复杂环境因素影响下沥青混合料自愈合性能

崔亚楠， 郭 靖， 冯 蕾， 孙广宁

(1.内蒙古工业大学 土木工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010051； 2.内蒙古综合交通科学研究院， 内蒙古 呼和浩特 010051)

沥青路面在长期使用过程中，由于受温度、光照以及重载交通的影响，力学性能不断下降，道路表面出现开裂、唧浆、松散、脱落等各种病害现象，最终影响沥青路面的寿命.目前，国内外学者就沥青和沥青混合料的自愈合特性进行了较多的试验研究，主要集中于沥青及沥青混合料自愈合特点、自愈合表征及增强技术等方面，较少从细微观角度对多因素影响下的沥青混合料损伤自愈合性能进行研究，现有研究结果不能全面解释沥青混合料自愈合机制.Kim等[1]研究了沥青含量对混合料自愈合性能的影响，得出低沥青含量(质量分数为6.1%)混合料比高沥青含量(质量分数为7.2%)混合料具有更快的愈合速率.王昊鹏等[2]通过四点弯曲疲劳试验得出，养护温度越高，愈合时间越长，沥青混合料愈合效果越好的结论.黄卫东等[3]在对应的设计空隙率下，共选取了11种沥青混合料，通过四点弯曲疲劳试验进行了未考虑自愈合作用和考虑自愈合作用的沥青混合料疲劳性能对比试验研究.苑苗苗[4]在研究沥青混合料的疲劳特性时结合数字图像相关方法，得出了沥青混合料变形开裂特性与裂缝演变过程.为了更加准确地研究沥青混合料损伤自愈合的试验方法和评价指标的可靠性，有必要采用宏观力学和微观力学相结合的试验方法，在沥青混合料自愈合试验中考虑各种影响因素的综合作用.

本文共选取3种沥青混合料，在不同的损伤程度、老化程度、愈合时间和愈合温度条件下，进行了沥青混合料损伤自愈合性能对比研究，并通过数字散斑相关技术分析了老化程度对沥青混合料自愈合性能的影响，进而研究不同因素对沥青混合料自愈合性能的作用机制.

1 试验

1.1 原材料

试验采用90#基质沥青、SBS改性沥青和胶粉改性沥青，其性能指标如表1所示；集料为内蒙古的卓资山玄武岩碎石，分为0～5mm，5～10mm和 10～20mm 3档规格；矿粉为内蒙古毫沁营矿粉厂的石灰石矿粉.上述3种沥青混合料均采用AC-16型级配设计.

表1 3种沥青的基本性能指标

1.2 试验

1.2.1沥青混合料半圆弯拉试验

半圆试件的厚度为25mm，齐边长度为100mm，在试件底部中间位置设置深度为 10mm，宽度为 2mm 的预制切口，如图1所示.沥青混合料半圆弯拉试验采用UTM-100加载设备，以控制加载位移的方式进行，试验温度为15℃，施加荷载速率为0.1mm/s，达到目标损伤竖向位移后以50mm/min的速率迅速卸载[5].弯曲试验完成后，将损伤的试件静置于环境箱中在规定温度和规定时间下愈合，然后将半圆试件冷却至试验温度15℃，再进行半圆弯拉试验直至试件破坏.沥青混合料半圆弯拉试验采用正交试验设计方法(见表2)，同一条件下安排3次平行试验，去除误差大于20%的意外破坏试件，保证最终获取误差最小的2组数据进行分析比较.

图1 半圆试件Fig.1 Semicircular specimen(size:mm)

Sedwick[6]研究认为材料的断裂能密度(fracture energy density， FED)不会受试验方式或试件尺寸的影响；断裂能密度越大，产生破坏所需要的能量越大，材料性能就越好.断裂能密度是指材料开裂时单位体积所产生的能量，即从开始加载至达到峰值荷载之前荷载-位移曲线下的面积(见图2阴影部分).断裂能密度值可通过积分计算得到.

图2 FED示意图Fig.2 Calculation diagram of FED

采用断裂能密度自愈合指标HIFED来表征沥青混合料自愈合性能.HIFED越大表明沥青混合料自愈合效果越好，当自愈合指标HIFED为1时，表明沥青混合料的性能完全恢复.自愈合指标HIFED定义为愈合后试件的断裂能密度与愈合前试件的断裂能密度的比值，具体计算公式如下：

(1)

式中：FEDOriginal为未经损伤处理的沥青混合料试件进行半圆弯拉试验后获得的断裂能密度；FEDHealed为做过损伤处理的试件经一定条件愈合后进行半圆弯拉试验获得的断裂能密度.

1.2.2数字散斑技术

采用数字散斑试验研究老化程度(未老化、短期老化和长期老化)对沥青混合料自愈合性能的影响.

加载设备为WDW-10型万能试验机.试验以控制加载位移的方式进行，加载速率为0.1mm/min，持续加载，直至目标损伤的竖向位移为2.6mm，然后以同样速率卸载，直至外部荷载为0.试验开始后，加载系统与VIC-3D图像采集系统同时工作，整个试验过程分为加载阶段、卸载阶段和愈合阶段.

表2 正交试验的因素及水平

2 沥青混合料损伤愈合性能分析

2.1 沥青混合料半圆弯拉试验

如表2所示，试验考虑5个影响因素，每个影响因素取3个水平，各影响因素之间不存在交互作用.当采用沥青混合料半圆试件的FED作为损伤愈合的评价指标时，各因素条件下的试验结果如表3所示.为了消除重复水平试验中的误差，在表3中设置了2个误差空列(F,G).试验采用极差分析法对正交试验结果进行分析.通过正交试验得到在不同水平下各影响因素的HIFED值，试验结果与极差分析见表3.其中Ki(i=1,2,3)为因素水平为i时自愈合指标HIFED值的总和；HIFEDi(i=1,2,3)为Ki的平均值；R表示极差.

由表3中的R值可知，竖向位移(损伤程度)的极差值最大，说明损伤程度对沥青混合料断裂能密度的恢复程度影响最显著，其他4种因素对沥青混凝土自愈合的影响程度由大到小依次为沥青种类、老化程度、愈合温度、愈合时间.

由表3中的HIFEDi值可知：(1)胶粉改性沥青混合料的自愈合能力最好，其次为90#基质沥青混合料，最次为SBS改性沥青混合料.这是由于胶粉改性沥青中的橡胶粉具有溶胀吸附作用[7]，颗粒表面可形成沥青质凝胶膜，导致沥青黏度增大，并且胶粉颗粒具有良好的弹性恢复能力.(2)随竖向位移的增大(即损伤程度的加大)，沥青混合料的自愈合能力急剧下降.当竖向位移较小时，试件内部出现微损伤，在温度和时间的作用下发生愈合效应；若沥青混合料内部存在宏观损伤，则难以愈合.(3)沥青混合料的老化程度越严重，其自愈合能力越差.对于90#基质沥青，老化过程中轻组分在高温条件下挥发，沥青质比例增加，流动性降低；对于改性沥青，老化会令改性剂分子间结构遭到破坏，改性剂对沥青轻组分的吸附溶胀作用减弱，改性沥青的流动性变差，沥青变得硬脆[8].综上得出，老化作用使沥青的流动性变差，导致混合料的自愈合能力下降.(4)愈合温度越高、愈合时间越长，对沥青混合料的自愈合越有利.当愈合温度超过40℃时，沥青混合料自愈合指标迅速增大，即愈合速度更快，此情况与沥青的流变特性相符.愈合时间小于8h时，沥青混合料自愈合指标随时间延长迅速增大；当愈合时间较长时(>8h)，沥青混合料自愈合能力随时间的延长而逐渐变低，说明时间达到一定值时，延长愈合时间并不能提高混合料的恢复能力.

2.2 数字散斑试验

热老化作用对沥青混合料的损伤及愈合过程均有一定程度的影响.通过数字散斑技术，进行不同老化程度的基质沥青混合料损伤自愈合性能研究，观察试件开始加载—目标损伤—愈合的全过程.在每个试件主裂缝的起裂点左右两侧各取1组点，用这些对应点的水平位移差ΔU=UR-UL(UR，UL分别代表起裂点左右两侧的水平位移)表示该处的裂缝宽度.图3为未经老化、短期老化及长期老化后基质沥青混合料试件的ΔU随时间的变化曲线.其中阶段Ⅰ表示加载开始到目标损伤的加载阶段；阶段Ⅱ为目标损伤完成后进行的卸载阶段；阶段Ⅲ为在 55℃ 下自愈合120min的愈合阶段.

表3 试验结果与极差分析

图3 老化程度不同的基质沥青混合料水平位 移差随时间的变化Fig.3 Change of ΔU vs time of asphalt mixture with different aging degrees

由图3可以看出：在荷载施加的初期，ΔU稳定上升，此时ΔU值较小且增长缓慢，此阶段由于起裂点处还没有形成宏观裂缝，沥青混合料还具有一定的持荷能力；继续加载，在某一时刻ΔU突然增大，表明此时有裂缝产生，对比3条ΔU-t曲线发现，经老化后的试件ΔU突变时刻早于未经老化的试件，且老化越严重，ΔU突变越早，说明沥青混合料经温度老化后开裂时间提前，其持荷能力与抗开裂能力均降低；经老化后的试件ΔU增长速度大于未经老化的试件，在达到目标损伤位移2.6mm时，老化后的试件产生的裂缝较大，说明老化后试件的抗变形能力下降，沥青混合料变得硬脆.由图3中的阶段Ⅱ曲线可以看出，卸载时的ΔU逐渐变小，裂缝宽度减小.由图3中的阶段Ⅲ曲线可以看出：未老化试件与短期老化试件的ΔU随愈合时间延长逐渐变小，说明愈合过程中这2种试件的裂缝宽度仍在不断减小，但速度较为缓慢；长期老化试件在愈合开始的 15min 后ΔU随时间逐渐增大，说明试件裂缝宽度在逐渐变大；对比愈合阶段的3条曲线可以发现，未老化试件裂缝宽度减小的速度略高于短期老化试件，长期老化试件在愈合过程中变形并没有恢复，反而由于自身的重力作用造成裂缝宽度缓慢增大，这是由于沥青长期老化后流动性变差，沥青间的黏聚作用以及沥青与骨料间的黏附作用减弱，导致沥青混合料的变形恢复能力下降[9].

3 结论

(1)在5个影响因素中，损伤程度对沥青混合料的自愈合性能影响最大，然后依次为沥青种类、老化程度、愈合温度和愈合时间.随着损伤程度的不断加大，沥青混合料自愈合性能随之下降，当竖向位移由2.6mm增加到3.2mm时，其自愈合指标下降了19.34%.

(2)3种沥青混合料中，胶粉改性沥青混合料的自愈合效果最好，其次为90#基质沥青混合料，最次为SBS沥青混合料；当愈合温度为55℃时，沥青混合料的自愈合能力最强，这一现象与沥青的流变特性有关.当愈合时间小于8h时，沥青混合料自愈合速度较快；当愈合时间大于8h时，沥青混合料自愈合速度减缓，说明过长的自愈合时间并不能有效提升沥青混合料自愈合性能.

(3)当采用裂缝两侧点的水平位移差ΔU分析不同老化程度的基质沥青混合料损伤自愈合性能时发现：在损伤阶段，沥青混合料经老化后流动性能变差，抗裂性能降低；在愈合阶段，未老化试件自愈合能力略高于短期老化试件，而长期老化试件由于裂缝较大，较难愈合.