿的愈合能力，使膠漿能夠恢復到接近疲勞前的狀態(tài)。

圖4 不同瀝青膠漿愈合曲線Figure 4 Self-healing curves of different asphalt mortar

為了探究瀝青膠漿疲勞自愈合行為在巖瀝青影響下的作用機理，使兩種瀝青膠漿在不同條件下愈合0.1 min，所得結果見表1。由表1和圖4可得，愈合初始階段巖瀝青膠漿愈合指數(shù)較低，但其愈合曲線斜率較大，愈合指數(shù)增長速度較快，短時間后巖瀝青膠漿的愈合指數(shù)將大于基質瀝青膠漿的愈合指數(shù)。

表1 不同條件下瀝青膠漿愈合指數(shù)Table 1 Healing index of asphalt mortar under different conditions

瀝青膠漿的自愈行為包含兩部分：由毛細作用引起的分子潤濕黏附性愈合和由分子擴散引起的黏聚性愈合[18]，停止荷載后，在很短時間內潤濕黏附性愈合便可完成，間歇期內主要進行分子黏聚性愈合。由表1和圖4對比可得，巖瀝青降低了瀝青膠漿的分子潤濕黏附性愈合能力，但同時增強了分子黏聚性愈合能力。由此可以推知，加入巖瀝青會吸收瀝青中的輕質組分，使其形成連續(xù)結構，此時膠漿分子流動性降低，分子間作用力增大，表現(xiàn)為瀝青膠漿變硬[19]。同時其毛細作用減弱體現(xiàn)在愈合過程中巖瀝青膠漿潤濕黏附性愈合能力降低。雖然巖瀝青膠漿的分子流動性降低，導致擴散速率減慢，但是微裂縫寬度與分子間作用力有關,這也是黏聚性愈合強度的影響因素之一[20]，因此巖瀝青摻入后，分子作用力提升，黏聚性愈合強度得到增強，愈合效率得到顯著提升。綜上所述，巖瀝青的摻入，會顯著增強瀝青膠漿的愈合能力。

3 結論

(1)當愈合溫度和損傷度相同時，隨著愈合時間的延長，瀝青膠漿的愈合形成“兩段”型的曲線，即增長型曲線(呈“半拋物線”狀)和穩(wěn)定型曲線(呈“水平”狀)，且曲線總體呈增長趨勢。

(2)隨著愈合溫度的提高，瀝青膠漿在中溫范圍內的愈合速率隨之增強，但溫度對該愈合速率的促進作用則逐漸減小。

(3)瀝青膠漿存在閾值損傷度。在疲勞損傷達到閾值損傷度之前，瀝青膠漿能夠通過自愈合恢復到原始狀態(tài)；而一旦超過閾值損傷度，則難以恢復到原始狀態(tài)。其中，在25 ℃條件下，基質瀝青膠漿的閾值損傷度為50%，巖瀝青膠漿的閾值損傷度為55%。

(4)巖瀝青降低了瀝青膠漿的初期潤濕黏附性愈合能力，但同時提高了分子黏聚性愈合能力，因此，整體上講，巖瀝青的摻入有利于增強瀝青膠漿的愈合性能。