不同老化狀態(tài)下瀝青自愈合性能研究

關(guān)鍵詞：公路工程；老化狀態(tài)；疲勞-愈合-疲勞試驗(yàn)；自愈合性能中圖分類號(hào)：U414.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.Wccst.2025.03.006文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0021-04

0 引言

瀝青路面在長期服役過程中，受紫外光、熱和氧氣等因素的影響而發(fā)生老化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致瀝青變硬，更容易在荷載作用下產(chǎn)生疲勞裂縫[1-2]。值得注意的是，瀝青材料具有一定的自愈合性能，即當(dāng)瀝青材料受到荷載作用后，經(jīng)過一段時(shí)間的愈合，能夠恢復(fù)部分性能[3-4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)瀝青材料的自愈合性能進(jìn)行了大量研究。SUN等[5比較了四種不同標(biāo)號(hào)瀝青的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其自愈合性能的影響，結(jié)果表明小分子/大分子含量比大且高芳香分含量的瀝青具有更強(qiáng)的自愈合性能。TANG等通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瀝青在軟化點(diǎn)溫度下表現(xiàn)出最佳自愈合性能，且老化后的瀝青最佳自愈合溫度有所提升。周璐等通過拉拔試驗(yàn)探究了多種因素對(duì)瀝青自愈合性能的影響，結(jié)果表明高溫和干燥條件有利于瀝青的自愈合。陳龍等研究了不同再生劑摻量、愈合時(shí)間等因素下再生瀝青的疲勞與自愈合性能。肖亞軍等9采用分子動(dòng)力學(xué)模擬不同瀝青自愈合過程，發(fā)現(xiàn)再生劑能夠起到活化潤滑作用，提高老化瀝青擴(kuò)散速率。目前，針對(duì)瀝青自愈合性能的研究成為熱點(diǎn)[10-12]。然而，針對(duì)不同老化狀態(tài)下，尤其是紫外老化對(duì)瀝青自愈合性能的影響尚不甚明確。

基于此，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M瀝青短期老化、紫外老化和長期老化過程，并采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)瀝青進(jìn)行疲勞-愈合-疲勞試驗(yàn)，探討愈合時(shí)間和損傷程度對(duì)于瀝青自愈合性能的影響，以期為瀝青自愈合性能的研究提供新的思路。

原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

本文采用的基質(zhì)瀝青為 SK70^? 瀝青，其基本性能見表1。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1瀝青老化試驗(yàn)

為了模擬瀝青不同程度的老化狀態(tài)，對(duì)瀝青進(jìn)行薄膜加熱試驗(yàn)（ThinFilmOvenTest，TFOT）以及壓力容器老化試驗(yàn)（PressureAgingVessel，PAV），模擬瀝青的短期和長期老化。此外，采用室內(nèi)紫外線照射的方法模擬瀝青的紫外老化過程，將瀝青放入溫度為40℃、配有500W紫外燈的紫外老化烘箱中進(jìn)行80h的紫外老化。為了便于分析，后文中的未老化瀝青、短期老化、紫外老化以及長期老化瀝青分別簡寫為UA（Unaged）、TFOT、UV（Ultraviolet）和PAV。

1.2.2溫度掃描

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DynamicShearRheometer，DSR）對(duì)瀝青進(jìn)行溫度掃描，評(píng)價(jià)不同老化瀝青高溫性能變化情況。試驗(yàn)采用25mm平行板進(jìn)行，板間距為 1mm 溫度為 30°C～70°C ，溫度間隔為 5^°C ，加載應(yīng)變?yōu)?.25% ，試驗(yàn)頻率為 10rad/s

1.2.3疲勞-愈合-疲勞試驗(yàn)

為了分析不同老化瀝青自愈合性能的變化，采用DSR對(duì)瀝青進(jìn)行疲勞-愈合－疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)采用800mm 平行板，板間距為 2mm 。首先在25℃、 5% 應(yīng)變、10Hz的條件下對(duì)瀝青進(jìn)行時(shí)間掃描。當(dāng)瀝青復(fù)數(shù)模量下降至某一水平時(shí)，停止試驗(yàn)進(jìn)行愈合。隨后，在同樣加載條件下再次進(jìn)行時(shí)間掃描，當(dāng)瀝青復(fù)數(shù)模量再次下降至同一水平時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

在試驗(yàn)結(jié)束后，按式（1）計(jì)算愈合因子 HI （HealingIndex評(píng)價(jià)瀝青自愈合性能。在計(jì)算 HI 后，采用如式（2）所示的，根據(jù)瀝青分子擴(kuò)散理論提出的瀝青自愈合模型對(duì) HI 進(jìn)行擬合[13]。

HI=HI+φ?t^0.25

式中： G⁰ 試驗(yàn)初始復(fù)數(shù)模量/Pa；G_a 愈合后瀝青復(fù)數(shù)模量/Pa;G_d 時(shí)間掃描結(jié)束后瀝青復(fù)數(shù)模量/Pa;T_↑ 第一次時(shí)間掃描加載時(shí)間/s；T₂ 第二次時(shí)間掃描加載時(shí)間/s;HI₀ 與愈合溫度相關(guān)的瞬時(shí)愈合因子，無量綱；φ 中 與損傷程度、愈合溫度等有關(guān)的長期愈合因子，無量綱；1 愈合時(shí)間/ σ_S

1.2.4紅外光譜試驗(yàn)

對(duì)不同老化狀態(tài)下瀝青進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)，分析瀝青官能團(tuán)變化情況，探究瀝青老化機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗車轍性能

不同老化瀝青車轍因子與溫度關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，不同老化狀態(tài)下瀝青的車轍因子由大到小依次為PAV、UV、TFOT和UA。這表明，老化后瀝青變硬，抗車轍性能提升，其中短期老化對(duì)于瀝青高溫性能影響最小。在長時(shí)間的紫外光作用后，瀝青的硬度逐漸增加，抗車轍性能也高于短期老化后的瀝青。長期熱氧老化后，瀝青中的輕質(zhì)組分揮發(fā)，瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等重質(zhì)組分比例增加，從而表現(xiàn)出良好的高溫性能。

2.2不同愈合時(shí)間的影響

對(duì)瀝青進(jìn)行疲勞-愈合-疲勞試驗(yàn)，當(dāng)復(fù)數(shù)模量下降至 50% 后，分別給予10min、20min和30min的愈合時(shí)間。未老化瀝青在不同愈合時(shí)間下復(fù)數(shù)模量隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，在初次的時(shí)間掃描過程中，瀝青復(fù)數(shù)模量呈現(xiàn)出先下降，隨后緩慢降低，再急劇降低的趨勢(shì)。瀝青復(fù)數(shù)模量第一次急劇下降是由于瀝青材料的觸變性所引起的[14，隨后瀝青復(fù)數(shù)模量進(jìn)入了持續(xù)降低階段。這表明瀝青在長期荷載作用下，因其自身強(qiáng)度不足，無法繼續(xù)抵抗荷載作用，導(dǎo)致瀝青內(nèi)部裂縫快速增長。在愈合后，瀝青的復(fù)數(shù)模量有所恢復(fù)，且愈合時(shí)間越長，恢復(fù)水平越高。在20min與30min的愈合時(shí)間下，瀝青復(fù)數(shù)模量恢復(fù)至初始模量 60% 以上的水平。這表明，延長愈合時(shí)間是有效提升瀝青自愈合性能的手段。

不同老化狀態(tài)下瀝青復(fù)數(shù)模量隨加載時(shí)間變化關(guān)系與未老化瀝青類似，區(qū)別在于瀝青初始抗疲勞性能與愈合后模量恢復(fù)水平不同。因此，按式（1）計(jì)算不同瀝青HI ，并按式（2）所示的自愈合模型進(jìn)行擬合。不同瀝青HI 與愈合時(shí)間關(guān)系如圖4所示，擬合結(jié)果見表2。

由圖4可知，在10min的愈合時(shí)間下，紫外老化后的瀝青 HI 最大，達(dá)到 1% ，而其他三種瀝青的 HI 相差不大，為 0.75% 。隨著愈合時(shí)間的延長，UA的 HI 提升幅度最為顯著，在20min和30min的愈合時(shí)間下， HI 均為所有瀝青中最大，這表明延長愈合時(shí)間對(duì)提升未老化瀝青自愈合性能最為有效。根據(jù)表2的擬合結(jié)果，使用式（2）所示的自愈合方程對(duì)瀝青 _HI 進(jìn)行擬合的精度較高，其R² 均 gt;0.8. 。自愈合方程中 HI₀ 表征瀝青的瞬時(shí)愈合因子，其值越大則瀝青瞬時(shí)愈合性能越好； φ 表征長期愈合因子，其值越大，長期愈合性能越好。從表2可以看到，在不同老化程度下，PAV瀝青的 HI₀ 最大，而 φ 最小。這是由于長期老化后，瀝青的強(qiáng)度和彈性恢復(fù)性能均有所提升，在荷載作用后，其自身強(qiáng)度能夠使瀝青恢復(fù)部分性能。UA、TFOT和UV瀝青的 HI₀ 逐漸增大，這同樣是因?yàn)殡S著老化程度的加深，瀝青強(qiáng)度逐漸增大，從而使瞬時(shí)愈合性能越來越好。相反，隨著瀝青老化程度的加深，瀝青的長期愈合因子 φ 逐漸減小。根據(jù)分子擴(kuò)散愈合理論，這是由于老化后，瀝青中輕質(zhì)組分減少，當(dāng)瀝青內(nèi)部出現(xiàn)損傷后，裂縫兩端的大分子無法很好地潤濕、擴(kuò)散和重新排列，進(jìn)而導(dǎo)致其長期愈合性能減弱。

2.3不同損傷程度的影響

根據(jù)疲勞-愈合-疲勞試驗(yàn)示意圖（圖1），將 G_b/G⁰ 定義為瀝青的損傷程度 D 。本文對(duì)不同老化狀態(tài)下的瀝青分別進(jìn)行損傷程度為0.3、0.5和0.7的疲勞一愈合一疲勞試驗(yàn)，并計(jì)算其 HI ，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看到，在不同愈合時(shí)間下，隨著損傷程度的增大，不同瀝青的 HI 均逐漸降低。同時(shí)，對(duì)于老化后的瀝青， D 越大， HI 降低幅度越顯著。此外，在不同愈合時(shí)間下，當(dāng) D=0.3 時(shí)，UV和PAV瀝青的 HI 略高于未老化瀝青，即當(dāng) D 較低時(shí)，老化瀝青在損傷后的快速恢復(fù)性能優(yōu)于未老化瀝青。這是由于老化后瀝青內(nèi)部重質(zhì)組分比例增加，導(dǎo)致瀝青彈性提升，從而提升其抗疲勞性能。

值得注意的是，在 D 較低時(shí)，不同愈合時(shí)間下TFOT瀝青的 HI 同時(shí)低于UA、UV和PAV瀝青。這是因?yàn)殡m然經(jīng)過短期老化后瀝青內(nèi)部輕質(zhì)組分有所減少，其強(qiáng)度仍低于UV和PAV老化后的瀝青，這一點(diǎn)從溫度掃描結(jié)果也可以看出。因此，在較低的損傷程度下，TFOT瀝青的損傷后快速恢復(fù)性能不如UV和PAV老化瀝青。而未老化瀝青富含輕質(zhì)組分，在受到損傷后，經(jīng)過分子的潤濕、擴(kuò)散和重新排列過程，使得瀝青性能有所恢復(fù)。當(dāng)D 為0.7時(shí)，不同愈合時(shí)間下未老化瀝青的 _HI 是四種瀝青中最大的，而TFOT、UV和PAV瀝青的 HI 逐漸減小。這表明在瀝青受到嚴(yán)重?fù)p傷后，瀝青中的輕質(zhì)組分含量越多，越能夠促進(jìn)瀝青內(nèi)部損傷界面處分子的擴(kuò)散，進(jìn)而提升其自愈合性能。

2.4老化機(jī)理分析

不同老化狀態(tài)下瀝青紅外光譜如圖6所示。

從圖6可以看出，不同老化狀態(tài)下瀝青的紅外光譜圖基本一致，僅在幾個(gè)特征峰上存在差異。在2917cm^-1 和 2850cm^-1 處是亞甲基 （-CH₂-） 和甲基（-CH₃） 的伸縮振動(dòng)峰。在 1700cm^-1 處，UA、TFOT和UV瀝青的吸收峰并不顯著，而長期老化后的瀝青則出現(xiàn)明顯的吸收峰，這是瀝青在長期熱氧老化后發(fā)生氧化反應(yīng)，生成了基（ C=O 吸收峰。在 1420cm^-1 和1375cm^-1 處，是甲基 （-CH₃） 中 C-H 鍵的非對(duì)稱和對(duì)稱彎曲振動(dòng)。在 1030cm^-1 處，出現(xiàn)由亞砜基 S=O） 引起的吸收峰，與 C=0 一樣，PAV老化瀝青中 s=0 吸收峰較為顯著，而其他三種瀝青并不明顯，這同樣是由于長期熱氧作用導(dǎo)致瀝青發(fā)生氧化反應(yīng)。在 877～730cm^-1 存在三個(gè)明顯的吸收峰，這是由瀝青內(nèi)部芳香分中的苯環(huán)引起的。從圖6還可以看出，瀝青在光老化和熱老化后，其輕質(zhì)組分損失，同時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成含有羰基和亞砜基的化合物，這也是導(dǎo)致瀝青強(qiáng)度增加、自愈合性能減弱的原因。

3結(jié)語

本文通過溫度掃描，以及在不同愈合時(shí)間、損傷程度和愈合溫度下的疲勞-愈合-疲勞試驗(yàn)，探討了短期老化、紫外老化和長期老化對(duì)瀝青自愈合性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）老化后瀝青強(qiáng)度增加，抗車轍性能提升。不同老化狀態(tài)下，瀝青強(qiáng)度由小到大依次為UA、TFOT、UV和 PAV。

（2延長愈合時(shí)間能夠提升瀝青自愈合性能，且對(duì)UA的效果最為顯著。老化后，UV和PAV瀝青強(qiáng)度增加，在荷載作用下其自身彈性使性能有所恢復(fù)，增強(qiáng)了瞬時(shí)愈合性能，但長期愈合性能不如未老化瀝青。

（③）損傷程度越大，瀝青自愈合性能越差。當(dāng)損傷程度較低時(shí)，UV和PAV老化瀝青自愈合性能要優(yōu)于UA和TFOT。然而，當(dāng)損傷程度較大時(shí)，不同愈合時(shí)間下UA瀝青自愈合性能最佳。

（4）老化后，瀝青內(nèi)部輕質(zhì)組分蒸發(fā)，重質(zhì)組分比例增加。同時(shí)，在長期熱氧老化作用后，瀝青中發(fā)生氧化反應(yīng)，生成羰基、亞砜基等結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致瀝青強(qiáng)度提升。

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