開級配瀝青混合料損傷-自愈合行為影響因素研究

徐 霈， 李菁若， 周啟偉， 趙夢珍

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067； 2.國家山區(qū)公路工程技術研究中心， 重慶 400067；3.山區(qū)道路工程與防災減災技術國家地方聯(lián)合工程實驗室， 重慶 400067)

瀝青混合料的裂縫會在某種作用下部分消失，表明瀝青混合料具有從損傷中恢復的自愈合性能[1]，已有學者對瀝青混合料的損傷-自愈合性能進行了研究[2-4]。Sun等[5]基于間接拉伸(IDT)疲勞試驗，研究了瀝青混合料在低溫條件下的自愈合性能，IDT試驗表明加載間歇時間對瀝青混合料的自愈合能力具有顯著影響。在低損傷條件下，瀝青混合料的初始自愈合速率高于后期自愈合速率，但低溫(<5 ℃)顯著降低了瀝青混合料的自愈合速率，且其后期愈合速率逐漸穩(wěn)定至一個較低值。在高疲勞損傷及低溫條件下，瀝青混合料幾乎沒有自愈合性能?；疑P聯(lián)分析結果表明，愈合時間對瀝青混合料的愈合效率影響最為顯著；級配類型和溫度對自愈合能力的影響水平相近；疲勞損傷程度與自愈合能力的相關程度最小。據(jù)此可知，瀝青混合料的自愈合作用與多種因素有關[6]。

瀝青混合料的疲勞損傷是由微裂紋演變?yōu)楹暧^裂縫的損傷程度逐漸擴大的過程。而裂紋區(qū)域的應力松弛通常伴隨著由于自發(fā)降低裂紋表面能產(chǎn)生的界面自愈合現(xiàn)象[7]。Song等[8]研究表明，隨著裂縫寬度的增大，瀝青混合料的自愈合性能急劇降低。瀝青混合料內(nèi)部微裂紋的自愈合能力高于寬裂紋，裂紋的自愈合寬度存在一個疲勞臨界點，當裂紋寬度超過臨界點時，幾乎失去自愈合能力。因此，當瀝青混合料疲勞損傷程度達到一定程度時，部分微裂紋相互貫通，發(fā)展為宏觀裂紋，瀝青填充裂縫的能力可能會急劇減弱，其自愈合能力大大降低[9]。

此外，若瀝青的黏度足夠低，瀝青可能會滲入裂縫并填充裂縫[10]，則瀝青混合料的自愈合能力主要取決于給定時間的黏度[11]。瀝青混合料的自愈合過程可分為2個階段：一是為裂縫表面的接近和重新排列[12]。裂縫寬度是其自愈可能性及自愈效率的影響因素之一[13]。二是為裂縫填充階段。裂縫表面的接近過程中出現(xiàn)接觸點，瀝青由該點流入裂縫進行填充[14]。由此可知，不同黏度的瀝青及集料級配會極大影響瀝青混合料的自愈合特性。

大孔隙開級配排水式瀝青磨耗層(OGFC)是開級配瀝青混合料的典型代表，它以其優(yōu)越的排水能力及高性能的抗滑、降噪水平得到廣泛應用[15-17]。但因OGFC中采用了高黏瀝青，降低了瀝青流動填充裂縫的能力，且因內(nèi)部連通空隙較多，集料間的接觸點較少，其自愈合能力較密級配瀝青混合料具有特殊性。為此，本文采用“疲勞-愈合-再疲勞”方式下的4點彎曲試驗，對不同愈合溫度、愈合濕度及損傷程度條件下OGFC的自愈合進程進行對比分析，以便進一步了解排水瀝青路面損傷-自愈合機制，并準確判別瀝青路面養(yǎng)護時機。

1 原材料與實驗設計

1.1 原材料

采用高黏改性劑TPS制備高黏瀝青，進而制備排水式瀝青磨耗層混合料，其中瀝青選擇SK-90#基質(zhì)瀝青，見表1，集料級配分別選擇OGFC-10、OGFC-13以及OGFC-16三種，見表2，設計孔隙率均為18%。以毛體積密度作為控制指標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 瀝青結合料技術指標[18]

1.2 損傷-自愈合試驗及相應評價指標

采用UTM-100萬能試驗機進行4點彎曲疲勞試驗，試驗溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz，應變選擇為500×10-6με。采用“疲勞-愈合-再疲勞”的試驗方式，如圖1所示。即在應變控制模式下對OGFC進行疲勞加載，當殘余勁度模量達到設定損傷程度時，初次疲勞加載完成。隨后引入間歇期，即將試件置于設定的愈合條件下，進行再次疲勞測試，當殘余勁度模量再次達到設定損傷程度時即為破壞，試驗結束。值得注意的是，以應變控制的疲勞試驗一般以瀝青混合料勁度模量降至初始勁度模量的50%為試驗停止條件，而此時試件未必達到破壞的程度。由此，給出了對瀝青混合料損傷程度的量化表征公式，見式(1)。本研究設置了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置為25%、50%和75%。

表2 集料的級配組成

(1)

式中：D為損傷程度，%；S0為初始勁度模量，MPa；St為殘余勁度模量，MPa。

圖1 瀝青混合料疲勞自愈合加載過程

以OGFC愈合前后彎曲勁度模量的變化率，即愈合效率作為瀝青混合料自愈合能力的評價指標，由公式(2)計算，彎曲勁度模量由公式(3)計算。

(2)

(3)

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；S為彎曲勁度模量，MPa；σ為最大拉應力，kPa；εt為最大拉應變。

1.3 疲勞損傷-愈合影響因素研究試驗設計

在試件間歇愈合期，對影響OGFC自愈合性能的因素進行試驗研究。選擇愈合溫度、愈合濕度、損傷程度等3個因素作為變量，研究不同級配OGFC的自愈合效率在影響因素條件下隨時間的發(fā)展規(guī)律。其中，愈合溫度選擇高溫60 ℃模擬夏季路面平均氣溫，中溫20 ℃模擬路面日常溫度，低溫-10 ℃模擬冬季路面溫度。愈合濕度選擇0%、50%和100%，分別模擬干燥、中濕及潮濕3個濕度條件。損傷程度選擇25%、50%和75%模擬微損傷、中度損傷與較大損傷狀態(tài)。

2 結果與討論

2.1 愈合溫度對OGFC損傷-愈合行為影響

不同愈合溫度的OGFC自愈合效率隨愈合時間的發(fā)展曲線如圖2所示。為使其獲得較好的自愈合性能并排除水分的影響，愈合濕度設定為0%，損傷程度設定為50%。

由圖2可知，愈合溫度對OGFC的自愈合性能具有積極影響。這是由于瀝青混合料是一種黏彈性材料，在高溫條件下主要表現(xiàn)為黏性流動，在低溫條件下多表現(xiàn)為彈性。而OGFC的自愈合能力來自于瀝青分子自由流動，填充裂縫，進而重構混合料內(nèi)部的微觀結構損傷。溫度越高，瀝青結合料的流變性能越好，因此，高溫自愈合能力越好。高溫條件下，OGFC的自愈合效率均達50%以上；中溫條件下，OGFC的自愈合效率下降至30%到45%左右；而低溫條件下，自愈合效率介于5%到15%之間，表明低溫環(huán)境對OGFC自愈合性能的削弱作用顯著。

(a) 高溫60 ℃

(b) 中溫20 ℃

(c) 低溫-10 ℃

進一步觀察可知，高溫愈合條件下，OGFC自愈合效率一般隨公稱最大粒徑的增大而減小，而低溫條件下，不同公稱最大粒徑的OGFC自愈合效率差異較小，自愈合速率較為緩慢。

2.2 愈合濕度對OGFC損傷-愈合行為影響

不同愈合濕度的OGFC自愈合效率隨愈合時間的變化曲線如圖3所示。為使其獲得較好的自愈合性能，愈合溫度設定為60 ℃，損傷程度設定為50%。

由圖3可以看出，OGFC的自愈合性能一定程度受愈合濕度的影響。愈合濕度為0%的OGFC自愈合效率均為50%～70%，愈合濕度為50%的OGFC自愈合效率降低為30%～50%，而愈合濕度為100%的OGFC自愈合效率低至10%～30%。即隨著愈合濕度的增加，OGFC自愈合能力趨于降低。其原因在于水分的存在使得裂縫界面間的瀝青與瀝青的黏聚作用、瀝青與集料的黏附作用減弱，且水分的存在阻礙了瀝青分子流動填充縫隙。因此，當愈合濕度從50%提高至100%時，OGFC的自愈合效率急劇下降。因此，欲提高瀝青混合料的自愈合性能，應使瀝青路面內(nèi)部保持干燥狀態(tài)。

進一步分析可知，愈合濕度較小條件下，OGFC自愈合效率一般隨公稱最大粒徑的增大而減??；而愈合濕度100%條件下，不同公稱最大粒徑的OGFC自愈合效率差異較小，且隨著愈合時間的增大，其自愈合效率增長緩慢。

2.3 損傷程度對OGFC損傷-愈合行為影響

不同損傷程度的OGFC自愈合效率隨愈合時間的發(fā)展趨勢如圖4所示。為使其獲得較好的自愈合性能并排除水分的影響，愈合溫度設定為60 ℃，愈合濕度設定為0%。

(a) 濕度0%

(b) 濕度50%

(c) 濕度100%

(a) 25%損傷程度

(b) 50%損傷程度

(c) 75%損傷程度

由圖4可知，損傷程度的增大對OGFC自愈合能力的削弱作用顯著。隨著損傷程度的增大，OGFC的自愈合效率急劇降低。相較于50%損傷程度的OGFC自愈合效率最高為50%～70%，75%損傷程度的OGFC自愈合效率僅為5%～15%。這是由于OGFC在重復加載作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋隨著損傷程度的增大逐步貫通擴展為宏觀裂縫，此時伴隨著裂紋區(qū)域的應力松弛以及為降低表面能發(fā)生的自愈合行為。荷載次數(shù)較小，損傷程度較低的OGFC，其內(nèi)部損傷以微裂紋為主，其損傷恢復能力越好，即更容易發(fā)生自愈合。而損傷程度過大，微裂紋擴展連通為宏觀裂縫，則其恢復閉合狀態(tài)所需消耗的能量增大。當裂縫寬度超過愈合臨界寬度時，這部分裂縫將無法完全恢復閉合，即OGFC的自愈合效率降低。此時，需借助外部干預手段增強其自愈合性能，從而使其部分恢復服役性能。

進一步觀察不同級配OGFC自愈合效率可知，當損傷程度超過75%時，OGFC-16混合料的愈合效率驟降至10%左右。說明損傷程度越大，OGFC自愈合越困難。但OGFC-10混合料在75%損傷程度下，其自愈合效率仍能達到30%以上。這可能是由于公稱最大粒徑較大的開級配瀝青混合料中含有的大粒徑集料，內(nèi)部連通空隙較多，致使其疲勞損傷更易于由微裂紋擴展為宏觀裂縫，故而損傷程度臨界點降低。

3 結論

本文采用損傷效率作為評價瀝青混合料自愈合能力的指標，研究了不同環(huán)境因素對OGFC損傷-自愈合特性的影響，主要結論如下：

1) 愈合溫度對OGFC的自愈合性能具有積極影響。高溫愈合條件下，OGFC的自愈合效率隨公稱最大粒徑的增大而減小；而低溫條件下，不同公稱最大粒徑的OGFC自愈合效率差異較小，自愈合速率較為緩慢。

2) 濕度對OGFC的自愈合性能呈現(xiàn)一定的消極作用。隨著愈合濕度的增加，OGFC自愈合能力趨于降低。當愈合濕度由50%提高至100%時，OGFC的自愈合效率急劇下降。為提高瀝青混合料的自愈合性能，應使OGFC路面內(nèi)部保持干燥狀態(tài)。

3) 損傷程度對OGFC自愈合能力的削弱作用顯著。隨著損傷程度的增大，OGFC的自愈合效率急劇降低。損傷程度過大時，需要借助外部干預手段增強其自愈合性能，從而使其部分恢復服役性能。而公稱最大粒徑的減小有利于提高較大損傷程度下OGFC的自愈合效率。