乳化沥青对沥青混凝土裂纹愈合性能的影响分析*

Martin Riara 罗 钦 杨钦麟 唐 平 磨炼同

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室1) 武汉 430070)(广东省南粤交通投资建设有限公司2) 广州 510101)

0 引 言

沥青混凝土路面由于受长期行车荷载、温度效应,以及基层反射效应等因素的作用，会产生疲劳开裂、温缩裂缝和反射裂缝等病害.裂缝的产生和发展将降低沥青路面的结构性能，严重影响路面的服役寿命[1-2].沥青材料作为一种典型的黏弹性材料，其具有时间相关性和温度敏感性，这为沥青材料的自愈合提供了基础[3].在常温和没有外部荷载的作用条件下，沥青混凝土可以实现裂缝的自愈合，但其裂纹自愈合速度非常缓慢.

当前国内外学者从沥青、沥青胶浆、沥青砂浆和沥青混合料等不同尺度开展沥青混凝土路面自愈合的裂纹自愈合修复研究，提出了两种可增强沥青材料自修复能力的方法:物质补给法(微胶囊技术)和被动供能法(磁感应加热和微波加热技术)，从而提高沥青混凝土的自修复能力，激励沥青材料愈合[4].其中微胶囊愈合技术主要利用微胶囊包裹愈合剂混入沥青混合料中，在裂纹产生时微胶囊破裂释放愈合剂修复裂缝.该技术成本较高且在沥青混合料中产生裂缝的同一区域愈合次数有限[5-6].磁感应和微波加热愈合方法利用在沥青混合料引入铁质材料，从而可利用外部磁感应和微波对沥青路面进行加热以促进裂纹愈合.这种方法局限于修复愈合沥青材料中出现的微小裂纹，对于宏观裂纹的修复能力有限[7-8].填缝与灌缝修补法是目前最常用的修补沥青混凝土路面宏观裂缝的方法，但是该养护方式只是起到表面防水，不能很好的提高裂缝粘结强度，同时由于修补材料与原路面沥青混凝土的粘结性能不好，往往不能达到有效地封缝防水的效果.为了达到封缝防水的养护效果，文中提出乳化沥青处治沥青混凝土裂缝的养护方式以促进裂缝的自愈合修复.为此，采用沥青混凝土半圆形三点弯曲试件研究普通乳化沥青和改性乳化沥青对裂缝愈合性能的影响，分析不同类型乳化沥青、不同养护时间和断裂-再愈合因素对裂缝愈合性能的影响.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

沥青混合料采用我国沥青路面表面层应用最广泛的AC-13级配，其级配范围及合成级配见表1.玄武岩集料的基本性能为:压碎值12%;洛杉矶磨耗值7.8%;针片状颗粒含量12.5%;密度2.961 g/cm3.矿粉为石灰石矿粉，其密度为2.83 g/cm3;化学组成为51.8%CaO，34.9%SiO2和1.29%Al2O3.沥青采用SBS改性沥青，其三大指标,针入度(25 ℃)为72.6,(0.1 mm);软化点,68 ℃;延度(5 ℃)为52 cm.通过AC-13沥青混合料通过马歇尔设计方法确定其最佳油石比为4.7%，对应的孔隙率为4.5%.

表1 AC-13沥青混合料设计级配

选用基质乳化沥青(BBE)和SBR改性乳化沥青(SBRE)分别为沥青混凝土裂缝愈合剂，以促进裂缝的粘结与愈合.以上两种乳化沥青均为阳离子乳化沥青，且蒸发残留物含量大于50%.BBE和SBRE两种乳化沥青分别满足文献[9]中PC-1基质沥青乳化沥青和PCR改性乳化沥青相关规范.表2为两种乳化沥青蒸发残留物的化学组成、60 ℃粘度及25 ℃乳液粘度.

表2 乳化沥青的化学组成和粘度

1.2 试件的制备

半圆三点弯曲试验广泛用来评价沥青混凝土断裂愈合前后的抗断裂性能.采用Troxler-4140型旋转压实仪成型孔隙率为4±0.5%，直径为150 mm的沥青混合料试件.采用钻芯取样从旋转压实试件钻取直径为100 mm的圆柱体试件，然后根据文献[10]要求将该圆柱体试件切割成厚度为25 mm的圆形试件，再将该圆形试件切成两个半圆，并在半圆形试件中部切一个10 mm深、4 mm宽的凹槽，具体尺寸见图1.

图1 半圆形沥青混凝土试件尺寸和试验过程

1.3 试验方法

本文采用动态伺服液压材料试验系统(UTM-25)对沥青混凝土半圆试件进行三点弯曲试验.试验之前，先将所有半圆形试件在-10 ℃的恒温箱中保温4 h.根据文献[7]可知，该试验温度能使试件出现脆性变形，免受蠕变变形的影响.保温结束后将试件按照图1的方法放在试验支架上，该试验荷载的加载速率为0.5 mm/min，试验过程中仪器将自动记录试验荷载和垂直位移得到荷载-位移曲线.为了避免试验过程中由于低温附着在试件表面的水分影响试件的愈合，当试件完全断裂后，将其置于室温(25 ℃)条件下放置2 h使试件表面水分充分挥发.然后用软木刷均匀涂抹两种不同乳化沥青(BBE和SBRE乳化沥青分别为0.5 kg/m2和0.4 kg/m2)在沥青混凝土断面上，再将涂抹有乳化沥青的断裂试件放回一起并轻轻按压，并放置在室温条件下愈合.该试验中，愈合养护时间有1，2，4和8 d，愈合循环次数共4次.愈合指数(HI)为

(1)

式中：Fa为试件初始断裂最大试验荷载；Fi为试件断裂愈合最大试验荷载.

2 试验结果与讨论

2.1 乳化沥青质量变化规律

图2 乳化沥青在沥青试件表面的质量变化

图2为BBE和SBRE两种不同类型乳化沥青涂在沥青混凝土断面上后的质量变化.随着在空气中暴露的时间增加，两种类型乳化沥青的质量逐渐减少.其中，乳化沥青质量损失变化最大出现在养护的前三天，然后其质量变化较小，出现一个平台区域.乳化沥青质量减少主要是由于材料中水和其他易挥发组分的流失，SBRE乳化沥青在前2 d时间内质量变化率最大，而BBE乳化沥青在养护头3 d均出现较大的质量变化.一般地，乳化沥青的质量变化速率会影响沥青混凝土试件的愈合和再愈合性能，其质量损失较快的乳化沥青残留物有更高的粘度，因此在愈合过程中需要更高的活化能润湿裂纹表面，达到修补裂纹的效果.

2.2 养护时间对愈合性能的影响

图3为不同养护时间和不同乳化沥青的沥青混凝土试件愈合指数.由图3可知，没有施加乳化沥青的试件愈合指数很低，在经过1，2，4,8 d养护时间后，其平均愈合指数分别为0.13%，0.19%，0.20%,0.18%，表明裂缝没有粘结力自愈合性能差.在沥青混凝土断面施加BBE和SBRE乳化沥青养护1 d后平均愈合指数分别达到32.3%和30.7%，这说明了乳化沥青具有促进沥青混凝土裂纹修复愈合的能力.此外，试件的愈合指数随着养护时间的延长而显著增加，当试件在室温下养护8 d，BBE和SBRE两种乳化沥青平均愈合指数分别达到67.8%和58.2%.整体而言，BBE愈合指数略高于SBRE乳化沥青，其与残留物粘度相一致.在养护的前2 d内试件的平均愈合速率增长较快.例如，BBE乳化沥青在2和8 d养护时间后平均愈合指数分别为47.5%和67.8%，SBRE乳化沥青在2和8 d养护时间后平均愈合指数分别为37.4%和58.2%.

图3 不同养护时间和不同乳化沥青的愈合指数

图4为不同养护时间沥青混凝土试件表面情况，由图4可知，经过4 d养护后，乳化沥青由于易挥发组分的流失出现粘度变大和表面硬化现象，而在前2 d养护时间内乳化沥青粘度较小，易软化周围沥青从而提高愈合效果，这与图2中的结论互为佐证.

图4 不同养护时间沥青混凝土试件表面情况

以上试验结果说明乳化沥青能显著地提高沥青混凝土路面的愈合效果，达到修补裂缝的功效.经过8 d养护时间后，沥青混凝土的愈合指数能与感应加热钢纤维沥青混凝土愈合指数相当.除了具有高的愈合性能，乳化沥青修复沥青混凝土路面还具有施工简单等优势，这使得乳化沥青在沥青道路预养护方面具有良好的操作性和前景.

2.3 多次断裂再愈合能力分析

多次断裂-愈合试验可模拟实际路面出现的多次断裂-再修复过程.未施加乳化沥青处治的沥青混凝土试件在第一个循环以后没有再次出现愈合现象.图5为沥青混凝土施加BBE和SBRE乳化沥青多次断裂-愈合的愈合指数.沥青混凝土试件多次断裂-愈合养护时间与初次养护时间保持一致，另外只在第一个循环里向沥青混凝土试件上施加乳化沥青，其他次数循环里不再施加乳化沥青.在经过四次断裂-再愈合循环后，BBE和SBRE乳化沥青愈合指数分别在32%～68%和30%～60%之间.BBE和SBRE乳化沥青在每1 d和每2 d断裂-再愈合循环过程中，其愈合指数保持稳定上升的趋势.在每4 d断裂-再愈合循环过程中，两种乳化沥青试件的愈合指数基本保持不变，而每8 d断裂-再愈合循环后两种乳化沥青试件的愈合指数都稍有下降.

图5 不同乳化沥青多次断裂愈合的愈合指数变化

在沥青混凝土愈合过程中，乳化沥青的扩散和干燥同时发生.扩散的动力来源于浓度梯度，所以在愈合初期沥青混凝土的愈合就以较高的速率进行.愈合1,2 d后断裂的沥青混凝土试件在后面的循环过程中保持着稳定的愈合指数增长.这可以用以下两个原因进行解释.①在多次愈合过程中，乳化沥青由于其粘度较低在沥青混凝土断裂面的扩散速率更快.由于乳化沥青粘度更低，乳化沥青润湿沥青混凝土断裂面所需的活化能更低.②乳化沥青和沥青混凝土断裂面之间化学成分的浓度梯度很大，为了达到浓度平衡，扩散将持续进行(虽然速率很慢).而经过了4 d的养护以后，沥青混凝土试件断裂面和乳化沥青之间已经形成了化学成分浓度的平衡.当这些试件进行更多次断裂-再愈合循环，仅仅依靠乳化沥青的残留物进行愈合的效果也不会有明显的提高.

利用乳化沥青进行试件的多次断裂-再愈合试验的1,2,4,8 d的愈合指数范围分别为30%～36%，37%～51%，47%～55%,55%～68%.这表明沥青混凝土裂缝愈合是一个长期性的过程，因此无间断愈合是使沥青混凝土试件得到最佳愈合效果的重要条件.然而在许多需要尽快开放交通的沥青混凝土路面，BBE乳化沥青将会比SBRE乳化沥青效果更优.因为BBE乳化沥青在断裂-再愈合过程中愈合指数相对较高且稳定，在实际道路行车荷载作用下依然具有较好的愈合性能.

为了研究愈合中断对沥青混合料试件愈合性能的影响研究，本文对总的养护时间为4 d的沥青混凝土试件进行对比分析.表3为沥青混凝土试件在养护1 d 4次循环和养护4 d 1次循环的愈合指数对比(即每一个试件愈合总时间都为4 d).由表3可知，愈合中多次断裂对沥青混凝土试件的愈合性能有很大的负面影响.BBE和SBRE乳化沥青的未中断愈合指数和中断愈合指数差值分别为13.4%和11.1%，这说明中断沥青试件愈合极大地影响其最终愈合指数.这是因为这两种乳化沥青干燥速率快，在养护的第3 d乳化沥青的残留物就基本保持不变，粘度上升快.由此可以看出传统的快干型乳化沥青(如BBE和SBRE乳化沥青)的愈合指数受愈合中断影响较大.虽然快干型乳化沥青材料是修补沥青混凝土裂缝的理想材料，尤其对于需要快速开放交通的道路，但是沥青混凝土的多次愈合效果对乳化沥青的干燥速率很敏感.对于路面需要承受外部荷载较大的重交通等级道路来说，路面经常出现断裂-再愈合过程，此时应该选用中断愈合过程其愈合指数影响较小的乳化沥青进行养护.相反地，对于停车场等轻交通等级道路来说，选择具有高愈合指数和适当的断裂-再愈合能力的乳化沥青是一种较好的处治方法.

表3 沥青混凝土试件愈合指数对比 %

3 结 束 语

本文采用半圆三点弯曲试验研究了常用的普通乳化沥青和SBR改性乳化沥青对AC-13沥青混凝土裂纹愈合性能的影响.试验结果表明，断裂后的沥青混凝土试件可以用乳化沥青进行修复.试件的愈合指数受到乳化沥青类型和养护时间的影响，修复后的沥青混凝土试件愈合指数范围为30%～70%之间，延长养护时间有利于提高愈合指数.多次断裂-再愈合循环证实传统基质乳化沥青和SBR改性乳化沥青具备多次愈合能力，干燥速率较快，多次断裂-再愈合能力较差.整体而言，BBE愈合指数略高于SBRE乳化沥青，其与残留物粘度相一致.

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