復(fù)雜環(huán)境因素影響下瀝青混合料自愈合性能

崔亞楠， 郭 靖， 馮 蕾， 孫廣寧

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古綜合交通科學(xué)研究院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

瀝青路面在長期使用過程中，由于受溫度、光照以及重載交通的影響，力學(xué)性能不斷下降，道路表面出現(xiàn)開裂、唧漿、松散、脫落等各種病害現(xiàn)象，最終影響瀝青路面的壽命.目前，國內(nèi)外學(xué)者就瀝青和瀝青混合料的自愈合特性進(jìn)行了較多的試驗(yàn)研究，主要集中于瀝青及瀝青混合料自愈合特點(diǎn)、自愈合表征及增強(qiáng)技術(shù)等方面，較少從細(xì)微觀角度對(duì)多因素影響下的瀝青混合料損傷自愈合性能進(jìn)行研究，現(xiàn)有研究結(jié)果不能全面解釋瀝青混合料自愈合機(jī)制.Kim等[1]研究了瀝青含量對(duì)混合料自愈合性能的影響，得出低瀝青含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.1%)混合料比高瀝青含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.2%)混合料具有更快的愈合速率.王昊鵬等[2]通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)得出，養(yǎng)護(hù)溫度越高，愈合時(shí)間越長，瀝青混合料愈合效果越好的結(jié)論.黃衛(wèi)東等[3]在對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)空隙率下，共選取了11種瀝青混合料，通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了未考慮自愈合作用和考慮自愈合作用的瀝青混合料疲勞性能對(duì)比試驗(yàn)研究.苑苗苗[4]在研究瀝青混合料的疲勞特性時(shí)結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)方法，得出了瀝青混合料變形開裂特性與裂縫演變過程.為了更加準(zhǔn)確地研究瀝青混合料損傷自愈合的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠性，有必要采用宏觀力學(xué)和微觀力學(xué)相結(jié)合的試驗(yàn)方法，在瀝青混合料自愈合試驗(yàn)中考慮各種影響因素的綜合作用.

本文共選取3種瀝青混合料，在不同的損傷程度、老化程度、愈合時(shí)間和愈合溫度條件下，進(jìn)行了瀝青混合料損傷自愈合性能對(duì)比研究，并通過數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)分析了老化程度對(duì)瀝青混合料自愈合性能的影響，進(jìn)而研究不同因素對(duì)瀝青混合料自愈合性能的作用機(jī)制.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用90#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和膠粉改性瀝青，其性能指標(biāo)如表1所示；集料為內(nèi)蒙古的卓資山玄武巖碎石，分為0～5mm，5～10mm和 10～20mm 3檔規(guī)格；礦粉為內(nèi)蒙古毫沁營礦粉廠的石灰石礦粉.上述3種瀝青混合料均采用AC-16型級(jí)配設(shè)計(jì).

表1 3種瀝青的基本性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)

1.2.1瀝青混合料半圓彎拉試驗(yàn)

半圓試件的厚度為25mm，齊邊長度為100mm，在試件底部中間位置設(shè)置深度為 10mm，寬度為 2mm 的預(yù)制切口，如圖1所示.瀝青混合料半圓彎拉試驗(yàn)采用UTM-100加載設(shè)備，以控制加載位移的方式進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為15℃，施加荷載速率為0.1mm/s，達(dá)到目標(biāo)損傷豎向位移后以50mm/min的速率迅速卸載[5].彎曲試驗(yàn)完成后，將損傷的試件靜置于環(huán)境箱中在規(guī)定溫度和規(guī)定時(shí)間下愈合，然后將半圓試件冷卻至試驗(yàn)溫度15℃，再進(jìn)行半圓彎拉試驗(yàn)直至試件破壞.瀝青混合料半圓彎拉試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(見表2)，同一條件下安排3次平行試驗(yàn)，去除誤差大于20%的意外破壞試件，保證最終獲取誤差最小的2組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較.

圖1 半圓試件Fig.1 Semicircular specimen(size:mm)

Sedwick[6]研究認(rèn)為材料的斷裂能密度(fracture energy density， FED)不會(huì)受試驗(yàn)方式或試件尺寸的影響；斷裂能密度越大，產(chǎn)生破壞所需要的能量越大，材料性能就越好.斷裂能密度是指材料開裂時(shí)單位體積所產(chǎn)生的能量，即從開始加載至達(dá)到峰值荷載之前荷載-位移曲線下的面積(見圖2陰影部分).斷裂能密度值可通過積分計(jì)算得到.

圖2 FED示意圖Fig.2 Calculation diagram of FED

采用斷裂能密度自愈合指標(biāo)HIFED來表征瀝青混合料自愈合性能.HIFED越大表明瀝青混合料自愈合效果越好，當(dāng)自愈合指標(biāo)HIFED為1時(shí)，表明瀝青混合料的性能完全恢復(fù).自愈合指標(biāo)HIFED定義為愈合后試件的斷裂能密度與愈合前試件的斷裂能密度的比值，具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中：FEDOriginal為未經(jīng)損傷處理的瀝青混合料試件進(jìn)行半圓彎拉試驗(yàn)后獲得的斷裂能密度；FEDHealed為做過損傷處理的試件經(jīng)一定條件愈合后進(jìn)行半圓彎拉試驗(yàn)獲得的斷裂能密度.

1.2.2數(shù)字散斑技術(shù)

采用數(shù)字散斑試驗(yàn)研究老化程度(未老化、短期老化和長期老化)對(duì)瀝青混合料自愈合性能的影響.

加載設(shè)備為WDW-10型萬能試驗(yàn)機(jī).試驗(yàn)以控制加載位移的方式進(jìn)行，加載速率為0.1mm/min，持續(xù)加載，直至目標(biāo)損傷的豎向位移為2.6mm，然后以同樣速率卸載，直至外部荷載為0.試驗(yàn)開始后，加載系統(tǒng)與VIC-3D圖像采集系統(tǒng)同時(shí)工作，整個(gè)試驗(yàn)過程分為加載階段、卸載階段和愈合階段.

表2 正交試驗(yàn)的因素及水平

2 瀝青混合料損傷愈合性能分析

2.1 瀝青混合料半圓彎拉試驗(yàn)

如表2所示，試驗(yàn)考慮5個(gè)影響因素，每個(gè)影響因素取3個(gè)水平，各影響因素之間不存在交互作用.當(dāng)采用瀝青混合料半圓試件的FED作為損傷愈合的評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，各因素條件下的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.為了消除重復(fù)水平試驗(yàn)中的誤差，在表3中設(shè)置了2個(gè)誤差空列(F,G).試驗(yàn)采用極差分析法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.通過正交試驗(yàn)得到在不同水平下各影響因素的HIFED值，試驗(yàn)結(jié)果與極差分析見表3.其中Ki(i=1,2,3)為因素水平為i時(shí)自愈合指標(biāo)HIFED值的總和；HIFEDi(i=1,2,3)為Ki的平均值；R表示極差.

由表3中的R值可知，豎向位移(損傷程度)的極差值最大，說明損傷程度對(duì)瀝青混合料斷裂能密度的恢復(fù)程度影響最顯著，其他4種因素對(duì)瀝青混凝土自愈合的影響程度由大到小依次為瀝青種類、老化程度、愈合溫度、愈合時(shí)間.

由表3中的HIFEDi值可知：(1)膠粉改性瀝青混合料的自愈合能力最好，其次為90#基質(zhì)瀝青混合料，最次為SBS改性瀝青混合料.這是由于膠粉改性瀝青中的橡膠粉具有溶脹吸附作用[7]，顆粒表面可形成瀝青質(zhì)凝膠膜，導(dǎo)致瀝青黏度增大，并且膠粉顆粒具有良好的彈性恢復(fù)能力.(2)隨豎向位移的增大(即損傷程度的加大)，瀝青混合料的自愈合能力急劇下降.當(dāng)豎向位移較小時(shí)，試件內(nèi)部出現(xiàn)微損傷，在溫度和時(shí)間的作用下發(fā)生愈合效應(yīng)；若瀝青混合料內(nèi)部存在宏觀損傷，則難以愈合.(3)瀝青混合料的老化程度越嚴(yán)重，其自愈合能力越差.對(duì)于90#基質(zhì)瀝青，老化過程中輕組分在高溫條件下?lián)]發(fā)，瀝青質(zhì)比例增加，流動(dòng)性降低；對(duì)于改性瀝青，老化會(huì)令改性劑分子間結(jié)構(gòu)遭到破壞，改性劑對(duì)瀝青輕組分的吸附溶脹作用減弱，改性瀝青的流動(dòng)性變差，瀝青變得硬脆[8].綜上得出，老化作用使瀝青的流動(dòng)性變差，導(dǎo)致混合料的自愈合能力下降.(4)愈合溫度越高、愈合時(shí)間越長，對(duì)瀝青混合料的自愈合越有利.當(dāng)愈合溫度超過40℃時(shí)，瀝青混合料自愈合指標(biāo)迅速增大，即愈合速度更快，此情況與瀝青的流變特性相符.愈合時(shí)間小于8h時(shí)，瀝青混合料自愈合指標(biāo)隨時(shí)間延長迅速增大；當(dāng)愈合時(shí)間較長時(shí)(>8h)，瀝青混合料自愈合能力隨時(shí)間的延長而逐漸變低，說明時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)，延長愈合時(shí)間并不能提高混合料的恢復(fù)能力.

2.2 數(shù)字散斑試驗(yàn)

熱老化作用對(duì)瀝青混合料的損傷及愈合過程均有一定程度的影響.通過數(shù)字散斑技術(shù)，進(jìn)行不同老化程度的基質(zhì)瀝青混合料損傷自愈合性能研究，觀察試件開始加載—目標(biāo)損傷—愈合的全過程.在每個(gè)試件主裂縫的起裂點(diǎn)左右兩側(cè)各取1組點(diǎn)，用這些對(duì)應(yīng)點(diǎn)的水平位移差ΔU=UR-UL(UR，UL分別代表起裂點(diǎn)左右兩側(cè)的水平位移)表示該處的裂縫寬度.圖3為未經(jīng)老化、短期老化及長期老化后基質(zhì)瀝青混合料試件的ΔU隨時(shí)間的變化曲線.其中階段Ⅰ表示加載開始到目標(biāo)損傷的加載階段；階段Ⅱ?yàn)槟繕?biāo)損傷完成后進(jìn)行的卸載階段；階段Ⅲ為在 55℃ 下自愈合120min的愈合階段.

表3 試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

圖3 老化程度不同的基質(zhì)瀝青混合料水平位 移差隨時(shí)間的變化Fig.3 Change of ΔU vs time of asphalt mixture with different aging degrees

由圖3可以看出：在荷載施加的初期，ΔU穩(wěn)定上升，此時(shí)ΔU值較小且增長緩慢，此階段由于起裂點(diǎn)處還沒有形成宏觀裂縫，瀝青混合料還具有一定的持荷能力；繼續(xù)加載，在某一時(shí)刻ΔU突然增大，表明此時(shí)有裂縫產(chǎn)生，對(duì)比3條ΔU-t曲線發(fā)現(xiàn)，經(jīng)老化后的試件ΔU突變時(shí)刻早于未經(jīng)老化的試件，且老化越嚴(yán)重，ΔU突變?cè)皆?，說明瀝青混合料經(jīng)溫度老化后開裂時(shí)間提前，其持荷能力與抗開裂能力均降低；經(jīng)老化后的試件ΔU增長速度大于未經(jīng)老化的試件，在達(dá)到目標(biāo)損傷位移2.6mm時(shí)，老化后的試件產(chǎn)生的裂縫較大，說明老化后試件的抗變形能力下降，瀝青混合料變得硬脆.由圖3中的階段Ⅱ曲線可以看出，卸載時(shí)的ΔU逐漸變小，裂縫寬度減小.由圖3中的階段Ⅲ曲線可以看出：未老化試件與短期老化試件的ΔU隨愈合時(shí)間延長逐漸變小，說明愈合過程中這2種試件的裂縫寬度仍在不斷減小，但速度較為緩慢；長期老化試件在愈合開始的 15min 后ΔU隨時(shí)間逐漸增大，說明試件裂縫寬度在逐漸變大；對(duì)比愈合階段的3條曲線可以發(fā)現(xiàn)，未老化試件裂縫寬度減小的速度略高于短期老化試件，長期老化試件在愈合過程中變形并沒有恢復(fù)，反而由于自身的重力作用造成裂縫寬度緩慢增大，這是由于瀝青長期老化后流動(dòng)性變差，瀝青間的黏聚作用以及瀝青與骨料間的黏附作用減弱，導(dǎo)致瀝青混合料的變形恢復(fù)能力下降[9].

3 結(jié)論

(1)在5個(gè)影響因素中，損傷程度對(duì)瀝青混合料的自愈合性能影響最大，然后依次為瀝青種類、老化程度、愈合溫度和愈合時(shí)間.隨著損傷程度的不斷加大，瀝青混合料自愈合性能隨之下降，當(dāng)豎向位移由2.6mm增加到3.2mm時(shí)，其自愈合指標(biāo)下降了19.34%.

(2)3種瀝青混合料中，膠粉改性瀝青混合料的自愈合效果最好，其次為90#基質(zhì)瀝青混合料，最次為SBS瀝青混合料；當(dāng)愈合溫度為55℃時(shí)，瀝青混合料的自愈合能力最強(qiáng)，這一現(xiàn)象與瀝青的流變特性有關(guān).當(dāng)愈合時(shí)間小于8h時(shí)，瀝青混合料自愈合速度較快；當(dāng)愈合時(shí)間大于8h時(shí)，瀝青混合料自愈合速度減緩，說明過長的自愈合時(shí)間并不能有效提升瀝青混合料自愈合性能.

(3)當(dāng)采用裂縫兩側(cè)點(diǎn)的水平位移差ΔU分析不同老化程度的基質(zhì)瀝青混合料損傷自愈合性能時(shí)發(fā)現(xiàn)：在損傷階段，瀝青混合料經(jīng)老化后流動(dòng)性能變差，抗裂性能降低；在愈合階段，未老化試件自愈合能力略高于短期老化試件，而長期老化試件由于裂縫較大，較難愈合.