海藻酸鈣微膠囊對(duì)密級(jí)配瀝青混合料力學(xué)性能和自愈合性能的影響

萬(wàn)偉

摘要：文章將不同比例的微膠囊（0、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%）摻入瀝青混合料中，研究了不同摻量下瀝青混合料的間接抗拉強(qiáng)度、顆粒損失、疲勞壽命和自愈合等性能，評(píng)價(jià)了海藻酸鈣微膠囊對(duì)密級(jí)配瀝青混合料力學(xué)性能和自愈合性能的影響。結(jié)果表明：海藻酸鈣微膠囊的加入對(duì)密級(jí)配瀝青混合料的力學(xué)性能有影響，隨著微膠囊摻量的增加，瀝青混合料的平均ITS值先增大后降低，摻量為0.5%時(shí)達(dá)到最大值0.64 MPa;微膠囊的加入對(duì)混合料的顆粒損失特性與疲勞特性有影響，當(dāng)摻量<0.5%時(shí)，混合料的疲勞壽命增加，顆粒損失率出現(xiàn)小幅度增長(zhǎng);當(dāng)摻量>0.5%時(shí)，疲勞性能低于普通混合料，且顆粒損失率急速增加;微膠囊的摻加顯著增加了密級(jí)配瀝青混合料的自愈合能力，且摻量越高，愈合水平越大;混合料愈合水平隨著愈合時(shí)間的增大而增大，在96 h后達(dá)到最大值且穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：微膠囊;密級(jí)配瀝青混合料;間接抗拉強(qiáng)度;顆粒損失;疲勞壽命;愈合水平

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U416.03文章標(biāo)識(shí)碼：A080295

0 引言

在世界大部分地區(qū)，瀝青混合料因其平整度好、經(jīng)濟(jì)性好而成為修建高速公路和城市道路的首選材料。然而，由于溫度、濕度和反復(fù)荷載的變化而產(chǎn)生的開(kāi)裂會(huì)嚴(yán)重降低瀝青路面的使用壽命[1]。瀝青混合料由賦予結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的集料與有黏度的瀝青組成，由于瀝青在高溫下具有流動(dòng)性，因此瀝青混合料是一種可自我修復(fù)的材料[2]。在一定條件下（集料級(jí)配、瀝青的黏度等），瀝青路面可以自行修復(fù)內(nèi)部裂縫[3-4]。然而，瀝青材料在混合、壓實(shí)和使用期間黏度增加趨于老化，這降低了瀝青混合料的自愈能力，從而降低其使用壽命[5]。

為提高瀝青路面的自愈性能并延長(zhǎng)其使用壽命，國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)發(fā)了兩種技術(shù)來(lái)改善瀝青的老化現(xiàn)象：（1）將金屬添加劑加入混合料中，通過(guò)感應(yīng)或者微波輻射等電磁場(chǎng)加熱，使瀝青流動(dòng)從而將裂縫愈合[6-7];（2）將包裹再生劑的微膠囊加入混合料中，當(dāng)膠囊由于交通負(fù)荷而破裂時(shí)，內(nèi)部再生劑被釋放并擴(kuò)散，使周?chē)鸀r青的黏度降低而具有流動(dòng)性以填充裂縫[8-9]。本文重點(diǎn)研究使用微膠囊提升瀝青路面的自愈性能。相關(guān)研究者已制備不同種類(lèi)的微膠囊。Su JF等[10]開(kāi)發(fā)了具有微米大小核殼結(jié)構(gòu)的微膠囊，Garcia等[11]開(kāi)發(fā)了毫米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的微膠囊。相關(guān)研究證明，在微膠囊中的油分能在混合料的混合和壓實(shí)過(guò)程中存活，并提升其自愈合性能[12]。竇謙培等[13]采用原位聚合法制備了微膠囊，研究了微膠囊摻入對(duì)瀝青混合料裂縫的修復(fù)性能并進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Micaelo和Ai-Mansoori等開(kāi)發(fā)了海藻酸鈣微膠囊[14-15]，海藻酸鈣微膠囊由海藻酸鈣膠囊膜包裹葵花籽油組成，膠囊膜可以保護(hù)內(nèi)部葵花籽油免受環(huán)境污染。相關(guān)研究表明[16]，微膠囊有利于混合料的兼容性與自愈性能，但由于微膠囊強(qiáng)度較低，因此過(guò)多的微膠囊含量不利于混合料的剛度與模量，而含量過(guò)低對(duì)瀝青自愈性能的影響有限。

本文旨在評(píng)價(jià)海藻酸鈣微膠囊對(duì)密級(jí)配混合料耐久性、疲勞性能與自愈性能的影響。對(duì)密級(jí)配瀝青混合料中加入0.5%、0.75%和1.0%的微膠囊，測(cè)試混合料的間接拉伸強(qiáng)度、顆粒損失和疲勞壽命。研究不同膠囊配合比對(duì)瀝青混合料自愈性能的影響，使用X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影評(píng)估微膠囊在混合料中的分布和完整性。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)選用AC-13瀝青混合料進(jìn)行研究，級(jí)配如表1所示。采用玄武巖碎石與石灰?guī)r填料，其密度分別為2.976 g/cm3、2.669 g/cm3;選用基質(zhì)瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)檢測(cè)其針入度為77.5（0.1 mm），軟化點(diǎn)為49.1 ℃。制備的海藻酸鈣微膠囊密度為1.116 g/cm3，內(nèi)部再生劑為葵花籽油，經(jīng)測(cè)試密度為0.92 g/cm3、閃點(diǎn)為315 ℃。微膠囊的聚合結(jié)構(gòu)由海藻酸鈉（C6H7O6Na）和氯化鈣（CaCl2）組成，顆粒純度為93%。

1.2 海藻酸鈣微膠囊的制備

包封工藝流程如圖1所示。在鈣離子的溶液中，通過(guò)離子凝膠法在20 ℃的條件下制備海藻酸鈣膠囊，主要包括以下三個(gè)步驟：（1）海藻酸鈉乳劑的制備;（2）氯化鈣溶液的制備及膠囊的合成;（3）干燥和儲(chǔ)存膠囊。再生劑和海藻酸鈣聚合物比例為1[KG-1.3mm]∶[KG-0.5mm]3，一次可產(chǎn)出重量為2.5 kg的微膠囊。

1.3 瀝青混合料樣品制備

采用4.7%油石比制備瀝青混合料，選擇微膠囊含量（占混合料總質(zhì)量的質(zhì)量比）為0、0.25%、0.5%、0.75%和1.0%制備微膠囊瀝青混合料，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。由于微膠囊含量低，因此微膠囊直接添加至混合料中不會(huì)改變集料的級(jí)配，根據(jù)以下程序制備用于力學(xué)測(cè)試的圓柱形樣品：（1）將集料和瀝青分別在160 ℃下預(yù)熱12 h和4 h;（2）將瀝青混合料成分在160 ℃的實(shí)驗(yàn)室攪拌機(jī)中混合;（3）將膠囊在20 ℃下加入混合物中并混合15 s;（4）將含有膠囊的瀝青混合料倒入模具中，并用車(chē)轍板成型機(jī)壓實(shí);（5）使用取芯機(jī)從每塊板上鉆出測(cè)試樣品（[WTBX]100 mm×50 mm）。此外，使用車(chē)轍板成型機(jī)制造瀝青混合料板，并切割棱柱形樣品以進(jìn)行裂縫愈合的測(cè)量，在梁的中點(diǎn)制作一個(gè)尺寸為5 mm×5 mm的橫向切口，模擬路面裂縫發(fā)生過(guò)程。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 間接拉伸強(qiáng)度

間接拉伸強(qiáng)度（ITS）是測(cè)試瀝青與集料、海藻酸鈣膠囊之間粘聚力的指標(biāo)，采用間接拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)試微膠囊含量對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)前，將圓柱形試樣在20 ℃下放置4 h，然后以50 mm/min的速率施加負(fù)載，直到達(dá)到峰值負(fù)載，ITS計(jì)算如式（1）所示。

1.4.2 顆粒損失測(cè)試

海藻酸鈣微膠囊會(huì)降低集料與瀝青間的粘附力，導(dǎo)致粗糙度增加，本文通過(guò)顆粒損失測(cè)試評(píng)估微膠囊瀝青混合料的抗顆粒損失能力。將樣品放置于20 ℃水浴中20 h，然后在無(wú)鋼球的洛杉磯磨耗儀中，以30 rmp的速率旋轉(zhuǎn)300次，通過(guò)比較測(cè)試前和測(cè)試后樣品的質(zhì)量來(lái)計(jì)算結(jié)果。

1.4.3 疲勞性能測(cè)試

采用間接拉伸疲勞試驗(yàn)研究微膠囊瀝青混合料的疲勞特性。使用UTM-25試驗(yàn)機(jī)施加半正弦重復(fù)荷載，直到累積位移量導(dǎo)致試件斷裂，測(cè)試頻率為1 Hz，每個(gè)加載周期時(shí)間為0.1 s，間歇時(shí)間為0.9 s，測(cè)試溫度為15 ℃。對(duì)不同應(yīng)力水平下得到的疲勞壽命用公式進(jìn)行回歸分析。

1.4.4 自愈性能測(cè)試

Ai-Mansoori等開(kāi)發(fā)了裂紋修復(fù)試驗(yàn)，評(píng)估了微膠囊添加對(duì)混合物自愈性能的影響。將小梁在-20 ℃下放置2 h后進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，將兩片小梁放置在鋼模中，并在裂縫中鋪上塑料薄膜，防止裂縫面接觸，施加75 kN的靜壓荷載以模擬交通荷載的破壞。當(dāng)微膠囊破裂時(shí)，取出塑料片，在20 ℃的溫度測(cè)試。測(cè)試過(guò)程的原理描述圖見(jiàn)圖2。

對(duì)微膠囊瀝青混合料梁的愈合性能進(jìn)行量化，即在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)下，裂縫梁在愈合后三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度恢復(fù)所達(dá)到的水平。選取10個(gè)不同的愈合時(shí)間：5 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h、168 h、192 h和216 h。愈合水平的定義如下：

2 結(jié)果和討論

2.1 微膠囊摻量對(duì)瀝青混合料間接拉伸強(qiáng)度的影響

圖3為不同膠囊含量的瀝青混合料間歇拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，可以看出，隨著微膠囊摻量的增加，瀝青混合料的平均ITS值先增大后降低，在摻量為0.5%時(shí)達(dá)到最大值0.64 MPa，比未摻微膠囊混合料平均ITS值增大了12.28%。相關(guān)研究表明少量微膠囊的摻加可降低混合料空隙率。因此當(dāng)微膠囊摻量<0.5%時(shí)，混合料空隙率降低導(dǎo)致ITS值降低;而當(dāng)向混合料中添加更多的海藻酸鈣膠囊時(shí)，混合料的空隙率增大，并且從微膠囊中釋放出更多的油，從而降低了瀝青混合物的硬度與ITS值。

2.2 微膠囊摻量對(duì)瀝青混合料顆粒損失特性的影響

下頁(yè)圖4顯示了不同微膠囊含量下瀝青混合料的顆粒損失百分比。可以看出，微膠囊含量為0、0.25%、0.5%、0.75%和1.00%的瀝青混合物的平均顆粒損失分別為4.94%、5.07%、5.15%、5.76%和6.06%。在微膠囊摻量為0、0.25%和0.5%時(shí)顆粒損失率相差不大，當(dāng)摻量超過(guò)0.5%，顆粒損失率出現(xiàn)較大的增長(zhǎng)，這可能是因?yàn)槲⒛z囊的強(qiáng)度低于集料強(qiáng)度，在同樣的磨耗情況下，顆粒的損失率隨著摻量的增大而增大。

2.3 微膠囊摻量對(duì)瀝青混合料顆粒疲勞特性的影響

圖5為不同微膠囊含量下瀝青混合料的疲勞特性?？梢钥闯觯⒛z囊摻量<0.5%時(shí)，瀝青混合料的疲勞壽命大于未摻微膠囊的瀝青混合料;當(dāng)摻量>0.5%時(shí)，疲勞壽命降低，小于摻量為0的瀝青混合料，這是因?yàn)樯倭康奈⒛z囊加入可降低瀝青混合料的空隙率，而當(dāng)摻量>0.5%時(shí)，空隙率變大，抗疲勞性能降低。

2.4 微膠囊摻量對(duì)瀝青混合料自愈性能的影響

圖6顯示了在不同的愈合時(shí)間、不同微膠囊摻量下瀝青混合料達(dá)到的自愈水平。由圖可知，微膠囊摻量為0、0.25%、0.5%、0.75%和1%的瀝青混合料的平均最大愈合水平分別為26.44%、40.42%、54.04%、59.32%和60.86%，證明混合料中微膠囊摻量越高，愈合水平越大。隨著愈合時(shí)間的增加，愈合性能提升至最佳并穩(wěn)定，在愈合時(shí)間達(dá)到96 h后，愈合性能最佳，之后愈合趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，愈合時(shí)間范圍在96 h后達(dá)到的自愈水平是混合料的最佳自愈水平。這是由于微膠囊的摻量越大，相同外界荷載破壞的膠囊數(shù)量越多，愈合水平越高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了海藻酸鈣微膠囊對(duì)密集配瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度、顆粒損失特性、疲勞特性與自愈性能的影響，結(jié)論如下：

（1）海藻酸鈣微膠囊的加入對(duì)密級(jí)配瀝青混合料的力學(xué)性能有影響，隨著微膠囊摻量的增加，瀝青混合料的平均ITS值先增大后降低，摻量為0.5%時(shí)達(dá)到最大值0.64 MPa，比未摻微膠囊混合料平均ITS值增大了12.28%。

（2）微膠囊的加入對(duì)密級(jí)配瀝青混合料的顆粒損失特性與疲勞特性有影響，當(dāng)摻量<0.5%時(shí)，混合料的疲勞壽命增加，顆粒損失率出現(xiàn)小幅度增長(zhǎng);當(dāng)摻量>0.5%時(shí)，疲勞性能低于普通混合料，且顆粒損失率急速增加。

（3）微膠囊的摻加顯著增加了密級(jí)配瀝青混合料的自愈合能力，且摻量越高，愈合水平越大，摻量>0.5%時(shí)愈合水平超過(guò)50%。在0～96 h內(nèi)，愈合水平隨著愈合時(shí)間的增大而增大，在96 h后達(dá)到最大值且穩(wěn)定。

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