基于正交试验基质沥青自愈合性能影响因素研究

邓 华，黄 峰

（重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆市 401336）

0 引言

对于路面工程而言，沥青混凝土长期服役过程中受外界耦合因素的作用导致微裂缝或局部破坏，人们期望路面材料在损伤时也能复刻壁虎断尾自愈合的功能。最早提出沥青混合料能够自愈合的是Bazin[1]，其中沥青是使混合料产生自愈合能力的主要驱动力。此后，国内外研究学者将研究广泛集中于沥青材料的自愈合机理、试验方法、评价指标、影响因素等方面。

Phillips 等[2]从物理- 化学特性的角度提出沥青材料自愈合的三个阶段。Lytton[3]通过表面能理论阐述了极性键和非极性键对自愈合效果的影响，并且提出相应的指标。随着计算机在材料微观领域的发展，朱建勇[4]从分子模拟技术入手，采用溶解度参数为评价指标验证国外学者[5-6]提出的沥青分子模型，同时利用分子动力学模拟方法对1 nm 裂纹沥青在不同温度下能量变化规律。结果表明，温度越高，其分子扩散速度越快，从而沥青自愈合程度越高。

Pang 等[7]通过剪切流变试验将不同间歇时间条件下测得的沥青愈合前、后损伤程度的比值作为评价指标分析了基质沥青和SBS 改性沥青的自愈合能力。汤文等[8]根据能量耗散原理建立了沥青疲劳寿命Nf与耗散能坪值Pv的关系，同时分别以沥青损伤前后的Nf和Pv的变化率作为沥青材料自愈合指标。罗蓉等[9]结合聚合物裂缝愈合理论和实验数据对通用的自愈合性能指标进行验证和修正，并阐述了影响自愈合性能的因素为损伤度、间歇时间。程耀飞等[10]从扩散理论出发，提出沥青胶浆疲劳自愈合方程，并设置不同温度、粉胶比、填料类型等多个因素验证了愈合度与时间t0.25的相关性。

上述研究沥青自愈合性能影响因素多是独立进行的，因此本研究在前人研究基础上采取正交试验设计，引入间歇时间、损伤度、间歇温度三个因素对沥青自愈合性能指标进行分析，为预测沥青路面寿命和路面养护时机作出一定的指导意义。

1 原材料与试验方法

试验采用SK70# 基质沥青，置于135℃烘箱中，待其成流动状态时浇注于专用硅胶磨具中，冷却后利用动态剪切流变仪进行试验。夹具为8 mm 平行板，间距2 mm，加载频率10 Hz，恒应变6%，设计三因素五水平正交试验，见表1。

表1 正交试验方案

2 结果与分析

用于评价沥青材料自愈合性能的指标尚未统一，目前的主流是以沥青材料随加载次数变化测试自愈合前后复数模量。本试验采用HI1，HI2，为自愈合性能评价指标进行显著性因素分析。

2.1 自愈合评价指标HI1

HI1通常认为是沥青经过间歇时间自愈合后的初始动态剪切模量与自愈合前初始模量的比值[11]，表达式为：

采用动态剪切流变仪测试三因素五水平下的复数模量，利用式（1）计算得到HI1结果，见表2。

表2 HI1 正交试验结果

通过上述试验结果及极差（见表3）分析，可以看出对于自愈合指标HI1而言，影响因素较为显著的是间歇时间。结合HI1的物理意义，不难解释间歇时间对其的影响。在试验过程中，经过加载的沥青会出现微裂纹，在分子扩散重组的过程导致微裂纹实现愈合，并且随着间歇时间一定的延长使G*after/G*initial增大，即愈合指数增大。当以α=0.05 时，F（4，12）=3.26。从方差的分析结果来看，能够显著影响HI1的只有间歇时间，忽略了剩余两个因素对指标HI1的影响。结合聚合物自愈合机理可知，温度升高的过程会加速分子扩散、重组速度，从而使愈合几率增大，同时损伤度越小，愈合程度会有所增加。因此，指标HI1用于评价沥青的自愈合性能存在一定的不足之处。

表3 极差与方差计算

2.2 自愈合评价指标HI2

自愈合评价指标HI2反映了当荷载停止时沥青材料在间歇前后模量损伤率的接近程度，其比值可用作自愈合性能的评价指标[12]，表达式为：

采用HI2作为评价指标的试验结果及方差、极差计算结果见表4、表5。将表中数据按照极差分析可以看出，对自愈合评价指标HI2影响程度的因素排序为间歇温度＞间歇时间＞损伤度，但间歇温度和间歇时间的极差结果较为接近。利用方差进一步分析可知，在α=0.05，F（4,12）=3.26 时，各因素F 值均大于临界值F（4,12），且根据F 值排序可认为对自愈合指标HI2的影响程度为间歇温度＞间歇时间＞损伤度。

表4 HI2 正交试验结果

表5 极差与方差计算

从表中数据得知，温度为40℃时自愈合指标HI2较20℃时增加66.7%，较25℃时增加49.2%。可认为随着间歇温度的升高，自愈合指标HI2会逐渐增大，验证了沥青分子内部扩散重组速度会随温度的升高而加速，当温度超过30℃时，增长速率趋于平缓。同时，间歇8 h 的自愈合指标HI2是间歇0.5 h 的1.47 倍，并且间歇时间超过2 h 后，自愈合指标HI2的变化幅度趋于平稳。这说明间歇时间的延长有助于沥青微裂缝的愈合。不同的损伤度所呈现的结果出现上下波动的情况，可能是由于在计算指标HI2时，未考虑加载次数对结果的影响，但损伤度越小，沥青材料的自愈合程度越高。

2.3 自愈合评价指标

通常将沥青自愈合前与自愈合后分别达到疲劳寿命时加载次数的比值作为自愈合指标HI3，表达式为：

式中：Nafter为沥青自愈合后至疲劳寿命所需荷载次数；Nbefore为沥青自愈合前至疲劳寿命所需荷载次数。

但由于该指标在计算过程中忽略了模量的变化[13-14]，对此采用修正指标来表征沥青材料自愈合性能，表达式为：

由表6、表7 可知，按照极差和方差的计算结果表明，损伤度显著影响自愈合指标的变化。当沥青材料损伤度由10%增加到30%、90%时，指标分别降低了29.6%、58.3%。这说明随着沥青材料损伤度的提高，其自愈合性能逐渐降低。间歇温度对指标的影响与HI2的趋势一致。而间歇时间的5 个水平结果出现波峰现象，原因可能是疲劳加载次数导致沥青分子损伤程度出现差异。同时从表中数据可知，沥青材料自愈合指标的最优组合为间歇温度40℃、间歇时间4 h、损伤度10%。

表6 正交试验结果

表6 正交试验结果

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表7 极差与方差计算

另外，从理论上分析自愈合指标的值应小于等于1，接近1 表示自愈合性能良好，但因引入沥青材料达到疲劳寿命的加载次数导致其自愈合前的复数模量大幅降低，造成计算结果出现大于1 的情况。

3 结论

（1）通过设计正交试验对SK70# 基质沥青自愈合性能进行疲劳- 自愈试验的结果分析可知，能够显著影响自愈合指标HI1的因素为间歇时间，但方差分析的结果表示间歇温度和损伤度对指标HI1几乎无影响，从理论上认为采用指标HI1评价沥青材料自愈合能力欠妥。

（2）自愈合指标HI2通过计算沥青材料间歇前后模量的变化率进行表征，根据极差和方差的分析可知三个因素显著性影响的排序为间歇温度＞间歇时间＞损伤度，且间歇温度达到30℃、间歇时间为4 h时能够显著改善自愈合性能。

（3）将间歇前后沥青材料模量作为修正系数引入自愈合指标HI3得到指标进行正交试验。结果表明，所列三个因素都对沥青材料自愈合性能产生影响，其显著性排序为损伤度＞间歇温度＞间歇时间，且随着损伤度的增大，自愈合程度逐渐降低，体现自愈合性能良好的最优组合为歇温度30℃、间歇时间4 h，损伤度10%。