消石灰及玄武巖纖維改性瀝青混合料自愈合性能研究

摘要：為提升老化瀝青路面疲勞損傷后的自愈合性能，文章選用消石灰、玄武巖纖維制備改性瀝青混合料，進(jìn)行自愈合補(bǔ)償試驗(yàn)，以分析改性瀝青混合料的自愈合性能。結(jié)果表明：消石灰的摻入能提升瀝青膠結(jié)料粘附性，玄武巖纖維的摻入能穩(wěn)定內(nèi)部結(jié)構(gòu)；高溫條件下，二者混合摻入改善效果較好，自愈合率達(dá)到90%；自愈合率以及自愈合衰減指數(shù)均清晰地反映重復(fù)荷載作用下的疲勞損傷愈合過(guò)程，可作為瀝青混合料新尺度疲勞性能評(píng)價(jià)的相關(guān)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：消石灰；玄武巖纖維；熱老化；自愈合性能

中文分類號(hào)：U416.03A200614

0引言

近年來(lái)，在建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略支持下，我國(guó)現(xiàn)有公路總里程已達(dá)528×104 km，且路面結(jié)構(gòu)以瀝青混凝土路面為主。但隨著車輛負(fù)荷不斷增長(zhǎng)，以及瀝青老化現(xiàn)象的出現(xiàn)，致使瀝青混凝土路面使用壽命不斷降低，其中疲勞開裂和熱氧老化是影響其壽命的重要原因。提高瀝青路面的耐熱老化性能，減少疲勞開裂，延長(zhǎng)公路使用年限，對(duì)交通強(qiáng)國(guó)的建設(shè)有著重要意義。

現(xiàn)有研究結(jié)果顯示，瀝青混合料的疲勞損傷多集中于瀝青及瀝青膠漿內(nèi)［1］，而瀝青和瀝青膠漿在拌和、鋪筑和使用中會(huì)發(fā)生熱氧老化，嚴(yán)重影響其疲勞性能。在工程實(shí)踐中，通常采用瀝青混合料加入添加劑來(lái)提高其耐高溫?fù)p傷性能及自愈合性能。其中，玄武巖纖維的摻入能抑制瀝青路面疲勞裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，改善其疲勞性能［2-4］，特別是高溫氧化條件下的抗裂性能提升最為顯著［5］；消石灰因良好的物理吸附性能和高化學(xué)活性，可抑制瀝青的老化，改變?yōu)r青混合料的高低溫性能［6-9］。Lesueur等［10］向?yàn)r青中添加20%的消石灰，并對(duì)其進(jìn)行TFOT短期老化和PAV長(zhǎng)期老化，用動(dòng)態(tài)剪切流變儀分析可知，消石灰可提高瀝青的高溫抗變形性能以及抗老化能力?，F(xiàn)有研究表明，瀝青混合料的裂縫愈合后，其力學(xué)性能（如剛度、強(qiáng)度等）會(huì)有不同程度的恢復(fù)，可以被看作是疲勞失效的反向過(guò)程。這種現(xiàn)象被稱為“自修復(fù)”，并極大地影響了瀝青混合料的使用壽命。曹林輝等［11］通過(guò)試驗(yàn)證明，瀝青混合料的自愈合性能同抗疲勞性能存在較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。

因此，探究瀝青混合料自愈合性能，提高瀝青混合料使用壽命，可為長(zhǎng)壽命路面的建設(shè)與發(fā)展提供參考。綜上所述，本文通過(guò)在瀝青混合料中添加消石灰改善瀝青的抗老化性能，添加玄武巖纖維抑制瀝青混合料層疲勞裂縫發(fā)展的研究思路，制備一種復(fù)合改性瀝青混合料，再通過(guò)自愈合試驗(yàn)來(lái)研究這三類瀝青混合料的自愈合性能，并采用相關(guān)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)其疲勞損傷自愈合能力。

1試驗(yàn)

1.1原材料

試驗(yàn)所用瀝青為中海油70#石油瀝青，測(cè)定基體瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)如表1所示。選用長(zhǎng)沙某公司產(chǎn)的6 mm長(zhǎng)玄武巖纖維，其基本性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表2。粗、細(xì)骨料采用滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求的重慶石灰石和石屑；填料采用消石灰粉及普通石灰?guī)r研磨礦粉。消石灰技術(shù)指標(biāo)如下頁(yè)表3所示。

1.2瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

密級(jí)配瀝青混合料由于其骨架結(jié)構(gòu)致密、骨料間空隙小、嵌擠作用致密、抗?jié)B性能好、耐磨抗疲勞性能好，在高速公路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。瀝青路面表面常采用AC-13C，級(jí)配組成見(jiàn)下頁(yè)表4。根據(jù)前期馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為5.1%。

1.3試件制備及老化

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)確定粉膠比為0.8，消石灰（HL）摻量為20%，用以替換礦粉（占礦粉質(zhì)量）；玄武巖纖維（BF）摻量為0.3%（占瀝青混合料總質(zhì)量）。制備多種瀝青混合料，具體種類分為：未摻、摻入20%HL、摻入0.3%BF、20%HL+0.3%BF（分別記作CAM、HLAM、BFAM和HLBFAM）。制備老化試件步驟為：（1）將拌和好的瀝青混合料放入烘箱中，135 ℃條件下每隔1 h將混合物在盤子里翻轉(zhuǎn)一遍，以保證每一份混合物都能完全暴露于空氣中，并且能得到均勻的加熱，經(jīng)4 h鼓風(fēng)加熱后完成短期老化；（2）將老化后的散料成型為試件；（3）將試件置于85 ℃的鼓風(fēng)烘箱中加熱120 h，完成長(zhǎng)期老化。在受熱時(shí)，要確保托架的穩(wěn)定性，并且不與樣品接觸，以免樣品發(fā)生變形。所制老化瀝青混合料名稱為前四種瀝青混合料名稱后加上老化后的代號(hào)-A，例如：CAM-A表示老化后的普通瀝青混合料。按上述流程成型車轍板，并切割成小梁試件備用。

1.4損傷自愈合試驗(yàn)

瀝青混合料自修復(fù)有兩種方式：瀝青-骨料界面粘接修復(fù)和瀝青-骨料內(nèi)粘接修復(fù)。鑒于瀝青混凝土中的微觀裂紋是其疲勞損傷積累的主要原因，目前對(duì)其疲勞修復(fù)機(jī)制的認(rèn)識(shí)主要集中在膠凝材料粘結(jié)修復(fù)方面。

現(xiàn)有研究認(rèn)為，自修復(fù)依賴于瀝青中分子從裂縫一側(cè)向另一側(cè)的擴(kuò)散（見(jiàn)圖1），并據(jù)此將其劃分為三個(gè)階段：（1）裂縫界面的浸潤(rùn)；（2）分子的擴(kuò)散；（3）漫射分子的無(wú)規(guī)則重聚。之后，從裂縫處潤(rùn)濕范圍大小、材料表現(xiàn)出的剛度等參數(shù)或者是材料表面能的角度對(duì)瀝青混合料的自愈合行為進(jìn)行表征［12］。然而，在新裂隙中并不一定完全匹配，如裂隙太大難以浸潤(rùn)，導(dǎo)致分子難以擴(kuò)散和聚合。有部分學(xué)者試圖從毛細(xì)流動(dòng)理論的角度來(lái)研究瀝青混合料的自修復(fù)問(wèn)題，提出了一種新的思路：在瀝青混合料的自修復(fù)問(wèn)題中，裂縫之間不可避免地存在著接觸點(diǎn)，這些接觸點(diǎn)之間存在著壓力差，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度，瀝青混合料呈現(xiàn)牛頓流體狀態(tài)時(shí)，壓力差將促使瀝青混合料發(fā)生毛細(xì)流動(dòng)，從而導(dǎo)致裂縫的閉合（見(jiàn)圖2）。此外，黏稠性材料的觸變性還可以用來(lái)解釋瀝青混合料的自修復(fù)行為，即在外部荷載的作用下，瀝青混合料的黏度會(huì)發(fā)生改變，而這種改變?cè)谟|變性理論中是可以通過(guò)大分子間尺度弱鍵的演變實(shí)現(xiàn)可逆的，即當(dāng)外力消失后，其黏度會(huì)自動(dòng)回復(fù)到初始狀態(tài)［13］。

由于瀝青路面的自修復(fù)主要是在無(wú)載荷狀態(tài)下進(jìn)行，因此考慮在兩個(gè)疲勞加載中增加一個(gè)愈合時(shí)間，即“疲勞—愈合—再疲勞”加載。瀝青混合料試件經(jīng)過(guò)第一次疲勞試驗(yàn)，達(dá)到相應(yīng)的損傷狀態(tài)后，置于規(guī)定環(huán)境中自行修復(fù)，并在一定的時(shí)間后進(jìn)行第二次疲勞試驗(yàn)，以測(cè)試不同條件下的自愈合性能，以此為指標(biāo)評(píng)價(jià)其疲勞性能。

采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，考慮溫度及初始損傷程度兩個(gè)影響因素，將試驗(yàn)分A、B、C三組并按如下步驟進(jìn)行：

（1）設(shè)置試驗(yàn)溫度為17 ℃，三組均采用控制應(yīng)變水平加載，應(yīng)變水平為650 με，頻率為10 Hz，連續(xù)偏正弦波加載，其中在A、B組勁度模量降低到初始值的50%、C組為70%時(shí)，測(cè)試終止。

（2）完成初次疲勞試驗(yàn)后，三組試件均放入恒溫箱中，不同溫度條件下靜置5 h，其中A、C組溫度為17 ℃，B組為60 ℃。靜置5 h后，將所有試件放入17 ℃恒溫箱中3 h，待其達(dá)到試驗(yàn)溫度后進(jìn)行下一步驟。

（3）將靜置后的試件再次進(jìn)行疲勞測(cè)試，相關(guān)參數(shù)設(shè)置同步驟（1）。試驗(yàn)的自愈合條件見(jiàn)表5。

2基于損傷自愈合結(jié)果分析

待自愈合試驗(yàn)完成后，記錄初次循環(huán)加載時(shí)的疲勞壽命（Nf）、初始勁度模量（S0）、試驗(yàn)終止時(shí)的勁度模量（St）、第二次循環(huán)加載時(shí)的疲勞壽命（Nfh）、初始勁度模量（Sh0）、試驗(yàn)終止時(shí)的勁度模量（Sht），試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

由于損傷自愈合是一個(gè)漫長(zhǎng)且復(fù)雜的過(guò)程，其影響無(wú)法用單一的指標(biāo)來(lái)描述。因此，本文采用自愈合率（HI）表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算分析，見(jiàn)式（1）：

HI=DbDa×100%（1）

式中：Db——初次循環(huán)加載時(shí)的勁度模量下降速率；

Da——第二次循環(huán)加載的勁度模量下降速率。

本試驗(yàn)中D的計(jì)算如式（2）、式（3）所示：

Db=S0-StNf（2）

Da=Sh0-ShtNfh（3）

繪制不同溫度、損傷程度條件下，四種不同類型的瀝青混合料的自愈合率HI值，如下頁(yè)圖3所示。

對(duì)比三種自愈合條件可發(fā)現(xiàn)，過(guò)多的疲勞損傷積累，會(huì)極大地削弱瀝青混合料自愈合能力，經(jīng)70%的損傷積累后，自愈合性能下降了75%～90%，而同溫度下50%損傷程度的自愈合性能僅為45%。此外，瀝青混合料在相同損傷條件下，溫度越高自愈合率越高。由圖3（a）可知，瀝青混合料加入消石灰后，在60 ℃下的自愈合性最好，其自愈合率可達(dá)96%，而在17 ℃下則不會(huì)有顯著的改善作用。當(dāng)損傷條件為50%，單摻玄武巖纖維的瀝青混合料自愈合效果有所下降。其原因是瀝青混合料內(nèi)部還處在微裂紋擴(kuò)展階段，此時(shí)瀝青界面間的潤(rùn)濕擴(kuò)散條件良好，纖維的“橋接”對(duì)瀝青分子的擴(kuò)散沒(méi)有顯著的促進(jìn)作用，而且部分纖維在膠漿中的分布不均勻，會(huì)妨礙其自由運(yùn)動(dòng)、聚合，從而使其與骨料的結(jié)合性能下降；而在70%損傷條件時(shí)，混合料內(nèi)部的微裂縫已經(jīng)開始擴(kuò)展，纖維對(duì)瀝青分子的“橋接”作用開始顯現(xiàn)，使其具有更好的擴(kuò)散條件，擁有更好的自愈合性能，其自愈合率提升了2倍。玄武巖纖維與消石灰同時(shí)摻入的瀝青混合料具有較好的自愈合性能，在較大的初始損傷和高溫條件下（C、B條件），其自愈合率增加了6%～15%。另外，高溫老化對(duì)混合料影響不大，在上述兩種情況下，其自愈合性能下降幅度約為16%～26%。

伴隨著瀝青混合料的老化，其自愈合性能有一定程度的下降，此處引入自愈合指數(shù)衰減率（HIDR）表征老化后自愈合性能衰減的程度以及反映老化作用對(duì)疲勞損傷過(guò)程的影響。用HIDR進(jìn)行疲勞性能分析時(shí)，其定義如式（4）所示。按式（4）計(jì)算各瀝青混合料在三種自愈合條件下的HIDR值，結(jié)果如圖4所示。

HIDR=HI1-HI2HI×100%（4）

式中：HIDR——自愈合指數(shù)衰減率；

HI1——老化前的自愈合率；

HI2——老化后的自愈合率。

綜上所述，在較高的溫度范圍內(nèi)，加入消灰劑可以促進(jìn)瀝青混合料的疲勞修復(fù)，其自愈合率可達(dá)77%。玄武巖纖維的加入，在較輕的損傷下，不能促進(jìn)自愈合，而在較重的損傷下，“橋接”效應(yīng)明顯，可將自愈合速率提高1倍。同時(shí)，添加玄武巖纖維和消石灰的復(fù)合改性瀝青混合料能在高溫、高損傷狀態(tài)下保持＞20%的自愈合能力。結(jié)果表明，老化對(duì)瀝青混合料在高溫、高損傷條件下的自愈合能力有顯著的影響，主要原因在于瀝青老化后其輕質(zhì)成分會(huì)降低，使流動(dòng)性降低，從而嚴(yán)重影響其高溫下的自愈合能力，而過(guò)度累積的疲勞損傷會(huì)導(dǎo)致脆性老化瀝青材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)大，導(dǎo)致瀝青分子難以再回流擴(kuò)散進(jìn)行愈合。同時(shí)，HIDR也證實(shí)了在熱老化過(guò)程中，添加玄武巖纖維和消石灰能夠提高瀝青混合料的疲勞自愈合性能。

3結(jié)語(yǔ)

（1）在多種試驗(yàn)條件下，各種類型的瀝青混合料都具有不同程度的自愈合性能。其中，高溫（60 ℃）條件下，瀝青混合料的自愈合率（HI）較中溫（17 ℃）提高了35%～43%，且溫度對(duì)自愈合率的影響顯著。而在自愈合之前，過(guò)度的疲勞損傷會(huì)對(duì)自愈合效果產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，達(dá)到70%的疲勞損傷時(shí)自愈合率只有10%～25%，自愈合效果很差。

（2）消石灰在中溫時(shí)，更容易與瀝青中的極性官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，提高兩者之間的吸附性能，從而改善瀝青的自愈合性能。玄武巖纖維的添加對(duì)混合料的自愈合能力有一定的影響，當(dāng)初始疲勞破壞程度為50%時(shí)，自愈合能力下降約3%～7%；在疲勞損傷期，強(qiáng)度模量降低至原來(lái)的50%左右時(shí)，瀝青混合料內(nèi)部仍處在微觀裂紋的發(fā)展階段，并未產(chǎn)生宏觀裂紋。

（3）同時(shí)添加消石灰和玄武巖纖維的瀝青混合料，在較大初始損傷（C條件）和較高溫度下（B條件）都具備較好的自愈合能力，相對(duì)普通礦粉瀝青混合料，其自愈合（HI）分別增長(zhǎng)15%和6%，且老化后自愈合能力衰減程度較小，衰減幅度＜20%。

（4）在復(fù)合損傷狀態(tài)下，從自愈合率（HI）和自愈合指數(shù)衰減率（HIRD）兩個(gè)角度對(duì)瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行評(píng)估時(shí)，二者都能較好地反映反復(fù)加載下的損傷修復(fù)過(guò)程，且與疲勞特征有較好的關(guān)聯(lián)性，可被用作疲勞性能評(píng)估的指標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介：霍典（1988—），碩士，工程師，主要從事高速公路養(yǎng)護(hù)工作。