不同损伤度和愈合温度条件下沥青胶浆自愈合行为研究

2020-10-12乐金朝张世兴乐明静李瑞霞

郑州大学学报（工学版） 2020年4期

乐金朝，张世兴，乐明静，李瑞霞

(郑州大学水利科学与工程学院，河南郑州 450001)

0 引言

自愈合材料指其本身具有修复损伤能力的材料。沥青混合料的自愈合行为是指在荷载间歇期，沥青混合料中的微裂缝由于沥青分子的浸润、扩散等运动而自动愈合，性能逐渐恢复[1]。而岩沥青是一种天然沥青，可以将它作为改性剂掺入到沥青混合料中，从而使其表现出优良的路用性能[2]。现如今，疲劳开裂问题已是沥青路面在使用期间的主要损伤之一。因此，可以在道路工程中利用沥青材料的自愈合性能对沥青路面进行及时养护，从而有效延长路面的疲劳寿命。

关于沥青自愈合方面的研究首先是针对沥青胶结材料，由于沥青胶浆在沥青混合料中主要起黏结填充作用[3]，因此其对沥青混合料的性能具有重要影响。近些年来，部分学者已经开始对沥青胶浆的自愈性展开了研究。张宏等[4]通过室内试验对沥青胶浆流变性能进行了研究，发现温度等因素对沥青胶浆流变性能具有较大影响；马晓燕等[5]通过LAS试验对沥青胶浆的疲劳寿命进行了研究，发现随着填料体积分数的增加，沥青胶浆的疲劳寿命减小；姜皖[6]利用动态剪切流变仪对沥青胶浆进行疲劳-愈合-再疲劳试验，且采用能量法评价沥青胶浆的自愈合性能，发现老化后的沥青胶浆的自愈合性能较基质沥青胶浆相差很大；Shen等[7]借助DSR研究自愈合性能的影响因素，表明加载应力水平、沥青类型、愈合时间及愈合温度对自愈合能力影响明显；崔亚楠等[8]通过疲劳-愈合-再疲劳试验指出SBS改性沥青胶浆较基质沥青胶浆自愈合性能更好，过大或过小的粉胶比对沥青胶浆的自愈合性能均会造成不良影响。上述的研究成果有效地推动了沥青胶浆自愈合行为的研究进展，但是这些研究大多集中于自愈合性能评价指标和影响因素，而没有深入分析沥青胶浆在间歇期自愈合行为的演变过程。考虑到沥青胶浆的自愈合行为是一个较为缓慢的过程，在间歇期的不同阶段内，由于受到沥青类型、愈合温度、损伤度等影响，自愈合性能呈现出不同的规律性[9]。基于上述分析，笔者以两种沥青胶浆作为研究对象，在多种损伤度下开展疲劳-自愈合试验，并且在不同愈合温度条件下，观测其性能变化过程，从而期望更深入地了解沥青胶浆自愈合行为的演化规律。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

本试验采用70号基质沥青和掺量质量分数为10%的伊朗岩沥青改性沥青[10]，两者的基本技术指标如下：25 ℃的针入度分别为65.3 (0.1 mm)、32.0 (0.1 mm)；针入度指数分别为-1.09、-0.64；5 ℃下延度分别为42.5 cm、11.3 cm；软化点分别为48.4 ℃、57.5 ℃。矿粉选用石灰岩矿粉。参考相关文献[11]，利用高速剪切乳化机制备粉胶比为1的基质沥青胶浆和岩沥青胶浆。

1.2 试验方法

1.2.1 疲劳试验

采用动态剪切流变仪(DSR)开展沥青胶浆的疲劳试验。根据相关研究成果[12]，采用直径为8 mm、间隙为2 mm的平行板，试验温度为25 ℃，试验频率为10 Hz，应变为3%。根据式(1)计算沥青胶浆的损伤度D，

D=1-Gb/Gi，

(1)

式中：D为损伤度，%；Gi为初始复数模量，Pa；Gb表示愈合前的复数模量，Pa。

1.2.2 愈合监测试验

当沥青胶浆达到设定损伤度后对其停止加载，通过调整试验温度，使沥青胶浆在不同温度下自动愈合[9]。每5～20 min监测一次沥青胶浆的性能。为了减小对沥青试件性能的影响，监测时采用小应变(0.001%)[13]。当试件的愈合指数等于1，或愈合指数增长的速率小于0.001/min时终止试验。基质沥青胶浆与岩沥青胶浆均在10 Hz、25 ℃下进行疲劳试验，愈合温度分别选取15、20、25、30 ℃，在4种温度下均开展损伤度为20%的疲劳-自愈合试验。此外，在25 ℃下还开展损伤度分别为40%、50%、55%、60%、80%的疲劳-自愈合试验。

2 试验结果与分析

2.1 愈合时间的影响

为了分析沥青胶浆的自愈合行为，笔者将采用式(2)作为愈合评价指标[10]。

(2)

式中：HI为愈合指数；Gi为试验开始时的复数剪切模量，Pa；Gb为自愈合行为发生前的复数剪切模量，Pa；Ga为自愈合发生后的复数模量，Pa。

选取愈合温度25 ℃，损伤度20%下基质沥青胶浆和岩沥青胶浆的愈合监测曲线作为典型，以此来深入探寻在愈合时间增长条件下，荷载间歇期内沥青胶浆自愈合性能的变化规律，如图1所示。由图1可以看出，基质沥青胶浆和岩沥青胶浆的愈合指数均随着愈合时间的增加而增大，且愈合曲线形态均呈现“两段”型：自愈合稳定前的增长发展型曲线和自愈合稳定后的稳定型曲线。其中，增长发展型曲线为“半抛物线”形，随着间歇期的增加，曲线的斜率逐渐降低，并且可以发现自愈合行为早期速率远远大于愈合后期速率。产生这种现象的原因主要是随着沥青胶浆性能的恢复，损伤试件的性能已接近原始状态，从而导致愈合速率降低，沥青胶浆的自愈合行为减弱；另一方面，在沥青胶浆愈合的初期阶段，会受到触变性的影响[16]，此时复数剪切模量的恢复由自愈性和触变性两种作用共同叠加，因此愈合速率初期大于后期。自愈合稳定后的稳定型曲线几乎呈水平状，此时沥青胶浆达到了最大的愈合能力，其性能的恢复已经趋于稳定。此外，有个别沥青试件的愈合指数HI略大于1，初步认为可能是由于沥青材料空间硬化造成的[15]。

图1 沥青胶浆典型愈合曲线Figure 1 Typical self-healing curves of asphalt mortar

2.2 愈合温度的影响

绘制不同温度条件下损伤度为20%的两种不同沥青胶浆的自愈合变化曲线，如图2所示。

图2 不同愈合温度下沥青胶浆愈合曲线Figure 2 Self-healing curves of asphalt mortar under different temperature

不同温度下两种沥青胶浆自愈性可以从图2曲线中直观看出。中温阶段基质沥青胶浆和岩沥青胶浆两种材料的愈合曲线均上升，表示中温阶段的温度对沥青胶浆的自愈合行为具有一定作用，但作用程度不同。处于中温范围内升高温度，能增大沥青胶浆的愈合速率，使沥青胶浆尽快达到愈合峰值，变为稳定。因此，在实际工程中，为充分利用沥青材料的自愈性，可以采用热诱导[16]的方式来提高自愈合的速率。

通过进一步深入分析可以发现，在中温范围内，温度的逐渐升高对沥青胶浆自愈合性能的促进并不能够无限增长，而是越来越弱。两种沥青胶浆的愈合温度从25 ℃增长到30 ℃，愈合曲线已经变得较为接近，达到愈合稳定的时间仅相差约40 min。通过研究认为在中温范围内，温度对自愈速率具有重要影响，但对愈合指数最终稳定值的影响则微弱。在温度为15 ℃、20 ℃条件下，当试验结束时，基质沥青胶浆和岩沥青胶浆的自愈合曲线的斜率均大于0，HI分别为0.534、0.748、0.715、0.914，若给予足够的间歇时间，愈合指数可能增长到1。

2.3 损伤度的影响

图3给出了在愈合温度25 ℃下不同损伤度两种沥青胶浆自愈合发展曲线。在不同损伤度下，两种沥青胶浆均表现出了自愈性，即便在高损伤度条件下，沥青胶浆依旧发生了自愈合行为[17]。由于损伤度的增大，沥青胶浆中的微裂纹变长、变宽，沥青胶浆分子的毛细作用速率逐渐减小，分子扩散距离也随之变长，因此损伤度的增大降低了愈合速率。通过研究认为，损伤度的增加不仅会影响沥青胶浆的自愈合速率，而且会改变自愈合稳定状态。在图3中能够明显地看到愈合温度为25 ℃的基质沥青胶浆分别在不同损伤度(20%、40%、50%)条件下，仍能恢复到初始完整状态，而从D=55%开始，愈合指数明显低于1且已达到愈合稳定状态，表明其无法恢复到初始状态。同样试验现象在岩沥青胶浆试验结果中也可获得，但岩沥青胶浆则从D=60%开始，愈合指数上升不到1。由以上分析可以看出，初始损伤程度增大，沥青胶浆的自愈合性能降低，其损伤度存在一定的阈值。当沥青胶浆的损伤度小于该阈值损伤度时，其仍然具有恢复至原始状态的愈合能力，经历一段间歇期，沥青胶浆可以完全恢复；但当沥青胶浆的损伤度大于该阈值损伤度时，沥青胶浆则无法恢复到原始状态，也即无论愈合时间的长短，愈合稳定后其愈合指数HI均小于1。当温度为25 ℃时，基质沥青胶浆的阈值损伤度为50%，而岩沥青胶浆的阈值损伤度则略高于基质沥青胶浆，为55%。

图3 不同损伤度下沥青胶浆愈合曲线Figure 3 Self-healing curves of asphalt mortar under different damage degrees

2.4 沥青类型的影响

岩沥青很大程度上改变了沥青的性能，为了深入探究沥青类型对沥青胶浆自愈合行为的影响，在25 ℃下使沥青胶浆愈合，选取低于和高于阈值损伤度的典型愈合曲线进行研究，如图4所示。当小于阈值损伤度时，岩沥青的掺入，增大了愈合效率及速率，使沥青胶浆加速恢复到初始状态；而大于阈值损伤度时，不仅提升了愈合速率和效率，而且提高了沥青胶浆的愈合能力，使胶浆能够恢复到接近疲劳前的状态。

图4 不同沥青胶浆愈合曲线Figure 4 Self-healing curves of different asphalt mortar

为了探究沥青胶浆疲劳自愈合行为在岩沥青影响下的作用机理，使两种沥青胶浆在不同条件下愈合0.1 min，所得结果见表1。由表1和图4可得，愈合初始阶段岩沥青胶浆愈合指数较低，但其愈合曲线斜率较大，愈合指数增长速度较快，短时间后岩沥青胶浆的愈合指数将大于基质沥青胶浆的愈合指数。

表1 不同条件下沥青胶浆愈合指数Table 1 Healing index of asphalt mortar under different conditions

沥青胶浆的自愈行为包含两部分：由毛细作用引起的分子润湿黏附性愈合和由分子扩散引起的黏聚性愈合[18]，停止荷载后，在很短时间内润湿黏附性愈合便可完成，间歇期内主要进行分子黏聚性愈合。由表1和图4对比可得，岩沥青降低了沥青胶浆的分子润湿黏附性愈合能力，但同时增强了分子黏聚性愈合能力。由此可以推知，加入岩沥青会吸收沥青中的轻质组分，使其形成连续结构，此时胶浆分子流动性降低，分子间作用力增大，表现为沥青胶浆变硬[19]。同时其毛细作用减弱体现在愈合过程中岩沥青胶浆润湿黏附性愈合能力降低。虽然岩沥青胶浆的分子流动性降低，导致扩散速率减慢，但是微裂缝宽度与分子间作用力有关,这也是黏聚性愈合强度的影响因素之一[20]，因此岩沥青掺入后，分子作用力提升，黏聚性愈合强度得到增强，愈合效率得到显著提升。综上所述，岩沥青的掺入，会显著增强沥青胶浆的愈合能力。