損傷程度對瀝青混合料損傷- 愈合行為的影響研究

林 俊，王 永，徐 霈

（1. 貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008；2.貴州盤興高速公路有限公司，貴州 盤州 553599；3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶市 400067）

0 引 言

瀝青混合料具有從損傷中恢復(fù)的能力，其裂縫可能會在某種環(huán)境作用下部分消失，即為瀝青混合料的自愈合[1]。

已有許多研究對瀝青混合料的自愈合性能進行了研究[2]?！捌? 愈合- 疲勞”試驗在兩次疲勞加載中插入一定條件的間歇期，比較前后兩次疲勞試驗的指標變化，以此來評價瀝青混合料的自愈合性能。因此，愈合條件及評價指標的選擇式自愈合試驗的關(guān)鍵。荷載間歇期即為愈合期，一般來說，瀝青混合料的自愈合發(fā)生在疲勞全過程，間歇期越長，自愈合效果越好[3]。瀝青混合料的自愈合作用與多種因素有關(guān)[4]。疲勞損傷是從微裂紋產(chǎn)生到逐漸擴大損傷程度的過程，疲勞損傷程度對瀝青材料的自愈合性能有顯著影響[5]。Song 等[6]研究表明，隨著裂紋寬度的增加，瀝青混合料的自愈合能力急劇下降。微裂紋的愈合能力遠優(yōu)于寬裂紋；當裂紋寬度擴展到疲勞臨界點時，瀝青混合料幾乎不發(fā)生自愈合。當瀝青混合料疲勞損傷累積到一定程度時，瀝青混合料內(nèi)部裂紋會逐漸從微裂紋擴展為宏觀裂紋[7]。實際上，路面的疲勞開裂更容易發(fā)生在低溫條件下[8]，而瀝青混合料的自愈行為在中高溫條件下較為活躍[9]。因此，對瀝青材料自愈合的研究多集中在中高溫條件下（10℃～60℃）[10]，且很少有研究關(guān)注低溫對瀝青混合料自愈合能力的影響。Little 等[11]研究發(fā)現(xiàn)老化對瀝青的自愈合有著消極作用。Van[12]研究發(fā)現(xiàn)服役多年的瀝青路面自愈合性能顯著下降。此外，Zollinger[13]認為環(huán)境濕度對瀝青混合料自愈合性能具有消極作用。水對瀝青混合料的自愈合性能具有影響[14]。

綜上所述，對影響瀝青混合料自愈合性能的因素進行研究，有助于提高瀝青路面的耐久性?；诖?，本文采用“疲勞- 愈合- 再疲勞”試驗，對不同愈合時間、愈合溫度及凍融循環(huán)作用下的瀝青混合料進行自愈合進程對比和分析。特別地，本文對低溫條件下及不同濕度條件下的瀝青混合料的自愈合特性進行了研究。

1 原材料及實驗設(shè)計

1.1 原材料

本文選擇韓國SK#90 基質(zhì)瀝青、3%SBS 改性瀝青和10%膠粉改性瀝青等3 種結(jié)合料制備瀝青混合料試件，其中改性瀝青均以基質(zhì)瀝青為基礎(chǔ)進行改性，其技術(shù)性質(zhì)見表1。試驗所采用集料為石灰?guī)r，級配選擇AC-13，見表2。依據(jù)馬歇爾試驗方法[15]計算得到基質(zhì)瀝青混合料、SBS 改性瀝青混合料、膠粉改性瀝青混合料的最佳油石比分別為4.9%、5.3%和6.0%。壓實成型瀝青混合料試件，并切割得到尺寸為380 mm×63.5 mm×50 mm 的小梁試件。

表1 瀝青結(jié)合料技術(shù)性質(zhì)[15]

表2 集料的級配組成

1.2 自愈合實驗設(shè)計及評價指標

采用UTM-100 萬能試驗機進行四點彎曲疲勞試驗，加載頻率為10 HZ。采用控制應(yīng)變的偏正弦加載模式，應(yīng)變選擇為500×10-6με。為了對瀝青混合料的損傷程度進行表征，本文設(shè)置3 個勁度模量衰減程度作為試驗終止條件，即瀝青混合料的損傷程度分別設(shè)置為25%，50%和75%，可由式（1）計算。

式中：Dd為損傷程度，%；Sin為初始勁度模量，MPa；Sr為殘余勁度模量，MPa，

采用“疲勞—愈合—再疲勞”的試驗方式，即在應(yīng)變控制模式下對瀝青混合料進行測試，當殘余勁度模量達到設(shè)定損傷程度時，初次疲勞加載完成；隨后引入間歇期，設(shè)定不同的愈合時間與愈合溫度，待達到愈合時間后，進行再次疲勞測試，當殘余勁度模量再次達到設(shè)定損傷程度時即為破壞，試驗結(jié)束。

選擇愈合時間、愈合溫度及愈合濕度等三個因素作為變量，每種變量選取5 個水平，愈合時間分別選擇1 h，3 h，5 h，7 h，9 h，愈合溫度分別選擇-10℃，0℃，10℃，20℃，30℃，愈合濕度分別為0%，25%，50%，75%，100%。

以瀝青混合料愈合前后彎曲勁度模量的變化率，即愈合效率為瀝青混合料自愈合能力的評價指標，由式（2）計算，其中彎曲勁度模量由式（3）計算。

式中：HI 為愈合效率，%；Sa為愈合后勁度模量，MPa；Sb為愈合前勁度模量，MPa。

式中：S 為勁度模量，MPa；σ 為最大拉應(yīng)力，kPa；εt為最大拉應(yīng)變。

2 結(jié)果與討論

2.1 愈合時間對自愈合效率的影響分析

不同損傷程度的瀝青混合料自愈合效率隨愈合時間的變化趨勢見圖1。為了使其獲得較好的自愈合性能，愈合溫度設(shè)定為30℃，愈合濕度選擇為0%。

圖1 愈合時間對不同損傷程度的瀝青混合料自愈合效果的影響

由圖1 可以看出，隨著愈合時間的延長，不同損傷程度、不同類型的瀝青混合料自愈合能力呈現(xiàn)增大趨勢。這是由于瀝青屬于黏彈性材料，具有典型的時間依賴性。觀察圖1（a）可以看出，損傷程度為25%的條件下，基質(zhì)瀝青混合料在愈合時間1～3 h范圍內(nèi)呈現(xiàn)出最大的自愈合效率，而在5 h 以后，其自愈合效率低于SBS 改性瀝青混合料和膠粉改性瀝青混合料。這可能是由于在較低損傷程度下，三種瀝青混合料內(nèi)部疲勞損傷多以微裂紋形式存在?；|(zhì)瀝青的軟化點較低，粘度較小，其流變性能更好。

進一步分析可知，當自愈合時間小于5 h 時，瀝青混合料的自愈合速率較快。隨后，瀝青混合料的自愈合速率減緩，過長的自愈合時間并不能有效提升瀝青混合料自愈合能力。此外，損傷程度的增大對瀝青混合料自愈合能力的削弱作用顯著。此時，需借助其他增強愈合性能的手段進行外界干預(yù)，從而提高瀝青混合料的愈合效率。

2.2 愈合溫度對自愈合效率的影響分析

不同損傷程度的瀝青混合料自愈合效率隨愈合溫度的變化趨勢見圖2。為了使其獲得較好的自愈合性能，愈合時間設(shè)定為9 h，愈合濕度選擇為0%。

圖2 愈合溫度對不同損傷程度的瀝青混合料自愈合效果的影響

由圖2 可知，愈合溫度對瀝青混合料的自愈合能力具有積極影響。瀝青混合料的自愈合效率隨溫度的增加而增加。值得注意的是，各瀝青混合料在0℃以下較低溫度條件下的自愈合效率范圍為10%～50%。說明低溫條件對瀝青混合料的自愈合性能具有較大不利影響。

進一步分析可知，在本文所選擇溫度范圍內(nèi)，SBS 改性瀝青混合料和膠粉改性瀝青混合料的自愈合效率高于基質(zhì)瀝青混合料，這與SBS 改性瀝青混合料和膠粉改性瀝青混合料的抗疲勞性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料相一致。

由圖2（c）可知，75%損傷程度的瀝青混合料愈合效率仍能保持在60%以上，表明溫度對于損傷后的愈合具有顯著作用。因此，可以認為當瀝青路面達到一定損傷程度時，可以通過加熱手段（紅外加熱，微波加熱等），獲得額外的能量，提升路面的愈合性能，從而一定程度恢復(fù)路面的服役性能。

2.3 愈合濕度對自愈合效率的影響分析

不同損傷程度的瀝青混合料自愈合效率隨愈合濕度的變化趨勢見圖3。為了使其獲得較好的自愈合性能，愈合時間設(shè)定為9 h，愈合溫度選擇為30℃。

由圖3 分析可知，瀝青混合料在自愈合過程中一定程度上受環(huán)境濕度的影響，在較低濕度條件下這種影響不顯著。因此，相較于0%濕度條件下的自愈合效率，25%濕度條件的自愈合效率略微有所下降。然而，當愈合濕度達到50%以上時，其對瀝青混合料自愈合特性的影響趨于明顯。因此，為提高瀝青混合料的自愈合性能，使得瀝青路面保持較好的服役狀態(tài)，除必要時提供額外能量恢復(fù)外，還應(yīng)避免瀝青混合料內(nèi)部濕度過大。這可以通過采用密集配瀝青混合料、保持路面干燥、隔絕地下水等措施進行改善。

圖3 愈合濕度對不同損傷程度的瀝青混合料自愈合效果的影響

3 結(jié) 論

本文主要目的在于研究不同環(huán)境因素下?lián)p傷程度對瀝青混合料損傷自愈合特性的影響，采用損傷效率作為評價瀝青混合料自愈合能力的指標。主要結(jié)論如下：

（1）愈合時間對瀝青混合料的自愈合性能具有積極影響。隨著自愈合時間的延長，瀝青混合料的自愈合效率先增大后趨于平緩。過長的自愈合時間并不能有效提升瀝青混合料自愈合能力。

（2）愈合溫度對瀝青混合料的自愈合性能具有積極作用。隨著溫度的升高，瀝青混合料的自愈合效率趨于增長。低溫條件對瀝青混合料的自愈合性能具有較大不利影響。

（3）濕度對瀝青混合料的自愈合性能呈現(xiàn)一定的消極作用。在較低濕度條件下影響不顯著，當愈合濕度達到50%以上時，其對瀝青混合料自愈合特性的影響趨于明顯。為提高瀝青混合料的自愈合性能，使得瀝青路面保持較好的服役狀態(tài)，除必要時提供額外能量恢復(fù)外，還應(yīng)避免瀝青混合料內(nèi)部濕度過大。這可以通過采用密集配瀝青混合料、保持路面干燥、隔絕地下水等措施進行改善。

（4）損傷程度的增大對瀝青混合料自愈合能力的削弱作用顯著。損傷程度過大時，需借助其他增強愈合性能的手段（紅外加熱，微波加熱等）進行外界干預(yù)，從而提高瀝青混合料的自愈合效率，進而一定程度恢復(fù)路面的服役性能。