樂(lè)金朝，張世興，樂(lè)明靜，李瑞霞

(鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

自愈合材料指其本身具有修復(fù)損傷能力的材料。瀝青混合料的自愈合行為是指在荷載間歇期，瀝青混合料中的微裂縫由于瀝青分子的浸潤(rùn)、擴(kuò)散等運(yùn)動(dòng)而自動(dòng)愈合，性能逐漸恢復(fù)[1]。而巖瀝青是一種天然瀝青，可以將它作為改性劑摻入到瀝青混合料中，從而使其表現(xiàn)出優(yōu)良的路用性能[2]?，F(xiàn)如今，疲勞開(kāi)裂問(wèn)題已是瀝青路面在使用期間的主要損傷之一。因此，可以在道路工程中利用瀝青材料的自愈合性能對(duì)瀝青路面進(jìn)行及時(shí)養(yǎng)護(hù)，從而有效延長(zhǎng)路面的疲勞壽命。

關(guān)于瀝青自愈合方面的研究首先是針對(duì)瀝青膠結(jié)材料，由于瀝青膠漿在瀝青混合料中主要起黏結(jié)填充作用[3]，因此其對(duì)瀝青混合料的性能具有重要影響。近些年來(lái)，部分學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始對(duì)瀝青膠漿的自愈性展開(kāi)了研究。張宏等[4]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)瀝青膠漿流變性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)溫度等因素對(duì)瀝青膠漿流變性能具有較大影響；馬曉燕等[5]通過(guò)LAS試驗(yàn)對(duì)瀝青膠漿的疲勞壽命進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著填料體積分?jǐn)?shù)的增加，瀝青膠漿的疲勞壽命減??；姜皖[6]利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行疲勞-愈合-再疲勞試驗(yàn)，且采用能量法評(píng)價(jià)瀝青膠漿的自愈合性能，發(fā)現(xiàn)老化后的瀝青膠漿的自愈合性能較基質(zhì)瀝青膠漿相差很大；Shen等[7]借助DSR研究自愈合性能的影響因素，表明加載應(yīng)力水平、瀝青類(lèi)型、愈合時(shí)間及愈合溫度對(duì)自愈合能力影響明顯；崔亞楠等[8]通過(guò)疲勞-愈合-再疲勞試驗(yàn)指出SBS改性瀝青膠漿較基質(zhì)瀝青膠漿自愈合性能更好，過(guò)大或過(guò)小的粉膠比對(duì)瀝青膠漿的自愈合性能均會(huì)造成不良影響。上述的研究成果有效地推動(dòng)了瀝青膠漿自愈合行為的研究進(jìn)展，但是這些研究大多集中于自愈合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和影響因素，而沒(méi)有深入分析瀝青膠漿在間歇期自愈合行為的演變過(guò)程?？紤]到瀝青膠漿的自愈合行為是一個(gè)較為緩慢的過(guò)程，在間歇期的不同階段內(nèi)，由于受到瀝青類(lèi)型、愈合溫度、損傷度等影響，自愈合性能呈現(xiàn)出不同的規(guī)律性[9]?；谏鲜龇治?，筆者以兩種瀝青膠漿作為研究對(duì)象，在多種損傷度下開(kāi)展疲勞-自愈合試驗(yàn)，并且在不同愈合溫度條件下，觀測(cè)其性能變化過(guò)程，從而期望更深入地了解瀝青膠漿自愈合行為的演化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

本試驗(yàn)采用70號(hào)基質(zhì)瀝青和摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的伊朗巖瀝青改性瀝青[10]，兩者的基本技術(shù)指標(biāo)如下：25 ℃的針入度分別為65.3 (0.1 mm)、32.0 (0.1 mm)；針入度指數(shù)分別為-1.09、-0.64；5 ℃下延度分別為42.5 cm、11.3 cm；軟化點(diǎn)分別為48.4 ℃、57.5 ℃。礦粉選用石灰?guī)r礦粉。參考相關(guān)文獻(xiàn)[11]，利用高速剪切乳化機(jī)制備粉膠比為1的基質(zhì)瀝青膠漿和巖瀝青膠漿。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 疲勞試驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)開(kāi)展瀝青膠漿的疲勞試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)研究成果[12]，采用直徑為8 mm、間隙為2 mm的平行板，試驗(yàn)溫度為25 ℃，試驗(yàn)頻率為10 Hz，應(yīng)變?yōu)?%。根據(jù)式(1)計(jì)算瀝青膠漿的損傷度D，

D=1-Gb/Gi，

(1)

式中：D為損傷度，%；Gi為初始復(fù)數(shù)模量，Pa；Gb表示愈合前的復(fù)數(shù)模量，Pa。

1.2.2 愈合監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

當(dāng)瀝青膠漿達(dá)到設(shè)定損傷度后對(duì)其停止加載，通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)溫度，使瀝青膠漿在不同溫度下自動(dòng)愈合[9]。每5～20 min監(jiān)測(cè)一次瀝青膠漿的性能。為了減小對(duì)瀝青試件性能的影響，監(jiān)測(cè)時(shí)采用小應(yīng)變(0.001%)[13]。當(dāng)試件的愈合指數(shù)等于1，或愈合指數(shù)增長(zhǎng)的速率小于0.001/min時(shí)終止試驗(yàn)?；|(zhì)瀝青膠漿與巖瀝青膠漿均在10 Hz、25 ℃下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，愈合溫度分別選取15、20、25、30 ℃，在4種溫度下均開(kāi)展損傷度為20%的疲勞-自愈合試驗(yàn)。此外，在25 ℃下還開(kāi)展損傷度分別為40%、50%、55%、60%、80%的疲勞-自愈合試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 愈合時(shí)間的影響

為了分析瀝青膠漿的自愈合行為，筆者將采用式(2)作為愈合評(píng)價(jià)指標(biāo)[10]。

(2)

式中：HI為愈合指數(shù)；Gi為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的復(fù)數(shù)剪切模量，Pa；Gb為自愈合行為發(fā)生前的復(fù)數(shù)剪切模量，Pa；Ga為自愈合發(fā)生后的復(fù)數(shù)模量，Pa。

選取愈合溫度25 ℃，損傷度20%下基質(zhì)瀝青膠漿和巖瀝青膠漿的愈合監(jiān)測(cè)曲線作為典型，以此來(lái)深入探尋在愈合時(shí)間增長(zhǎng)條件下，荷載間歇期內(nèi)瀝青膠漿自愈合性能的變化規(guī)律，如圖1所示。由圖1可以看出，基質(zhì)瀝青膠漿和巖瀝青膠漿的愈合指數(shù)均隨著愈合時(shí)間的增加而增大，且愈合曲線形態(tài)均呈現(xiàn)“兩段”型：自愈合穩(wěn)定前的增長(zhǎng)發(fā)展型曲線和自愈合穩(wěn)定后的穩(wěn)定型曲線。其中，增長(zhǎng)發(fā)展型曲線為“半拋物線”形，隨著間歇期的增加，曲線的斜率逐漸降低，并且可以發(fā)現(xiàn)自愈合行為早期速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于愈合后期速率。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是隨著瀝青膠漿性能的恢復(fù)，損傷試件的性能已接近原始狀態(tài)，從而導(dǎo)致愈合速率降低，瀝青膠漿的自愈合行為減弱；另一方面，在瀝青膠漿愈合的初期階段，會(huì)受到觸變性的影響[16]，此時(shí)復(fù)數(shù)剪切模量的恢復(fù)由自愈性和觸變性兩種作用共同疊加，因此愈合速率初期大于后期。自愈合穩(wěn)定后的穩(wěn)定型曲線幾乎呈水平狀，此時(shí)瀝青膠漿達(dá)到了最大的愈合能力，其性能的恢復(fù)已經(jīng)趨于穩(wěn)定。此外，有個(gè)別瀝青試件的愈合指數(shù)HI略大于1，初步認(rèn)為可能是由于瀝青材料空間硬化造成的[15]。

圖1 瀝青膠漿典型愈合曲線Figure 1 Typical self-healing curves of asphalt mortar

2.2 愈合溫度的影響

繪制不同溫度條件下?lián)p傷度為20%的兩種不同瀝青膠漿的自愈合變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同愈合溫度下瀝青膠漿愈合曲線Figure 2 Self-healing curves of asphalt mortar under different temperature

不同溫度下兩種瀝青膠漿自愈性可以從圖2曲線中直觀看出。中溫階段基質(zhì)瀝青膠漿和巖瀝青膠漿兩種材料的愈合曲線均上升，表示中溫階段的溫度對(duì)瀝青膠漿的自愈合行為具有一定作用，但作用程度不同。處于中溫范圍內(nèi)升高溫度，能增大瀝青膠漿的愈合速率，使瀝青膠漿盡快達(dá)到愈合峰值，變?yōu)榉€(wěn)定。因此，在實(shí)際工程中，為充分利用瀝青材料的自愈性，可以采用熱誘導(dǎo)[16]的方式來(lái)提高自愈合的速率。

通過(guò)進(jìn)一步深入分析可以發(fā)現(xiàn)，在中溫范圍內(nèi)，溫度的逐漸升高對(duì)瀝青膠漿自愈合性能的促進(jìn)并不能夠無(wú)限增長(zhǎng)，而是越來(lái)越弱。兩種瀝青膠漿的愈合溫度從25 ℃增長(zhǎng)到30 ℃，愈合曲線已經(jīng)變得較為接近，達(dá)到愈合穩(wěn)定的時(shí)間僅相差約40 min。通過(guò)研究認(rèn)為在中溫范圍內(nèi)，溫度對(duì)自愈速率具有重要影響，但對(duì)愈合指數(shù)最終穩(wěn)定值的影響則微弱。在溫度為15 ℃、20 ℃條件下，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，基質(zhì)瀝青膠漿和巖瀝青膠漿的自愈合曲線的斜率均大于0，HI分別為0.534、0.748、0.715、0.914，若給予足夠的間歇時(shí)間，愈合指數(shù)可能增長(zhǎng)到1。

2.3 損傷度的影響

圖3給出了在愈合溫度25 ℃下不同損傷度兩種瀝青膠漿自愈合發(fā)展曲線。在不同損傷度下，兩種瀝青膠漿均表現(xiàn)出了自愈性，即便在高損傷度條件下，瀝青膠漿依舊發(fā)生了自愈合行為[17]。由于損傷度的增大，瀝青膠漿中的微裂紋變長(zhǎng)、變寬，瀝青膠漿分子的毛細(xì)作用速率逐漸減小，分子擴(kuò)散距離也隨之變長(zhǎng)，因此損傷度的增大降低了愈合速率。通過(guò)研究認(rèn)為，損傷度的增加不僅會(huì)影響瀝青膠漿的自愈合速率，而且會(huì)改變自愈合穩(wěn)定狀態(tài)。在圖3中能夠明顯地看到愈合溫度為25 ℃的基質(zhì)瀝青膠漿分別在不同損傷度(20%、40%、50%)條件下，仍能恢復(fù)到初始完整狀態(tài)，而從D=55%開(kāi)始，愈合指數(shù)明顯低于1且已達(dá)到愈合穩(wěn)定狀態(tài)，表明其無(wú)法恢復(fù)到初始狀態(tài)。同樣試驗(yàn)現(xiàn)象在巖瀝青膠漿試驗(yàn)結(jié)果中也可獲得，但巖瀝青膠漿則從D=60%開(kāi)始，愈合指數(shù)上升不到1。由以上分析可以看出，初始損傷程度增大，瀝青膠漿的自愈合性能降低，其損傷度存在一定的閾值。當(dāng)瀝青膠漿的損傷度小于該閾值損傷度時(shí)，其仍然具有恢復(fù)至原始狀態(tài)的愈合能力，經(jīng)歷一段間歇期，瀝青膠漿可以完全恢復(fù)；但當(dāng)瀝青膠漿的損傷度大于該閾值損傷度時(shí)，瀝青膠漿則無(wú)法恢復(fù)到原始狀態(tài)，也即無(wú)論愈合時(shí)間的長(zhǎng)短，愈合穩(wěn)定后其愈合指數(shù)HI均小于1。當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，基質(zhì)瀝青膠漿的閾值損傷度為50%，而巖瀝青膠漿的閾值損傷度則略高于基質(zhì)瀝青膠漿，為55%。

圖3 不同損傷度下瀝青膠漿愈合曲線Figure 3 Self-healing curves of asphalt mortar under different damage degrees

2.4 瀝青類(lèi)型的影響

巖瀝青很大程度上改變了瀝青的性能，為了深入探究瀝青類(lèi)型對(duì)瀝青膠漿自愈合行為的影響，在25 ℃下使瀝青膠漿愈合，選取低于和高于閾值損傷度的典型愈合曲線進(jìn)行研究，如圖4所示。當(dāng)小于閾值損傷度時(shí)，巖瀝青的摻入，增大了愈合效率及速率，使瀝青膠漿加速恢復(fù)到初始狀態(tài)；而大于閾值損傷度時(shí)，不僅提升了愈合速率和效率，而且提高了瀝青膠漿的愈合能力，使膠漿能夠恢復(fù)到接近疲勞前的狀態(tài)。

圖4 不同瀝青膠漿愈合曲線Figure 4 Self-healing curves of different asphalt mortar

為了探究瀝青膠漿疲勞自愈合行為在巖瀝青影響下的作用機(jī)理，使兩種瀝青膠漿在不同條件下愈合0.1 min，所得結(jié)果見(jiàn)表1。由表1和圖4可得，愈合初始階段巖瀝青膠漿愈合指數(shù)較低，但其愈合曲線斜率較大，愈合指數(shù)增長(zhǎng)速度較快，短時(shí)間后巖瀝青膠漿的愈合指數(shù)將大于基質(zhì)瀝青膠漿的愈合指數(shù)。

表1 不同條件下瀝青膠漿愈合指數(shù)Table 1 Healing index of asphalt mortar under different conditions

瀝青膠漿的自愈行為包含兩部分：由毛細(xì)作用引起的分子潤(rùn)濕黏附性愈合和由分子擴(kuò)散引起的黏聚性愈合[18]，停止荷載后，在很短時(shí)間內(nèi)潤(rùn)濕黏附性愈合便可完成，間歇期內(nèi)主要進(jìn)行分子黏聚性愈合。由表1和圖4對(duì)比可得，巖瀝青降低了瀝青膠漿的分子潤(rùn)濕黏附性愈合能力，但同時(shí)增強(qiáng)了分子黏聚性愈合能力。由此可以推知，加入巖瀝青會(huì)吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，使其形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，此時(shí)膠漿分子流動(dòng)性降低，分子間作用力增大，表現(xiàn)為瀝青膠漿變硬[19]。同時(shí)其毛細(xì)作用減弱體現(xiàn)在愈合過(guò)程中巖瀝青膠漿潤(rùn)濕黏附性愈合能力降低。雖然巖瀝青膠漿的分子流動(dòng)性降低，導(dǎo)致擴(kuò)散速率減慢，但是微裂縫寬度與分子間作用力有關(guān),這也是黏聚性愈合強(qiáng)度的影響因素之一[20]，因此巖瀝青摻入后，分子作用力提升，黏聚性愈合強(qiáng)度得到增強(qiáng)，愈合效率得到顯著提升。綜上所述，巖瀝青的摻入，會(huì)顯著增強(qiáng)瀝青膠漿的愈合能力。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)愈合溫度和損傷度相同時(shí)，隨著愈合時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青膠漿的愈合形成“兩段”型的曲線，即增長(zhǎng)型曲線(呈“半拋物線”狀)和穩(wěn)定型曲線(呈“水平”狀)，且曲線總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(2)隨著愈合溫度的提高，瀝青膠漿在中溫范圍內(nèi)的愈合速率隨之增強(qiáng)，但溫度對(duì)該愈合速率的促進(jìn)作用則逐漸減小。

(3)瀝青膠漿存在閾值損傷度。在疲勞損傷達(dá)到閾值損傷度之前，瀝青膠漿能夠通過(guò)自愈合恢復(fù)到原始狀態(tài)；而一旦超過(guò)閾值損傷度，則難以恢復(fù)到原始狀態(tài)。其中，在25 ℃條件下，基質(zhì)瀝青膠漿的閾值損傷度為50%，巖瀝青膠漿的閾值損傷度為55%。

(4)巖瀝青降低了瀝青膠漿的初期潤(rùn)濕黏附性愈合能力，但同時(shí)提高了分子黏聚性愈合能力，因此，整體上講，巖瀝青的摻入有利于增強(qiáng)瀝青膠漿的愈合性能。